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金属的电化学腐蚀一课的案例教学设计

作者:第一论文网 更新时间:2015年10月26日 21:04:51

曹丽敏,江苏省常州高级中学(213003)。


    一、设计思想
    “金属的电化学腐蚀”在苏教版教材体系中分别出现在初中教材、《化学2》、《化学反应原理》、《化学与生活》、《化学与技术》5本教材上,化学课程标准对金属的腐蚀在各个板块的教学要求各有侧重,见表1。
    G37W426.jpg
    “化学反应原理”中“金属的电化学腐蚀”教学要突出“原理性”、“过程性”;还要注意与初中和化学2的衔接。本文的教学设计体现3个“注重”:注重原理分析,通过实验的设计、问题讨论明晰电化学腐蚀的原理;注重学生问题意识的培养,通过实验探究提高学生动脑能力以及质疑能力,学会应用观察、类比等多种手段获取信息;注重化学知识应用,通过问题解决让学生学会用化学原理解释某些生活现象、解决实际问题。
    二、教学目标
    1.知识与技能
    了解金属腐蚀的类型;理解金属的析氢腐蚀和吸氧腐蚀的原理。
    2.过程与方法
    通过实验探究和问题讨论提高动脑能力以及获取信息的能力;学会应用观察、类比等多种手段获取信息。
    3.情感态度与价值观
    认识金属腐蚀的普遍性和危害,学会用化学原理解释生活中的金属腐蚀现象、解决实际问题,增强联系实际学习化学并将化学知识应用于生活的意识。
    三、教学设计及过程
    【情境导入】先来看这样一则“旧闻”:
    据《云南日报》2004年5月25日报道:2003年10月14日,我国历史上第一座水力发电站——昆明市石龙坝水力发电站宣布正式停产。是什么原因导致这座始建于光绪三十四年、拥有“活化石”之称的水电站提早结束了自己的历史使命呢?工厂的水质检测员在前池测到水流的pH为3~4。原来元凶是受到酸性污染的河水,它使发电设备及大坝受到了极为严重的腐蚀。
    图片展示:遭受腐蚀之后的发电机组。
    G37W425.jpg
    再看这样一组数据。
    【资料卡1】金属腐蚀是一个全球性的问题,美国国家标准局20世纪70年代公布的报告:美国由于腐蚀每年造成的损失高达700亿美元,占美国GDP的4.2%;英国为3.5%,意大利为6.6%,波兰为6%~10%,日本为1.8%。
    【设问】读完这些数字,你有什么感受?对于金属的腐蚀大家最迫切想了解的是什么问题?
    (设计意图:通过一个案例和一组数据,让学生认识到金属腐蚀给经济带来的巨大损失,给资源造成的巨大浪费,将教学内容拉近学生的生活,增强学生的情感体验,激发学生的求知欲望)
    【过渡】怎么控制由于腐蚀而给国民经济带来的巨大损失?我们首先要做的,就是分析清楚金属为什么会被腐蚀。金属材料有90%以上是钢铁,这堂课就以钢铁为例研究金属的腐蚀原理。
    【设问】金属腐蚀就是金属与周围环境物质之间因发生了化学或电化学作用而引起的腐蚀破坏。金属的腐蚀与周围环境中的物质有关系。周围环境中的物质不同,金属的腐蚀情况如何呢?
    【课前实验探究】“影响铁钉腐蚀快慢的因素有哪些?”
    G37W427.jpg
    【问题引导】(1)6天过去了,铁钉分别有什么变化?(2)从实验现象归纳影响钢铁腐蚀的因素有哪些?(3)满足了这些条件的铁钉为什么容易被腐蚀?
    从实验现象中学生较易得出影响钢铁腐蚀的因素有氧气、水分、电解质、铁钉的成分等。但对满足这些条件的铁钉为什么容易被腐蚀不够清晰。因此教师通过模型化的启发给学生播放图片,启发学生从原电池原理思考金属的腐蚀。
    【投影】原电池构成的模型化过程(图2)
    G37W428.jpg
    【设问】让我们把目光投向实验(4)和实验(5),这2个实验中铁钉的腐蚀都是电化学腐蚀,那么原理是否相同呢?请同学尝试写出2个实验中的电极反应。
    【交流质疑】学生交流电极反应式并提出问题:负极反应有两种写法:Fe-2G37W430.jpg=G37W432.jpg,Fe-3G37W430.jpg=G37W431.jpg,为什么生成的是G37W432.jpg?为什么正极反应有时是G37W406.jpg得电子,有时是G37W429.jpg得电子?
    【过渡】检验真理的有效手段是实验,下面我们用实验来探究其中的原理。
    【资料卡2】G37W432.jpg遇到G37W433.jpg会生成蓝色沉淀。
    【实验探究1】检测实验(4)中正、负两极的产物。
    【交流与讨论】(1)设计实验,分析在U形管两端加入的试剂。(2)预测实验中可能观察的实验现象。
    【实验操作】用导线连接铁钉和碳棒,再将其分别插入盛有NaCl溶液的U型管的2个支管中。在插入铁钉的支管中滴入1滴KSCN溶液和3滴G37W433.jpg溶液,在插入碳棒的支管中滴入3滴酚酞溶液。
    现象:插入铁钉的一端产生蓝色沉淀;插入碳棒的一端溶液变红,液面上升。
    结论:(1)发生了吸氧腐蚀;(2)两电极一端产生G37W432.jpg,一端产生G37W405.jpg
    (设计意图:“耳听为虚,眼见为实”。金属吸氧腐蚀的原理是教学的重点,学生经常在负极的电极反应上犯错。通过实验,学生对负极生成G37W432.jpg有了感性的认识,也对金属的吸氧腐蚀加深了印象。)
    【实验探究2】探究实验(5)的腐蚀过程。
    演示:用醋酸将试管内壁润湿,向还原铁粉中加入少量炭粉,混合均匀后,撒入试管中,塞上带有导管的橡胶塞,将导管口插入装有红墨水的烧杯中。
    【组织预测实验现象】产生气泡。
    【组织观察实验现象】红墨水溶液中产生气泡。
    【交流与讨论】气泡产生的原理,学生有两种意见:可能为铁粉与炭粉接触醋酸后产生了析氢腐蚀,也可能是铁粉与醋酸直接反应产生氢气。
    【总结】金属的腐蚀方式有两种:电化学腐蚀和化学腐蚀,这两种方式同时存在,很难截然分开。
    【组织再观察实验现象】导管中水面明显上升。
    【我的疑问】
    (1)导管中水面为什么会上升?
    (2)为什么没有一开始就出现水面上升的现象,而是等待一段时间后?
    (3)在水面上升时试管内溶液还是显酸性吗?
    【讨论导出】(1)试管内气压减小,氧气可能被消耗,发生了吸氧腐蚀。(2)一开始溶液酸性较强,G37W406.jpg的氧化性较强,产生氢气速度较快;后阶段G37W406.jpg浓度减小,溶液酸性减弱,G37W406.jpg的氧化性减弱,则G37W429.jpg开始参加反应。正极反应存在竞争性。
    对疑问(3)学生有2种意见:一是认为此时溶液仍为酸性;二是认为此时溶液已显中性。这个问题教师没有预设到而是在课堂生成的,教师当即取来pH试纸,将试管取下后加入少量水,再用玻璃棒蘸取溶液点在试纸上,溶液明显还呈酸性。
    【设问】尝试写出此时吸氧腐蚀的电极反应式:
    G37W429.jpg+4G37W406.jpg+4G37W430.jpg=2G37W421.jpgO
    由于此时学生已通过实验验证了溶液呈酸性,在书写电极反应式时比较顺利。
    【总结】同样是吸氧腐蚀,在不同的电解质环境中电极反应式的书写不同。电极反应式的书写要注意酸碱性环境。
    (设计意图:在本实验的设计中,将化学腐蚀与电化学腐蚀、析氢腐蚀和吸氧腐蚀、吸氧腐蚀的电极反应式的书写融合在一个实验中,意料之外的实验现象激发了学生的学习热情,产生了强烈的好奇心。通过对实验现象的观察讨论、鼓励学生关注实验中“意外”的现象,鼓励学生提出问题,使学生明白分析现象要从本质、原理去思考)
    【归纳总结】(1)金属的电化学腐蚀,见表2。
    (2)金属腐蚀的方式
    电化学腐蚀:吸氧腐蚀、析氢腐蚀。
    化学腐蚀:金属与氧化性较强的物质接触。
    电化学腐蚀与化学腐蚀同时存在,很难截然分开,更多情况下是电化学腐蚀为主。
    【迁移应用】请解释下列铁生锈现象的原因:
    (1)20世纪初遗留在南极的食品罐头盒,至今其表面很少有铁锈出现。
    (2)当化工厂排出的废气为酸性时,工厂附近的钢铁设施容易生锈。
    (3)现有一根镀锌铁螺丝(地板钉)和一根用于连接铜板的铁螺丝,你能否预测哪种铁钉更耐腐蚀?说明原理。
    【归纳总结】金属腐蚀速率的影响因素:
    (1)内因:金属本身的性质和结构;
    (2)外因:氧气的浓度、温度、电解质环境、与其他金属接触。
    【拓展总结】辩证地看待金属的腐蚀。金属的腐蚀会给社会带来巨大损失,但我们也可以利用金属腐蚀的原理为生产生活服务(印刷电路板的制作、电化学刻蚀、等离子刻蚀技术等),还可以利用腐蚀防腐(钢铁的发蓝处理、铝罐车运输冷的浓硝酸和浓硫酸)。
    【问题解决】浸在水中的铁棒,什么部位较易发生腐蚀?预测反应的结果并说明原理。
    【组织预测】80%以上的学生认为在水面交界面附近铁钉较易腐蚀。实际情况是不是这样呢?
    【实验探究3】在一块光洁的钢板上滴1滴含酚酞和G37W433.jpg的NaCl溶液,在空气中放置。(本实验课前完成)
    实验现象:盐水滴边缘溶液显红色,盐水滴中心出现蓝色沉淀,见图3。
    G37W434.jpg
    G37W435.jpg
    【交流讨论】
    (1)该装置能否构成原电池?
    (2)盐水滴边缘和中心处,氧气的浓度大小有何区别?
    (3)该装置放置一段时间后,被盐水滴覆盖的钢板边缘和中心分别为原电池的哪一极?各自发生什么反应?
    【归纳总结】钢板表面附有水滴时,在水滴边缘的铁所接触的水中氧气的浓度较大,主要发生吸收氧气的还原反应,该处的铁(或氧气)是原电池的正极。在水滴中心的铁所接触的水中氧气的浓度较小,主要发生氧化反应,该处的铁作为原电池的负极而被腐蚀。
    【实验探究4】在试管中注入5 mL NaCl溶液,再滴入0.5 mL酚酞溶液和0.5 mLG37W433.jpg溶液,将一根长约15 cm、表面光亮的铁丝插入试管中,再将试管倾斜放置。(本实验课前完成)
    【实验现象】将该实验装置在空气中放置5~10 min后:(1)靠近液面处铁丝周围溶液显红色;(2)液面下约2 cm处,铁丝周围生成蓝色不溶物;(3)继续放置24 h,在以上两部位之间生成许多红褐色沉淀。铁丝在液面以上的部位出现零星锈斑,而在试管外的铁丝仍然保持光亮。
    【归纳总结】浸在水中的铁棒,靠近液面的部位,溶液中氧气的浓度较大,作为原电池的正极,氧气发生还原反应生成G37W405.jpg离子;浸入水下较深的部位,溶液中氧气的浓度较小,作为原电池的负极,铁发生氧化反应生成G37W432.jpg离子,此处应是铁棒较易腐蚀的部位;而在上述2部位之间,生成的铁锈最多。
    (设计意图:本实验探究涉及的内容已经超出课本要求,但是学生在生活或学习中会遇到很多问题,怎样对待学习中遇到的问题,是想当然?还是从理论分析?还是动手实验?解决这些问题的途径很多,但实验显然是很有效的一种手段。教学中应该让学生意识到实验法是学习化学的一种重要方法。)
    四、教学反思
    1.关注思维,引导质疑
    “怀疑是科学的生命、怀疑促进化学的发展”。如何在课堂教学中培养学生质疑的能力是教学设计的重点之一。本课通过“实验—预测—观察—解释—再观察—质疑”这样一条主线进行教学,教学中不回避学生的问题,给机会让学生质疑,想方设法通过实验、模型等手段解决学生提出的问题,激发学生思考。
    2.关注体验,主动探究
    高中化学课程标准明确提出:“探究学习是学生学习化学的一种重要方式,也是培养学生探究意识和提高探究能力的重要途径。”作为学习方式的探究学习,要求学生“用探究的方法学,学探究的方法”。我们应该把探究学习作为一种学习方式来贯彻,更应该把探究学习作为一种意识、习惯、方法,在课堂教学中加以培养,让学生养成“善思敏行”的良好学习品质。
    3.关注过程,动态生成
    教学中过程与结果同样重要,教师的教学不应该仅仅关注学习的结果,更应该重视思维的过程。因此教学时让学生多说,展示思维的过程,对学生思维能力和学习能力的培养很重要。课堂上动态生成的资源教师应加以合理的应用。在本课的试讲和上课过程中,注意了对学生动态生成资源的利用。例如,在书写电极反应式时,学生的一些答案,如:Fe-3G37W430.jpg=G37W431.jpg,Fe-2G37W430.jpg+2G37W405.jpg=G37W437.jpg,2G37W411.jpg-2G37W430.jpg=G37W436.jpg等恰好给问题的讨论提供了素材。而学生在课堂上动态生成的问题,如:析氢腐蚀后的吸氧腐蚀电极反应式如何书写?析氢腐蚀实验时气泡的产生是否可能是由于试管内温度升高造成的?均在课堂上加以利用。
    4.关注实际,问题解决
    STSE教育强调科学、技术、社会、环境的相互关系,重视科学技术在社会生产、生活环境和社会发展中的作用,是指导和实施化学教育的新理念。本课从金属腐蚀的案例和数据出发,结合实际让学生认识金属腐蚀的危害,在原理分析后结合生活实际解决了一系列金属腐蚀的问题,努力体现“从生活中来,到社会中去”这个教学理念,引导学生用化学知识解决实际问题。