“金屬的電化學(xué)腐蝕與防護(hù)”教學(xué)設(shè)計

王麗輝 吳麗霞

一、引言

人教版《化學(xué)(選修4)》課本中第四章《電化學(xué)基礎(chǔ)》共包括原電池，電解池，化學(xué)電源和金屬的電化學(xué)腐蝕和防護(hù)四小節(jié)的內(nèi)容[1]?！敖饘俚碾娀瘜W(xué)腐蝕與防護(hù)”是《電化學(xué)基礎(chǔ)》這一章的最后一節(jié)教學(xué)內(nèi)容。在教學(xué)安排上，此節(jié)內(nèi)容既涉及初中所學(xué)的金屬氧化，又利用到此章前面講到的原電池和電解池的知識點，有利于學(xué)生將前面所學(xué)零散知識進(jìn)行系統(tǒng)梳理[2]。

在人們的日常生活和生產(chǎn)活動中，金屬腐蝕是較為常見的現(xiàn)象。例如，鐵器的生銹，銀器的表面變黑和鋁器表面出現(xiàn)白斑都屬于金屬腐蝕現(xiàn)象[3]。金屬腐蝕分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。相比較而言，電化學(xué)腐蝕更為常見，危害更大。例如，由于金屬與鐵垢之間電位差的產(chǎn)生，在噴燃?xì)飧浇?，爐管的向火側(cè)等易產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象，容易造成金屬穿孔或者超溫爆管。金屬的電化學(xué)腐蝕不僅影響了人們的日常生活，而且造成的經(jīng)濟(jì)損失數(shù)以億計，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他自然災(zāi)害所造成的經(jīng)濟(jì)損失總和[4]。因此，學(xué)習(xí)金屬的電化學(xué)腐蝕，進(jìn)行金屬電化學(xué)腐蝕防護(hù)是有利于國計民生的重大問題。

本文將對“金屬的電化學(xué)腐蝕與防護(hù)”這一節(jié)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計。本教學(xué)設(shè)計將這節(jié)內(nèi)容分為兩部分進(jìn)行教學(xué)：第一部分為金屬的電化學(xué)腐蝕，介紹金屬的化學(xué)腐蝕與電化學(xué)腐蝕的概念，強調(diào)金屬化學(xué)腐蝕與電化學(xué)腐蝕的區(qū)別與聯(lián)系，以此揭示電化學(xué)腐蝕的本質(zhì)。講述過程中采用了問題引導(dǎo)法和實驗探究法，形成學(xué)生為主體的課堂教學(xué)氛圍。并讓學(xué)生通過小組討論的形式學(xué)習(xí)鋼鐵電化學(xué)腐蝕原理，探討鋼鐵析氫腐蝕和吸氧腐蝕的區(qū)別；第二部分為金屬電化學(xué)防護(hù)的教學(xué)，通過圖片描述法使得學(xué)生掌握電化學(xué)腐蝕防護(hù)的兩種方法：犧牲陰極保護(hù)法和外加電流陰極保護(hù)法，探討了其工作原理、優(yōu)點和缺點。在教學(xué)方法上，主要采取問題引導(dǎo)法、教師講授法、小組討論法和實驗探究法進(jìn)行教學(xué)。希望本教學(xué)設(shè)計能取得良好的教學(xué)效果。

二、教學(xué)方案

1.教學(xué)內(nèi)容分析

在本節(jié)課之前，學(xué)生已學(xué)習(xí)過原電池和電解池的構(gòu)造及工作原理，也已經(jīng)掌握了幾種常見的化學(xué)電池。本節(jié)課在前面學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上，將進(jìn)一步學(xué)習(xí)金屬的電化學(xué)腐蝕原理及兩種金屬電化學(xué)腐蝕防護(hù)的辦法。

2.教學(xué)目標(biāo)

(1)掌握電化學(xué)腐蝕的原理，揭示電化學(xué)腐蝕的本質(zhì)；(2)掌握吸氧腐蝕和析氫腐蝕的本質(zhì)；(3)掌握金屬的電化學(xué)腐蝕防護(hù)的兩種方法。

3.教學(xué)重點

(1)金屬的電化學(xué)腐蝕本質(zhì)；(2)金屬的電化學(xué)腐蝕防護(hù)措施。

4.教學(xué)難點

(1)金屬的電化學(xué)腐蝕工作原理；(2)電化學(xué)腐蝕正負(fù)極反應(yīng)的書寫；(3)金屬的電化學(xué)腐蝕防護(hù)措施及其工作原理。

5.教學(xué)方法

(1)小組討論法；(2)實驗探究法；(3)對比法；(4)問題引導(dǎo)法。

6.教學(xué)過程

圖片展示—教師引導(dǎo)—小組討論—實驗探究—教師講授—知識拓展—總結(jié)練習(xí)。

(1)復(fù)習(xí)

【教師提出問題】前幾節(jié)課我們已經(jīng)學(xué)習(xí)過原電池和電解池，同學(xué)們回想一下原電池和電解池的構(gòu)造和工作原理。

學(xué)生回答，教師總結(jié)并在黑板右側(cè)書寫有關(guān)原電池和電解池的知識要點，板書設(shè)計如圖1所示。

圖1 原電池和電解池知識要點的板書設(shè)計

(2)導(dǎo)課

【教師引課】同學(xué)們，圖2給出了生活中常見的金屬腐蝕現(xiàn)象，相信圖片中的場景大家在生活中也見過?，F(xiàn)在我們思考這樣幾個問題，這些場景我們在哪里見過？

圖2 生活中的各種金屬腐蝕現(xiàn)象

【學(xué)生回答】在學(xué)校大門上見過，在鍋爐房的鍋爐上見過，在水房的水管上見過……

【教師追問】看來同學(xué)們生活經(jīng)驗豐富，那么同學(xué)們再思考一下，這些現(xiàn)象都是怎么產(chǎn)生的？都依據(jù)什么化學(xué)原理？

【學(xué)生回答】環(huán)境潮濕，有水，有空氣，金屬易于被氧化。

【教師追問】上面這位同學(xué)回答很好，金屬被氧化就會腐蝕掉，但為什么同樣金屬放在不同環(huán)境中，有的快速氧化，有的氧化速度較慢呢？

【學(xué)生思考】……

【教師總結(jié)】最后這個問題使大多數(shù)同學(xué)陷入了思考，是啊，金屬腐蝕速度快慢究竟和什么有關(guān)？接下來進(jìn)入我們這節(jié)課的學(xué)習(xí)內(nèi)容。

7.教學(xué)內(nèi)容

(1)金屬的化學(xué)腐蝕與電化學(xué)腐蝕

【教師講解】金屬腐蝕分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕，下面老師給出兩者的概念[8]。教師講解并板書，金屬的化學(xué)腐蝕與電化學(xué)腐蝕概念的板書設(shè)計如圖3所示。

圖3 金屬的化學(xué)腐蝕與電化學(xué)腐蝕概念板書設(shè)計

【教師提問】同學(xué)們依照已學(xué)的相關(guān)知識和電化學(xué)腐蝕的概念，思考一下為什么在干燥的空氣中鋼鐵不易生銹，而在潮濕的空氣中卻容易生銹？

【學(xué)生回答】潮濕的空氣中有水。

【教師追問】很好，同學(xué)們說出了關(guān)鍵，潮濕的空氣中有水，顯然水是參加了反應(yīng)，那么怎么參加的？水起到什么樣的作用？

【學(xué)生思考】……

【教師講解】鋼鐵與潮濕的空氣接觸，一方面，外表形成了一個薄層水膜，又由于潮濕的空氣中含有二氧化碳、二氧化硫、硫化氫等氣體，因此水膜顯酸性，有氫離子存在，此時的水膜成了酸性電解質(zhì)溶液。另一方面，鋼鐵中既含有碳，又含有比碳活潑的鐵元素，加上電解質(zhì)溶液就構(gòu)成了原電池。金屬鐵在原電池中作為負(fù)極，失去電子被氧化，因此加速了金屬的腐蝕。下面我們一起看一下鋼鐵表面電化學(xué)腐蝕的相關(guān)圖片。

【多媒體圖片展示，教師講解】圖中我們可以看到，鋼鐵表面可以形成很多微小的原電池，這是鋼鐵電化學(xué)腐蝕速度快于普通化學(xué)腐蝕的真正原因。

【教師提問】請同學(xué)們思考一下金屬的化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕有何異同？

【學(xué)生思考并回答】……

教師總結(jié)并繪制化學(xué)腐蝕與電化學(xué)腐蝕的區(qū)別和聯(lián)系的表格，見表1。

表1 金屬化學(xué)腐蝕與電化學(xué)腐蝕的區(qū)別和聯(lián)系

【教師提問】上面講到水膜呈現(xiàn)酸性，鋼鐵發(fā)生電化學(xué)腐蝕。那當(dāng)水膜為弱酸性甚至中性時還會發(fā)生電化學(xué)腐蝕嗎？

【學(xué)生回答】會發(fā)生，因為水管內(nèi)壁用久了也會腐蝕，但是水管中的水并沒有吸收空氣中的二氧化碳。

【教師追問】這位同學(xué)回答得非常好，那我們思考一下，酸性不同，鋼鐵的電化學(xué)腐蝕原理是否一樣？

【學(xué)生思考】……

【教師講解】看來這個問題把同學(xué)們難住了。那下面，老師帶領(lǐng)大家學(xué)習(xí)一下兩種鋼鐵的電化學(xué)腐蝕原理。當(dāng)電解質(zhì)溶液處于不同酸性條件下，金屬的電化學(xué)腐蝕是不一樣的。在酸性環(huán)境下發(fā)生析氫腐蝕，在弱酸性或中性環(huán)境下發(fā)生吸氧腐蝕[9]。

教師總結(jié)并板書，鋼鐵的兩種電化學(xué)腐蝕工作原理板書設(shè)計如圖4所示。

圖4 鋼鐵的兩種電化學(xué)腐蝕工作原理板書設(shè)計

【教師提問】根據(jù)老師板書內(nèi)容，大家思考一下，為什么酸性不同，電化學(xué)腐蝕原理不一樣??？

【學(xué)生回答】水膜中酸性不同，作為正負(fù)極的物質(zhì)不同。

【教師追問】為什么酸性不同，正負(fù)極的物質(zhì)就不同呢？

【學(xué)生思考】可能不同條件下，形成了不同的原電池。

【教師總結(jié)】酸性條件下，氫離子與氫氣組成正極；弱酸性條件或中性條件下，氧氣與水組成正極。正極物質(zhì)不同，構(gòu)成了不同的原電池，因此工作原理不同[10]。

【實驗探究環(huán)節(jié)】為了讓同學(xué)們對鋼鐵的電化學(xué)腐蝕有更為直觀的印象，請大家依照圖5所示實驗方法，進(jìn)行分組操作并記錄實驗現(xiàn)象。

圖5 鐵的吸氧腐蝕實驗方案和實驗裝置圖

【學(xué)生總結(jié)實驗現(xiàn)象】經(jīng)過觀察發(fā)現(xiàn)鐵釘?shù)谋砻孀兒?，?dǎo)管中水柱液面上升。

【學(xué)生探討并解釋實驗現(xiàn)象】鐵釘發(fā)生吸氧腐蝕，使裝置中O2減少，氣體壓強減小，使水柱液面上升。

【教師追問】在本實驗中，為什么發(fā)生吸氧腐蝕而非析氫腐蝕呢？

【學(xué)生思考并回答】……

【教師講解】實驗中以飽和食鹽水作為電解質(zhì)，溶液呈現(xiàn)中性，同時試管中存在部分空氣，此環(huán)境下水溶液中氧氣與水構(gòu)成了原電池的正極，鐵與鐵離子為負(fù)極，因而發(fā)生了吸氧腐蝕。

(2)金屬的電化學(xué)腐蝕防護(hù)

【教師講解】上面我們了解了金屬的電化學(xué)腐蝕的工作原理，也了解了金屬的電化學(xué)腐蝕的危害，如何進(jìn)行金屬電化學(xué)腐蝕防護(hù)是一個值得思考的問題，接下來我們一起學(xué)習(xí)金屬電化學(xué)腐蝕的防護(hù)方法(如圖6所示)。

①犧牲陽極的陰極保護(hù)法

圖6 鋼閘門犧牲陽極的陰極保護(hù)法

【教師講解】分析圖6所示裝置，根據(jù)圖中電子流動方向，同學(xué)們判斷一下，誰是陽極？誰是陰極？

【學(xué)生回答】鋼閘門作為陰極，鋅板作為陽極。

【教師追問】圖6中裝置為什么就能實現(xiàn)對鋼閘門的保護(hù)？

【學(xué)生回答】鋅板作為負(fù)極，失去電子被氧化，從而保護(hù)陽極中鋼閘門不被氧化。

【教師追問】同學(xué)們想一下，這種方法有什么優(yōu)缺點？

學(xué)生回答，教師總結(jié)并板書，板書設(shè)計如圖7所示。

圖7 犧牲陽極的陰極保護(hù)法板書設(shè)計

【教師講解】從上面總結(jié)出我們可以看出，犧牲陽極的保護(hù)法簡單實用，但不可避免有其自身的缺點。這些缺點可能導(dǎo)致其應(yīng)用局限性。下面我們學(xué)習(xí)另一種電化學(xué)腐蝕的防護(hù)辦法(如圖8所示)。

②外加電流的陰極保護(hù)法

圖8 鋼閘門的外加電流陰極防護(hù)

【教師提問】同學(xué)們觀察一下，圖6和圖8有什么不同？

【學(xué)生回答】圖8中有電源，而圖6中沒有。圖8中陽極為石墨，圖6中為金屬鋅。

【教師追問】圖8中有外加電源，其工作原理是什么？

【學(xué)生回答】應(yīng)該是電解池的原理。

【教師追問】為什么圖8中選擇比鐵不活潑的碳(石墨)作為陽極？

【學(xué)生回答】因為電解池的工作原理是，陽極中陰離子失去電子，陰極陽離子得到電子，把被保護(hù)的金屬設(shè)備作為陰極，電子流向陰極，即被保護(hù)的金屬電極，使被保護(hù)的金屬表面的腐蝕電流降至近似為零或者為零，從而保護(hù)了陰極。

教師總結(jié)外加電流的陰極保護(hù)法并板書，板書設(shè)計如圖9所示。

圖9 外加電流的陰極保護(hù)法

【課上練習(xí)】

1.鋼鐵銹蝕過程中可能發(fā)生的變化是(A)

①Fe由單質(zhì)轉(zhuǎn)化為+2價；②Fe由+2價轉(zhuǎn)化為+3價；③產(chǎn)生氫氣；④產(chǎn)生氧氣；⑤雜質(zhì)C被氧化除去；⑥Fe(OH)3失水變成Fe2O3·3H2O

A.①②③⑥ B.①③④ C.只有①③ D.全部

2.以下現(xiàn)象與電化學(xué)腐蝕無關(guān)的是(D)

A.黃銅(銅鋅合金)制作的鑼不易產(chǎn)生銅綠

B.生鐵比純鐵容易生銹

C.鐵質(zhì)配件附有銅質(zhì)配件，在接觸處易生鐵銹

D.銀質(zhì)物品久置表面變暗

三、結(jié)語

本文對人教版《化學(xué)(選修4)》第四章《電化學(xué)基礎(chǔ)》最后一節(jié)“金屬的化學(xué)線腐蝕與防護(hù)”進(jìn)行了教學(xué)設(shè)計。在教學(xué)過程中采用問題引導(dǎo)法、教師講授法、小組討論法和實驗探究法相結(jié)合的方法進(jìn)行教學(xué)，此種教學(xué)方法靈活，體現(xiàn)了以學(xué)生為主體的課堂氛圍，學(xué)生易于接受，收到了較好的教學(xué)效果。