基于證據推理的鋼鐵吸氧腐蝕的實驗探究

張高豪

摘要：通過一系列實驗探究鋼鐵吸氧腐蝕過程中的壓強和氧氣濃度的變化、電流的產生、檢驗兩極生成的離子和確定能量的轉化，從而增強學生的證據推理意識、探究意識和創(chuàng)新意識。

關鍵詞：證據推理；吸氧腐蝕；實驗探究

文章編號：1008-0546（2023）10-0095-03

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2023.10.020

普通高中化學課程標準（2017年版）提出“具有證據意識”“學會收集各種證據，對物質的性質及其變化提出可能的假設，基于證據進行分析推理，證實或證偽假設”[1]。沒有證據證實的想法只是假設，在日常教學中要注重培養(yǎng)學生的證據意識，用證據推出的結論才是可靠的，證據推理是發(fā)展學生化學學科核心素養(yǎng)的重要一項。

鋼鐵的電化學腐蝕是蘇教版選擇性必修1《化學反應原理》專題1化學反應與能量變化第三單元金屬的腐蝕與防護中的一部分內容。電化學腐蝕包括析氫腐蝕和吸氧腐蝕，學生容易接受析氫腐蝕，金屬與酸反應放出氫氣。教材中只有一個能顯示吸氧腐蝕裝置內氣體壓強減小的實驗，不能直接體現反應減少了什么氣體，生成什么，為什么屬于電化學腐蝕，學生對吸氧腐蝕缺少直觀的感性認識。為了突破吸氧腐蝕這一認識上的難點，筆者設計了如下實驗，對鋼鐵吸氧腐蝕進行探究。

一、實驗儀器用品

鐵片、砂紙、飽和NaCl溶液、酚酞、K3Fe （CN）6溶液、濾紙、膠頭滴管、試管、鐵粉、石墨粉、鹽酸、電流表、導線、石墨電極、燒杯、三頸燒瓶、氧氣傳感器。

二、實驗探究過程

展示一幅圖片，如圖1所示，模擬鋼鐵的析氫腐蝕和吸氧腐蝕。一個錐形瓶中裝有鐵粉、石墨粉和飽和NaCI溶液，另一個錐形瓶中裝有鐵粉、石墨粉和鹽酸，分別連接裝有紅墨水的U形管，提出以下問題。

1．圖1中哪個裝置內氣壓減小了，哪個發(fā)生了吸氧腐蝕，減少的是什么氣體，如何證實？

學生很容易判斷出左邊U形管內液體發(fā)生倒吸，裝置內氣壓減小，發(fā)生了吸氧腐蝕，通過預習也知道減少的是氧氣。當問到怎樣驗證是氧氣減少了時，教室內異常安靜，多數人無法回答，只有個別學生說用帶火星木條去試一試。這種想法值得鼓勵但難以操作，當學生束手無策時，教師展示氧氣傳感器，介紹使用方法，告訴學生用氧氣傳感器可以測裝置內氧氣含量的變化，用數據證明氧氣確實被消耗。由于鋼鐵吸氧腐蝕反應比較緩慢，需測15 min以上，不適合在教室內現場演示，教師可以事先做實驗拍成照片和視頻，在課堂上展示，如圖2、圖3、圖4所示。

2．鋼鐵吸氧腐蝕過程中真的有電流產生嗎？怎樣設計實驗證實？

有學生說用電流表，教師肯定學生的想法，并提供電流表、鐵片、石墨棒、導線、燒杯、氯化鈉溶液，讓學生動手設計成原電池裝置，并操作和觀察電流表指針的偏轉，從而證實確有電流產生，如圖5所示。

3．鋼鐵吸氧腐蝕過程中物質是如何轉化的，生成什么離子，如何檢驗生成的離子？

學生通過閱讀教材知道負極生成Fe2+，正極生成OH一。檢驗OH一用酚酞，檢驗Fe2+用什么呢？有學生說用酸性KMnO4溶液，有CI-時不適合。

也有學生說用KSCN溶液和氯水。

教師向學生推薦一種檢驗Fe2+簡單且現象明顯的好方法。鐵氰化鉀溶液遇Fe2+生成藍色沉淀，常用于Fe2+的檢驗，方程式為：2 [Fe（CN）6]3-+ 3Fe2+ =Fe3 [Fe（CN）6]2↓。

由于初次接觸鐵氰化鉀，需要演示一下效果。取事先新制的FeCl2溶液放人試管中，滴加兩滴鐵氰化鉀溶液，不要振蕩試管，可觀察到試管壁上和溶液中都有藍色沉淀生成，并能觀察到藍色不溶物在下層的淺綠色FeC12溶液中徐徐沉降，時間稍長后，不溶物在試管底部聚集，如圖6所示。

教師提供NaCI溶液、鐵片、酚酞、鐵氰化鉀溶液讓學生設計微型實驗，檢驗鋼鐵吸氧腐蝕生成的離子。

然后學生分組實驗，用砂紙打磨過的鐵片放在濾紙上，在鐵片的左、中、右三個位置分別滴加2滴飽和食鹽水，再在左邊食鹽水上滴加1滴鐵氰化鉀溶液、右邊食鹽水滴加1滴酚酞，在中間飽和食鹽水旁邊滴一滴鐵氰化鉀溶液，做空白對照實驗，半分鐘、一分鐘和兩分鐘分別觀察現象。

可以非常清晰地看到，左邊液滴中心附近鐵片上有藍色不溶物逐漸增大，宛如眼睛一般晶瑩剔透，右邊液滴邊緣變紅，紅色逐漸變深，漂亮程度不知怎樣形容。從而證實了缺氧區(qū)生成Fe2+，富氧區(qū)生成OH一，如圖7所示。

4．鋼鐵吸氧腐蝕過程中的能量如何轉化的？是不是只有化學能轉化成電能？化學能有沒有轉化成其他形式的能量？

展示暖寶寶的主要成分：鐵粉、活性炭、食鹽、水、蛭石（保溫材料）、吸水性樹脂。一片暖寶寶為什么能快速產生大量熱？播放暖寶寶發(fā)熱原理的視頻，其發(fā)熱原理也是鋼鐵吸氧腐蝕造成的。證實了鋼鐵吸氧腐蝕過程中化學能不僅可以轉化成電能，還能轉化成熱能。鋼鐵吸氧腐蝕有對人類不利的一面，如果合理利用，也可以造福社會。

通過以上探究，學生對鋼鐵的吸氧腐蝕有了更深入的認識，負極反應：2Fe_4e-=2Fe2+，正極反應：02+4e-+2H2O=4OH-。

三、實驗效果評價

1．體現新課程理念中的證據意識、探究意識和創(chuàng)新意識

不是想當然地把知識介紹給學生，而是每一步都要有理有據。倒吸證明裝置內壓強減小、氧氣濃度變小證明氧氣被消耗、電流表指針偏轉證明有電流，滴加K3[Fe（CN）6]出現藍色沉淀證明有Fe2+，酚酞變紅證明有OH一，暖貼發(fā)熱證明有放熱。用看得見的宏觀現象體現微觀的變化，讓學生口服心服，從而強化證據意識。探究貫穿于整個實驗過程，一連串探究實驗環(huán)環(huán)相扣逐漸深入，在探究過程中引導學生觀察、思考和感悟創(chuàng)新的魅力。不再是教材中的幾段文字，而是完全不同的新情景。

2．實驗簡捷直觀易操作有利于進入常規(guī)課堂

實驗如何走進常規(guī)課堂，而不是停留在公開課上，一直很困擾。準備一節(jié)公開課、示范課、觀摩課可能需要一個月的時間，大量的實驗儀器用品特別是學生分組實驗儀器用品，很難搬到教室里，造成公開課與常規(guī)課落差巨大。本節(jié)課用到的實驗儀器用品不多，一個人就可以把演示實驗和分組實驗的所有物品帶到教室里，檢驗鋼鐵吸氧腐蝕生成離子的分組實驗每組只需幾滴溶液，且成功率百分之百。另外把不易帶人課堂的直接證據用圖片或視頻的形式再現，再把間接證據進行篩選加工，能提高課堂效率。[2]在教室大屏幕上展示，能達到更好的效果，不用網上已有的實驗視頻材料。

參考文獻

[1] 中華人民共和國教育部．普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）[S]．北京：人民教育出版社，201 8．

[2] 蔣玉華，基于化學微課培養(yǎng)“證據推理”的學科素養(yǎng)——以“硝酸的性質”為例[J]．化學教與學，2020（2）：68-70．