第三单元 金属的腐蚀与防护公开课教学设计模版

《钢铁的吸氧腐蚀实验探究》教学设计

扬州市新华中学 陈云 实验教学目标：

知识与技能:认识钢铁的吸氧腐蚀基本原理。

过程与方法：通过手持技术，将钢铁吸氧腐蚀的原理可视化，帮助学生理解原理，并运用于解释生活中的问题。

情感、态度与价值观：在理论分析、实验探究钢铁的吸氧腐蚀基本原理过程中学会联系生活，运用新方法、新技术解决疑难问题。培养学生证据推理能力，提升学生科学思维素养。

实验教学设计：

本节课采用“问题探究”的教学方法，让学生给出假设，通过探究实验结合手持技术进行证据推理，认识钢铁吸氧腐蚀的基本原理，进而解释生活中的问题。

实验内容：

实验名称：钢铁的吸氧腐蚀的探究性实验

实验仪器：威尼尔数字采集器、氧气传感器、温度传感器、滤纸、带鱼嘴夹的导线、电流表、培养皿、双口瓶、单孔塞、导管、碱性电池、剪刀、烧杯、玻璃棒、漏斗

实验药品：铁钉、多孔碳棒、饱和NaCl溶液、K3[Fe(CN)6]溶液、pH试纸、双氧水、二氧化锰、一次性暖贴（市售）

实验教学过程设计：

一．理解钢铁的吸氧腐蚀基本原理

[学生探究实验一]

将一片用饱和NaCl溶液湿润的滤纸条置于培养皿中，将带有鱼嘴夹的两根导线分别夹铁钉和碳棒，连接微电流计，将两电极分别接触滤纸条两端，观察、记录实验现象。

[设计意图] 该实验观察到微电流计指针偏转，有电流通过，说明构成原电池，验证钢铁的吸氧腐蚀是一种电化学过程，说明了铁、碳、盐在钢铁的吸氧腐蚀过程中的作用。与传统实验相比较：将铁、碳从微观颗粒放大到铁钉和碳棒，宏观展现其电化学原理；实验在培养皿中进行，用滤纸作为载体，材料简单易得，现象非常明显，操作也很简单，便于学生分组探究。

[学生探究实验二] 将铁钉、碳棒置于用饱和NaCl溶液湿润的滤纸条上，连接电流计反应一段时间之后，向铁钉处滴加一滴K3[Fe(CN)6]溶液，向碳棒处放置一张pH试纸，观察、记录实验现象。

（提示：Fe2+的检验：加入K3[Fe(CN)6]溶液，产生特征蓝色沉淀。）

[设计意图] 利用滤纸作为产物检验的载体，现象明显，操作简便。实验结果表明铁电极附近生成Fe2+，碳电极附近生成OH。引导学生利用宏观现象解释微观物质变化，有效地激发学生思－－维。同时也为后面的探究埋下伏笔：OH是由于什么原因产生的？学生进一步展开讨论，设计实验探究验证。

[学生探究实验三] 向培养皿中倒入饱和NaCl溶液，放入铁钉、碳棒，再连接微电流计，记录指针偏转情况。取出碳棒，清洗干净，连接碱性电池正极，取另一只碳棒连接碱性电池负极，将两根碳棒置于装有蒸馏水的烧杯中，电解一段时间。然后轻轻取出连接正极的碳棒，再与铁钉一起连接电流计，记录指针偏转情况。

[设计意图] 碳极附近有OH生成，但是原因不确定。是由于O2得电子造成的，还是由于H2O得电子造成的呢？需要实验证明。该实验设计利用电解水之后多孔碳棒吸附氧气，通过氧气浓度对电流的影响，间接证明了是由于O2生成OH，帮助理解吸氧腐蚀的原理。

二．通过手持技术，将钢铁吸氧腐蚀的原理可视化，帮助学生理解原理。

[演示实验一] （1）用USB数据线将计算机与数字采集器连接起来。

（2）将氧气传感器、温度传感器连接到数据采集器上。

（3）双口瓶的一端与氧气传感器连接，另一端用单孔胶塞将温度传感器与双口瓶连接。

（4）将滤纸卷成圆筒状放入双口瓶内，使筒口对准插入温度传感器的瓶口。

（5）在双口瓶的一端接入氧气传感器。取一袋一次性暖贴，剪开，将其中的固体粉末倒入烧杯内，用玻璃棒迅速搅拌均匀，再沿漏斗从接温度传感器的瓶口倒入正下方圆柱形滤纸槽内，迅速插入温度传感器，点击数据采集。

（6）数据图像纵轴选择O2浓度（%）（体积分数）和温度（℃），横轴选择时间（S），开启仪器采集数据，观察氧气浓度和温度变化情况。

[小结](1)碳电极附近生成OH是消耗了空气中的O2

；(2)认识铁的吸氧腐蚀的原理：

Fe - 2e- = Fe2+

；

O2 + 4e- + 2H2O = 4OH-

；

4Fe +3O2 + 6H2O = 4Fe(OH)3

－－

－

[设计意图] “一次性暖贴”是生活中常见的东西，引入课堂，学生很快产生兴趣。铁的吸氧腐蚀实验是氧化还原反应原理在电化学中的应用之一，如何将反应的微观变化尽可能通过技术手段呈现出来成为本实验教学设计的主要思想，手持技术的应用使得一些原本不明显的现象更加明显和可测。利用手持技术可视化地将钢铁腐蚀过程中氧气参与反应展现出来，相比较教材中利用压强变化说明氧气变化更直接且具有可信度。从曲线变化过程中充分感受到密闭瓶内随着温度的上升氧气的浓度逐渐减小，从而说明钢铁的吸氧腐蚀中是氧气参与反应。用温度传感器动态测定反应过程中温度变化也说明是一个自发的氧化还原反应。

[演示实验2]

向双口瓶中通入氧气，用氧气传感器监测氧气浓度变化至O2浓度约为40%，停止通入氧气。再重复“演示实验1”操作，采集数据，观察O2浓度和温度变化情况。

[设计意图] 在增加O2浓度条件下，利用手持技术，再一次可视化地将钢铁腐蚀过程中消耗O2展现出来。实验结果表明O2初始浓度越高，温度上升越快，钢铁吸氧腐蚀速率更快，验证了影响钢铁吸氧腐蚀速率的因素之一氧气浓度，这也是“一次性暖贴”设计中所考虑的重要因素，紧密联系生活进行实验探究，具有实际应用意义。

三．运用“钢铁吸氧腐蚀原理”解释生活中的问题。

[交流与讨论] （1）一次性暖贴中原料（铁粉、碳粉、NaCl、H2O）的作用是什么？

（2）一次性暖贴发热的原理是什么？

（3）影响一次性暖贴发热温度高低的因素有哪些？

[设计意图]

学生对此实验的认知过程经历了由宏观现象到微观本质，由理论学习到知识应用的过程。在此讨论

“一次性暖贴”，观察其包装和成分思考相关问题，如：为控制发热温度高低，主要通过控制一次性暖贴包装上的微孔透气膜的孔径大小、一次性暖贴内包装中铁粉和碳粉混合均匀程度、一次性暖贴中NaCl和水的量，用以说明氧气浓度、接触面积、电解质溶液在钢铁腐蚀过程中的影响。化学来源于生活，服务于生活。运用已学知识解决生活中的问题才具有实际价值，也是学习化学的意义。

[结语]

利用手持技术中氧气传感器和温度传感器认识“钢铁的吸氧腐蚀”的基本原理，便捷地测定“一次性暖贴”反应过程中氧气浓度和温度的变化，说明应用现代的实验手段可以让学

生对化学反应有一个更全面、更深刻的认识。

实验教学反思

本节课主要解决了三个问题：什么是钢铁的吸氧腐蚀；为什么铁会锈蚀；铁是怎样锈蚀的。在解决这些问题的过程中，又向学生渗透了利用新技术、新方法，并应用于生活中的相关问题。

教学过程中发现有以下几方面需要进一步思考的：

（1）学生探究实验设计。在设计探究钢铁的吸氧腐蚀原理的实验时，发现构成原电池的放电量很小，因此在选择电流计时应选择微电流计。检验亚铁离子时一般选用K3[Fe(CN)6]溶液，实验现象较为明显，但是否能选用这种学生不熟悉的药品呢？

（2）原电池实验设计。在考虑O2参与反应时，曾设计向正极多孔碳棒通入O2，但是效果较差，原因是多方面的，如饱和NaCl溶液中的O2的溶解度较小、碳棒吸附O2的的能力小等。后续工作还有很多，例如怎样增大正极碳吸附O2的效果，是否可以利用手持技术进行进一步探究，如何改进，都是我们需要去深思的问题。

（3）利用手持技术探究的实验设计。将手持技术运用于钢铁的吸氧腐蚀的定性和定量研究已经有不少人做过，如何创新是最难的。在查阅资料过程中发现已经做过的工作主要有以下几种：单传感器监测氧气或压强变化；双传感器监测溶解氧和压强变化；双传感器监测O2和压强变化等。但是实验设计中都有一个共性，运用的药品是实验室的铁粉、碳粉和NaCl。化学来源于生活，学习化学的主要目的是服务于工业与生活，因此结合生活中的化学，本实验直接利用熟悉的一次性暖贴，对其包装设计和药品成分展开讨论研究。这个实验操作简便，学生认同感高。但是在一节课难以展现多方面的影响因素，略有遗憾。

（4）实验设计时，相关知识紧密联系工业与生活。如：铁碳混合物在水溶液中形成微电池，可以用来处理水中的污染物，是否可以从这个角度进行实验探究。因此后续相关工作还有很多，需要进一步探究。