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视频标签：金属电化学腐蚀

所属栏目：高中化学说课视频

视频课题：高中化学说课视频_基于数字化实验对金属电化学腐蚀的研究

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高中化学说课视频_基于数字化实验对金属电化学腐蚀的研究

基于数字化实验对金属的电化学腐蚀的研究
一、使用教材
（一）教材分析
本节课选自人教版选修4第四章第四节《金属的电化学腐蚀与防护》，教材内容主要以钢铁在不同条件下的腐蚀为例，讲解了金属的析氢腐蚀和吸氧腐蚀的原理，以及金属电化学腐蚀的防护原理与方法。学生在此之前已经学习了原电池和电解池等知识，这为本节课的学习奠定了知识基础。
（二）课标分析
普通高中化学课程标准（2017年版）对本节课的要求是：了解金属发生电化学腐蚀的本质，知道金属腐蚀的危害，了解防止金属腐蚀的措施。同时课程标准中也给出了实验探究的活动建议：吸氧腐蚀；暖贴的设计。
二、实验器材
表1 实验仪器及药品

实验仪器	朗威数字化实验仪器：氧气传感器 空气湿度传感器 压强传感器 温度传感器
	多功能反应容器（自制）、U型管  T型连接管  橡皮管  培养皿  塑料胶头滴管
实验药品	铁粉 碳粉 pH=2盐酸 酚酞 暖宝宝

三、实验创新要点
1.选取合适的盐酸浓度进行实验，将析氢腐蚀和吸氧腐蚀实验探究装置一体化；利用压强传感器和氧气传感器，将微观变化可视化；与此同时，学生更加清晰的理解弱酸性条件下也可以发生吸氧腐蚀这一知识。
2.在暖宝宝发热原理探究实验中（见图2），引入氧气传感器、空气湿度传感器、温度传感器等数字化实验仪器，注重定量研究，学生能够养成从“实验—现象—数据—结论”的科学素养，对今后认知科学实验的思维产生深刻影响，打好实验基础。从宏观辨识实验现象，结合数字化实验对微观粒子的变化进行图像表征，进行微观探析，最后用符号进行表征。
3.利用家用塑料密封罐自制多功能反应容器，材料易获取，仪器组装方便快捷，气密性好，反应之后易清洗。
四、实验原理
（一）实验探究：析氢腐蚀和吸氧腐蚀
钢铁在pH 2~3左右的环境^[[1]]，先以析氢腐蚀为主，一段时间后以吸氧腐蚀为主。在密闭容器内（装置见图1），装入一定量的自制钢铁样品（铁粉和碳粉混合物），连接装置，检查装置气密性后，将塑料胶头滴管中的盐酸滴入容器内，先发生析氢腐蚀，一段时间后发生吸氧腐蚀。

图1 金属的电化学腐蚀实验装置图
（二）拓展实验：暖贴发热的原理
暖宝宝的主要成分为：碳粉、活性炭、盐、水、吸水树脂、蛭石等。暖宝宝工作发热是由于铁粉和碳粉在电解质溶液中形成原电池，发生吸氧腐蚀，放出热量。
密闭容器中放入暖宝宝（装置见图2），容器内由于铁发生吸氧腐蚀，容器内氧气浓度下降；吸水树脂本身吸收的水在工作过程中释放，虽然铁发生吸氧腐蚀消耗水，但不足以抵消吸水树脂释放的水，容器内空气湿度上升；铁发生吸氧腐蚀放出热量，容器内温度升高。

图2 暖宝宝发热原理的探究装置图
五、实验教学目标
教学目标
（1）通过析氢腐蚀、吸氧腐蚀的实验，增强对金属发生电化学腐蚀的微观本质的认识，完善电化学的知识体系。
（2）利用数字化实验仪器，创新教材实验来探究吸氧腐蚀，将微观发生的反应可视化，引导学生从宏观辨识现象，微观探析本质，发展宏观辨识与微观探析、科学探究与创新意识等化学学科素养。
（3）通过对暖宝宝发热原理的探究，学会运用所学化学知识解决生活中简单的化学问题，提升学生科学态度与社会责任的化学学科核心素养。
评价目标
（1）通过对析氢和吸氧腐蚀的微观本质的讨论和点评，诊断并发展学生金属电化学腐蚀原理本质的认识（物质水平、微粒水平）。
（2）通过利用数字化实验仪器对吸氧腐蚀的探究的讨论与交流，发展学生实验探究设计水平（孤立水平、系统水平）。
（3）通过对暖宝宝发热原理的探究及暖贴的设计，诊断并发展学生对化学价值的认识水平（学科价值视角、社会价值视角、学科和社会价值视角）。
六、实验教学内容
实验一：析氢腐蚀和吸氧腐蚀一体化实验
将铁粉和碳粉混合装入反应容器中，连接好实验仪器（如图1），检查装置气密性。将塑料胶头滴管中的盐酸挤入反应容器中，打开止水夹平衡内外气压，使U型管左右液面保持相平，关闭止水夹；观察并记录现象。（实验过程先观察到U型管液面左边下降，右边上升，呈左低右高；一会儿，U型管右边液面开始下降，左边液面开始上升，呈左高右低。说明了在酸性条件下主要发生析氢腐蚀，在弱酸性或中性条件下发生吸氧腐蚀。）
表2 析氢腐蚀和吸氧腐蚀一体化实验分析

电化学腐蚀	析氢腐蚀	吸氧腐蚀
实验现象	U型管液面左低右高 压强传感器示数上升	U型管液面左高右低 压强传感器示数下降 氧气传感器示数下降
解释	在酸性条件下，实验过程中产生H2，容器内压强增大	在弱酸性条件下，实验过程中消耗O2，容器内压强减小
负极	Fe – 2e- ==== Fe2+	2Fe – 4e- ==== 2Fe2+
正极	2H+ + 2e- ==== H2 ↑	O2 + 4e- + 2H2O ==== 4OH-

实验二：暖宝宝发热原理的探究
连接好装置（如图2），将暖贴打开并装入反应容器中，打开数字化实验系统，观察并记录数据，实验结束，绘制图像。

图3 暖宝宝发热原理实验数据
容器内由于铁发生吸氧腐蚀，容器内氧气浓度下降；铁发生吸氧腐蚀放出热量，容器内温度升高。暖宝宝中含有吸水树脂，吸水树脂本身吸收的水在工作过程中释放^[[2]]，虽然铁发生吸氧腐蚀消耗水，但不足以抵消吸水树脂释放的水，容器内空气湿度上升； 该实验展示了化学知识在生活中的应用，学生可以感受到化学给我们生活带来了巨大的便利。
七、实验教学过程

教学环节	教师活动	学生活动	教学评一体化
探索新知    析氢腐蚀	实验室模拟钢铁的腐蚀                               【演示实验】接通实验1的装置中氧气浓度传感器数据线，观察容器总氧气含量的变化。   【追问】容器内氧气为什么会减少   【引导】 4H2 ~ 4Fe2+ ~ O2	1.预测实验现象 U型管液面左低右高， 2观察实验现象 开始U型管液面左低右高，一段时间后U型管液面左高右低 3匹配相应模型 原电池模型 4.微观解释实验现象 U型管液面下降，说明容器中压强增大，产生了H2使容器内压强增大。 5符号表征 负极：Fe – 2e- ==== Fe2+ 正极：2H+ + 2e- ==== H2 ↑ 6“异常现象分析” 一段时间后右边液面上升说明容器内压强减小，容器内气体减少，可能是氧气减少。   【现象】容器内氧气的浓度下降，压强减小 【回答】可能是生成的Fe2+消耗了氧气     【回答】从关系式中可以看出，只是Fe2+消耗O2，容器内气体的减少量不足以使U型管液面左高右低，可能是铁与氧气反应了。	采用“POE”（预测、观察、解释）教学策略，发展学生证据推理与模型认知学科核心素养。       通过对析氢腐蚀的微观本质的讨论和点评，诊断并发展学生金属电化学腐蚀原理本质的认识（物质水平、微粒水平）     通过利用数字化实验仪器对吸氧腐蚀的探究的讨论与交流，发展学生实验探究设计水平
吸氧腐蚀	【追问】氧气参加反应生成了什么？	1.预测产物 预测1 O2 + 4e- + 2H2O ==== 4OH- 预测2 O2 + 4e- + 4H+ ==== 2H2O 2.设计实验验证 取反应后的样品，加入少量蒸馏水，滴入酚酞试剂，发现液体变红 3.结论 预测1正确
拓展应用   暖贴发热原理探究	【情境】暖贴的主要成分是铁粉、活性炭、盐等。它的发热原理是什么呢？         【推送资料】吸水树脂的功能作用。	1.预测原理 暖贴主要成分中没有酸性物质，可能是铁发生了吸氧腐蚀。 2.实验设计并预测实验现象 设计：运用氧气传感器、空气湿度传感器、温度传感器测试该过程中氧气含量、水蒸气含量以及温度的变化。 预测：氧气含量减小、水蒸气含量减小、温度升高 3.观察实验现象 氧气含量减小、水蒸气含量增大、温度升高 4. “异常现象分析” 吸水树脂能够吸收自身重量几百倍至千倍的水分，该过程中反复释水。 5.匹配相应模型 原电池中吸氧腐蚀模型 6.微观解释实验现象 暖贴工作时，发生吸氧腐蚀，吸收空气中的氧气，氧气浓度下降；该过程是放热过程，温度升高。 7.符号表征 负极：2Fe – 4e- ==== 2Fe2+ 正极：O2 + 4e- + 2H2O ==== 4OH-	通过对暖宝宝发热原理的探究及暖贴的设计，诊断并发展学生对化学价值的认识水平（学科价值视角、社会价值视角、学科和社会价值视角）。

八、实验效果评价
1.在研究电化学腐蚀的实验中，利用压强传感器和氧气传感器，将微观变化可视化，学生感受到了信息技术带来的便利；与此同时，学生更加清晰的理解弱酸性条件下也可以发生吸氧腐蚀这一知识。
2.在暖宝宝发热原理探究实验中，引入氧气传感器、空气湿度传感器、温度传感器等数字化实验仪器，注重定量研究，学生初步养成从“实验—现象—数据—结论”的科学素养，培养了学生科学探究与创新意识及科学态度与社会责任等化学学科核心素养。
通过分析教材及课标，我们提出了发展“证据推理与模型认知”的教学模式（见图4）。教师通过问题情境的创设，引导学生根据已有的知识或证据提出自己的假设，通过设计并实施实验方案证实或证伪自己的假设，建立观点、证据及结论等要素之间的逻辑关系，然后建构或匹配相应的认知模型，最终应用模型解决实际问题。

图4 “证据推理与模型认知”实验教学模式

附录1  实验教学课前自学学案
基于数字化实验对金属的电化学腐蚀的研究

自 学 质 疑 学 案

学习目标： （1）了解金属发生电化学腐蚀的危害。 （2）认识金属发生电化学腐蚀的本质。

学习重点：认识金属发生电化学腐蚀的本质。 学习难点：探究吸氧腐蚀的本质。

模块一  知识梳理

1.什么是化学腐蚀？是什么是电化学腐蚀？       2.析氢腐蚀发生的原理？         3吸氧腐蚀发生的原理？         品    名：暖阳阳暖身贴 产品结构：本品由原料层、背胶层、透气膜三部分组成           原料层由铁粉、蛭石、碳粉、盐类、水、高吸水性树脂等组成 保存方法：避开阳光直射，请置于常温及干燥处保存   4“暖宝宝”的主要原料如右图所示，请你根据已有的知识猜测暖宝宝发热的原理。并设计实验方案验证自己的猜想？   发热的原理：     实验方案：

学习困惑：

附录2  实验教学课堂学习学案
基于数字化实验对金属的电化学腐蚀的研究

课 堂 学 习 学 案

学习目标： （3）通过析氢腐蚀、吸氧腐蚀的实验，增强对金属发生电化学腐蚀的微观本质的认识，完善电化学的知识体系。 （4）通过对暖宝宝发热原理的探究，学会运用所学化学知识解决生活中简单的化学问题。

学习重点：认识金属发生电化学腐蚀的本质。 学习难点：利用数字化实验仪器，探究暖宝宝发热原理。

模块二  实 验 探 究

实验探究一：实验室模拟钢铁与酸反应   【基于证据，提出假设】   ________________________________________________；   【证实证伪，实验现象】   __________________________________________________；   【分析推理，匹配模型】           【解释现象，揭示本质】           【对“异常”现象解释】

模块三  拓 展 应 用

实验探究二：暖宝宝发热的原理的探究   【基于证据，提出假设】   ___________________________________________________；   【证实证伪，实验现象】   ___________________________________________________；   【分析推理，匹配模型】           【解释现象，揭示本质】           【对“异常”现象解释】

学 习 评 价

学习评价表 评价项目 分值 自评 （50%） 组内 互评（30%） 教师 价评（20%） 合计 我认识了金属发生电化学腐蚀的本质 20         我在实验过程中准确观察、记录实验现象 20       我对实验现象进行了合理分析 20       我掌握了实验探究的一般方法和步骤 20       我学会了用化学知识解决生活中的实际问题 20

课 堂 练 习

下列有关金属腐蚀与防护的说法正确的是（   ） A. 铜铁接触处，在潮湿的空气中直接发生反应：Fe – 3e- ==== Fe3+，继而形成铁锈 B. 轮船的船壳水线以下常装有一些锌块，这是利用了牺牲阳极的阴极保护法 C. 金属腐蚀的实质是金属失去电子被还原的过程 D. 在酸性环境下，钢铁只能发生析氢腐蚀 如图装置中，U形管内为红墨水，a、b试管内分别盛有食盐水和稀醋酸，各加入生铁块，放置一段时间.下列有关描述错误的是（   ） A. 生铁块中的碳是原电池的正极 B. 两试管中相同的电极反应式是：Fe – 2e- ==== Fe2+ C. a试管中发生了吸氧腐蚀，b试管中发生了析氢腐蚀 D. 红墨水柱两边的液面变为左低右高 钢铁的生产和使用是人类文明和生活进步的一个重要标志。 （1）金属制品中的镀锡铁皮（马口铁）和镀锌铁皮（白铁皮）镀层部分破坏后，在潮湿的环境中，_______________（填“马口铁”或“白铁皮”）更易锈蚀。 （2）炒过菜的铁锅未及时洗净（残液中含NaCl），第二天便会因腐蚀出现红褐色锈斑。 铁锅所发生的腐蚀主要是___________腐蚀，铁锅锈蚀的负极反应式为__________________________。 （3）为防止轮船的船体在海水中腐蚀，一般在轮船身上装有一定数量的________(填“锌”或“铜”)块。

课 后 作 业

【课后作业】 1.小结性作业：（1）导学案填写完整并上交。 （2）总结钢铁发生电化学腐蚀的知识网络图。           2.探究性作业（选做）：小组实验探究：析氢腐蚀和吸氧腐蚀发生的pH临界条件。 3.拓展性作业（选做）：查阅资料，收集工业上金属腐蚀防护的各种措施。

 

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