金属电化学腐蚀的实验探究.docVIP

金属电化学腐蚀的实验探究 金属的电化学腐蚀是高二化学新教材(人教版)“原电池原理及其应用”一节的教学难点，教师按照传统的教学方法向学生讲清楚钢铁在潮湿空气里形成原电池时正、负极发生的反应并不容易。笔者在教学实践中采用实验探究式教学，把课堂教学与研究性学习结合起来，引导学生通过自主活动来探究金属电化学腐蚀的一些规律，既有助于理解、巩固化学知识，又能培养学生的实践能力和探究精神。 1 金属电化学腐蚀的反应原理 金属在潮湿空气里形成无数微小的原电池而被腐蚀时，金属总是作为原电池的负极(在腐蚀电池中常称为阳极)，发生氧化反应；金属中较不活泼的能导电的杂质则作为原电池的正极(在腐蚀电池中常称为阴极)，发生还原反应。由于金属接触到的电解质溶液的酸度不同，正极上的反应主要有2H++2e-=H2(析出氢气)和2H2O+O2+4e-=4OH-(吸收氧气)2类，因而分别称为析氢腐蚀和吸氧腐蚀。由于O2/OH-电对的电极电势大于H+/H2电对的电极电势，即使金属表面吸附着弱酸性水膜，只要空气中的氧气不断溶解于水膜，则金属的吸氧腐蚀仍然是主要的。一些学生对金属吸氧腐蚀的反应原理缺乏理解，例如他们常把钢铁吸氧腐蚀的负极反应写成Fe－3e-=Fe3+，又对正极反应的产物半信半疑。 帮助学生析疑解惑的有效办法是进行实验探究，验证钢铁吸氧腐蚀在两极反应的产物。 [探究问题]　用什么装置和试剂可以验证钢铁吸氧腐蚀在两极反应的产物? [讨论]　(1)构成原电池的条件，选用铁丝和碳棒作电极，NaCl溶液为电解质溶液；(2)检验Fe3+、Fe2+、OH-离子的试剂，分别用0.1mol/LKSCN溶液、0.1mol/LK3〔Fe(CN)6〕溶液和酚酞溶液，以下均相同。 [学生实验]　用导线连接铁丝和碳棒，分别插入盛有NaCl溶液的U型管的2个支管中。放置数分钟，在插入铁丝的支管中滴入1滴～2滴KSCN溶液，未显红色，证明没有Fe3+离子生成；改为滴入1滴～2滴K3〔Fe(CN)6〕溶液，则生成蓝色沉淀，证明有Fe2+生成。在插入碳棒的支管中滴入酚酞溶液，碳棒周围溶液显红色，证明有OH-离子生成。 将该装置放置一段时间，U型管底部出现红褐色沉淀。 [总结]　学生经过亲手实践，印象深刻，理解透彻，容易按教师的要求归纳以下知识要点：(1)钢铁吸氧腐蚀的电极反应式；(2)生成铁锈的化学方程式；(3)进一步思考：若把碳棒换成锌片再进行实验，现象及结论又怎样? 2 金属电化学腐蚀中氧气的影响 在金属的吸氧腐蚀过程中，氧气的作用十分重要。上述实验体现了金属的成分与电极反应的关系，还不能体现氧气浓度对金属腐蚀的影响。为了使学生进一步认识金属吸氧腐蚀的机理，笔者设计了以下实验，从另一角度引导学生对钢铁等金属的吸氧腐蚀进行探究。 [实验设计]　在一块光洁的钢板上滴1滴含酚酞和K3〔Fe(CN)6〕的NaCl溶液，在空气中放置几分钟，仔细观察现象并解释原因。 [学生实验]　学生按上述方法滴加试剂，经过5min左右，发现盐水滴边缘溶液显红色，盐水滴中心出现蓝色沉淀，普遍感到疑惑不解。 [启发]　(1)盐水滴边缘和中心处，氧气的浓度大小有何区别?该装置能否构成原电池?(2)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? [总结]　经教师启发，学生思路豁然开朗，进而形成以下共识：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溶解浓度较大，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溶解浓度较小，主要发生氧化反应，该处的铁作为原电池的负极而被腐蚀。 [点评]　金属表面常因氧气分布不均匀而引起腐蚀。在上述实验中，由于盐水滴中氧气的溶解浓度不同，使得盐水滴边缘的铁逐渐形成一个大的正极，氧气在此发生还原反应生成OH-离子；盐水滴中心的铁则逐渐形成一个大的负极，铁发生氧化反应生成Fe2+离子。钢铁等金属的合金所发生的吸氧腐蚀，又称为差异充气腐蚀。 3 纯金属的电化学腐蚀 学生通过实验探究认识到钢铁等金属的合金在大气中的腐蚀是因为金属表面的水膜中氧气分布不均匀而引起，金属中较不活泼的能导电的杂质并不参加电极反应，于是很自然地联想到纯金属能否发生电化学腐蚀的问题。 [探究延伸]　请思考纯金属能否发生吸氧腐蚀?怎样通过实验证实?经教师启发、引导，学生仍采用盐水滴实验进行探究。 [学生实验]　在擦去氧化膜的Al、Zn、Fe、Cu4种金属片上各滴1滴含酚酞的NaCl溶液，在空气中放置。观察到的现象如下： (1)放置数分钟后，Al、Zn、Fe片上盐水滴边缘的溶液显红色，呈现红色的速率是ZnFeAl，Cu片上盐水滴边缘的溶液没有明显现象；而各金属片上盐水滴中心逐渐出现不溶物。 (2)继续放置至盐水滴蒸发干，各金属片上盐水