显微技术在“金属的腐蚀与防护”实验教学中的应用

刘广斌

摘要： 铁片、真空包装袋等器材可使铁片在2分钟左右出现锈斑，利用LED灯条等器材将普通光学显微镜进行简单的改装，可以清晰地观察到铁锈的图像及其特征。利用显微镜还可获得有关晶体的析出、金属与盐溶液反应等实验图像，甚至是反应的动态图像，并显著缩短实验时间、提高实验效率。

关键词： 实验教学; 光学显微镜; 金属的腐蚀与防护

文章编号： 1005-6629（2021）12-0078-04

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1 问题的提出

科学发现往往建立在对肉眼看不见的微观世界进行成功显像的基础上[1]。随着科学技术的进步，显微技术也在不断地发展，从可以放大到几十、几百、上千倍的光学显微镜、光学数码显微镜，再到放大倍率达数百万倍的电子显微镜，无一不是先进生产力的代名词。借助于显微技术，人类解决了许多生化领域的重大难题，从人类新起源到精确的基因编辑，再到新冠疫苗的诞生。

“金属的腐蚀与防护”是九年级化学“金属与金属矿物”这一主题的教学内容[2]。该主题涉及不同金属材料物理性质的比较、常见金属的化学性质、一氧化碳还原氧化铁、铁制品锈蚀的条件等四个方面的实验内容[3]。其中前三個实验不管是实验药品，还是实验装置、实验操作、安全环保等方面都比较成熟，并且实验中都能快速产生预期的且相当明显的现象。但“金属的腐蚀与防护”这一课题所涉及的“铁制品锈蚀的条件”实验，由于缓慢氧化本身速率较慢，为了真实体现铁制品在自然界条件下的锈蚀，并且得出锈蚀的条件，所以教材设计的实验方案均有一周左右的提前量，这就无形中拉长了此实验的周期。但如果使用铁粉[4]或铁片，则可初步解决金属锈蚀耗时过长的问题;而借助于光学显微镜技术，则可进一步克服这一缺陷，可快速、清晰地观察到棕黄色的铁锈。

2 实验设计

2.1 样品的准备

在人教版或国内其他版本的教材中，“铁制品锈蚀的条件”实验的铁制品样品一般选择学生熟悉的铁钉。当使用显微镜观察时，由于铁钉平放时易滚动，难以稳定地平放在显微镜下观察，即使可观察，聚焦后得到的也是一个倾斜的、部分清晰部分模糊的图像，所以建议采用铁粉或铁片为宜。

为了达到防锈的目的，日常生活中的铁制品表面一般会镀有一层其他的金属或涂油，有的表面还会有些许锈迹。为了确保实验的成功，找来的铁片首先需要用砂纸打磨，以去除表面的金属涂层或锈迹，再用碱液洗去表面的油污，最后将铁片在无氧环境（可在当地特种气站购得“氩弧焊”所用的氩气，利用氩气流吹干铁片）中快速干燥，以防止其再次氧化，将处理好的铁片放在真空包装袋中备用。

2.2 显微镜的选择

义务教育阶段的化学教育，其主要目的是引导学生认识物质世界的变化规律，形成化学观念;在体验科学探究的过程中启迪学生的思维;在认识化学、科技、社会、环境的过程中引导学生理解科学的本质[5]。所以义务教育阶段的化学探究性实验，不同于科学研究与发明创造，它是一个培养兴趣、提高科学素养、揭秘物质间变化规律、领悟科学探究方法的教学载体。

基于以上认识，显微镜一般不需要选择价格高昂的扫描隧道显微镜、电子显微镜等，可直接使用各学校实验室都具有的普通光学显微镜（如图1所示），使用可见光作为光源。虽然理论上可见光的波长为390到760纳米之间，而显微镜的分辨率最大可达其所用光源波长的一半，所以光学显微镜的理论极限分辨率也就在200纳米左右。然而对于启蒙的初中化学教学，对于样本的放大倍率一般不需要达到这个层级，选择放大倍数在1000倍以内的光学显微镜即可[6]。当然如果使用可连接各种多媒体的数码显微镜（光学显微镜与光电转换技术、屏幕显示技术的结合体），则教学效果将会更佳。

2.3 显微镜的改装

普通光学显微镜对于样本的基本要求是其要有一定的透光性，当光透过样品到达物镜，样品经物镜和管镜放大后，会形成倒立放大的实像，实像经目镜再次放大形成放大的虚像。

铁制样品的不透光性决定了使用普通光学显微镜时，可见光不可能从下面经反光镜反射，再透过样品进入物镜。那么光只能从样品侧面或正上方入射，此时就有两种方案可以实现此要求： 一是购买镜头带有补光设备的显微镜;二是对学校现有普通光学显微镜进行改装。但前者成本相对较高，动辄数万，从充分利用现有资源、节约成本的角度出发，可以选择对现有光学显微镜进行简单改装。

方案一 将光源固定在物镜上，光线由样品的正上方射入。

改装措施： 利用纽扣电池供电，使用发光二极管，将二极管用双面胶固定在物镜前端。

优势： （1）补光充足。（2）观察放大倍数要求较低的样品时，能得到较清晰的图像。

不足： （1）二极管本身占据一定的体积，对于放大倍数要求较高的实验，物镜与样品的距离本就需要十分接近，而此时二极管的存在限制了物镜向下的行程距离，难以对焦形成更清晰的图像。（2）对样品观察时一般先选择低倍率的物镜，当观察区的图像相对清晰后，再选用高倍率的物镜或目镜。此时由于频繁转换镜头，就需要在不同的物镜镜头前端均粘上二极管，并且由于接线较多，转换镜头相对麻烦。

方案二 将光源固定在载物台上，光线由样品四周射入。

改装措施： （1）选择LED灯条作为光源，同时选择与LED灯条相适应的镇流器与灯条连接。（2）将LED灯条用双面胶盘旋固定在培养皿的外侧（如图2所示）。

优势： （1）选择LED灯条作为光源的优势有三： 一是灯条较软，便于盘旋固定。二是亮度可调，当亮度过高时，可以在培养皿四周盘旋1～2圈;当亮度不够时，可以盘旋2～3圈。三是灯条色温可选、亮度较高，观察者长期观察后不容易视觉疲劳。（2）利用培养皿作为载物盘盛放样品的优势有： 一是便于固定铁片等实验样品;二是保证了光线的充足，由于培养皿边沿有一定的高度，LED灯条盘旋固定在培养皿外侧，可以保证样品四周360°的光线照射;三是在保证样品有充足光线照射的条件下，不影响物镜的上下行程，即使在高倍镜下观察，物镜与样品的距离较近时，也能得到较清晰的彩色图像。

2.4 利用改装的显微镜观察铁制品的锈蚀

为了探究铁制品锈蚀的基本条件，并缩短实验耗时，提高课堂教学效率，本实验除选用铁片外，还需经煮沸并迅速冷却的蒸馏水和纯氧气，在真空包装袋内（如图3所示）进行对比实验。

实验步骤： （1）取第1片铁片沾水放入真空包装袋，并充入氧气，将袋口密封条抹平压实。（2）取第2片铁片仅沾水（需煮沸并冷却的蒸馏水）放入真空包装袋中，先将袋口密封条抹平压实，再用抽气泵抽去袋内空气。（3）取第3片铁片不沾水，直接放入真空包装袋中，仅充入氧气，将袋口密封条抹平压实。

大约2～3分钟后分别将3片铁片取出，首先用肉眼对比观察，可以看到铁片在沾水并充氧气的情况下其表面发黄（锈斑），在图4所示显微镜（目镜10×、物镜40×）下观察，可以清晰地看到其表面黄色、疏松的铁锈;而其他两片铁片的表面没有明显的变化（如表1所示）。

观察步骤： （1）拆去显微镜载物台上的压片夹。（2）将装有补光设备的培养皿放在显微镜的载物台上。（3）将样品放在培养皿中合适的位置。（4）将补光设备接通220V电源。（5）先用低倍率镜头观察并调好焦距，再用高倍率镜头观察并微调，直至在目镜中观察到清晰的图像为止。

2.5 显微技术的应用评价

（1） 实验样品、药品以及实验仪器的重新选择使铁制品的锈蚀实验从大约一个礼拜缩短为2～3分钟;借助显微技术，还可以得到清晰的铁锈图像。这在节约实验时间、提高实验效率的同时，为学生快捷地分析铁生锈的条件提供了明确的佐证，有助于学生证据意识的培养。

（2） 借助显微技术，通过在显微镜下对铁锈甚至是铁锈生成过程的观察，可以清晰地看到铁锈呈“疏松”状，它不能对里面的铁起到保护作用。如果再对比观察铝表面的氧化物，学生可以清晰地看到什么是“致密层”，这对学生辩证地认识金属表面的氧化物有极其重要的作用。

（3） 显微技术的应用，虽说是一种创新，其实也并不复杂，只要师生一起在充分理解原有设计的基礎上，本着某种特殊的需求，对实验的原有设计稍加“改动”，就可以达到不一样的效果，从而提高实验教学的深度。这种“思考与改动”有助于培养学生的动手能力与创新能力。借助这种“改动”，还可以进一步加深学生对学科知识的理解。

3 显微技术的应用拓展

显微技术在化学实验教学中有着广泛的适用性。它不仅可以应用于观察金属的锈蚀，还可应用在其他实验的观测中，如晶体的析出、有气体或沉淀生成的反应、金属与盐溶液的反应等[7]。凌一洲等老师也曾利用光学显微镜观察到了银树、铜树、铅树的生成，但由于没有采用补光技术，所以没有很好地观察到金属树原本的颜色[8]（如图5①）。借助加装有补光设备的光学显微镜，不仅可以获得更清晰的实验图像（如图5②或③），而且充分激发了学生对化学学习的兴趣;借助加装有补光设备的光学显微镜，学生更清晰地观察到了化学反应之美[9]。

观察步骤： （以Fe与CuSO4溶液的反应、Cu与AgNO3溶液的反应为例）

（1）拆去显微镜载物台上的压片夹。（2）将装有补光设备的培养皿放在显微镜的载物台上，并接通电源。（3）取2只直径45mm表面皿，分别滴上少许CuSO4溶液、AgNO3溶液，再将两根约0.5cm长的细铁丝、细铜丝分别放入CuSO4溶液和AgNO3溶液中。（4）将两只表面皿分别放在显微镜下（培养皿内），先用低倍率镜头观察并调好焦距，再用高倍率镜头观察并微调，直至在目镜中观察到清晰的图像为止。

借助显微镜技术，不仅可以得到有关化学反应的静态图像，如果将目镜换成电子目镜，还可与电脑、投影仪相连，学生就可以在大屏幕上看到物质间反应的动态图像。由于在显微镜下进行实验，药品需求量极少，这使得化学实验真正实现了试剂微量化[10]。

参考文献：

[1]张章. 《科学》杂志悉数年度十大成就. 中国科学报[EB/OL]. （2018-01-02）. http：//www.cas.cn/kj/201801/t20180102_4628565.shtml.

[2][5]中华人民共和国教育部制定. 义务教育化学课程标准（2011年版）[S]. 北京： 北京师范大学出版社， 2012. 1： 1， 33.

[3]人民教育出版社课程教材研究开发中心编著. 化学九年级（下册）[M]. 北京： 人民教育出版社， 2012： 5， 10， 11， 16， 17～18.

[4]李忠元. 快速铁生锈实验的创新设计[J]. 化学教育， 2009， 30（8）： 61～61.

[6]杨珺， 刘梅梅， 汪晓庆， 潘献柱， 谢琳琳. 显微镜技术在教学和科研领域的应用及发展趋势[J]. 科技经济导刊， 2021， 29（8）： 153.

[7]王振， 胡志刚. “金属树”趣味实验及其教学应用[J]. 化学教学， 2018， （7）： 86～89.

[8]凌一洲， 施伟东， 王国余， 程鹏. 置换反应中金属枝晶结构的观察[J]. 化学教学， 2018， （6）： 79～82.

[9]王振， 严业安， 胡志刚， 凌一洲. 金属置换反应实验的审美化改进[J]. 化学教学， 2021， （1）： 55～58.

[10]李光真. 化学微量化实验的开发[J]. 化学教学， 2014， （5）： 55～57.