基于证据推理的钢铁吸氧腐蚀的实验探究

张高豪

摘要：通过一系列实验探究钢铁吸氧腐蚀过程中的压强和氧气浓度的变化、电流的产生、检验两极生成的离子和确定能量的转化，从而增强学生的证据推理意识、探究意识和创新意识。

关键词：证据推理；吸氧腐蚀；实验探究

文章编号：1008-0546（2023）10-0095-03

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2023.10.020

普通高中化学课程标准（2017年版）提出“具有证据意识”“学会收集各种证据，对物质的性质及其变化提出可能的假设，基于证据进行分析推理，证实或证伪假设”[1]。沒有证据证实的想法只是假设，在日常教学中要注重培养学生的证据意识，用证据推出的结论才是可靠的，证据推理是发展学生化学学科核心素养的重要一项。

钢铁的电化学腐蚀是苏教版选择性必修1《化学反应原理》专题1化学反应与能量变化第三单元金属的腐蚀与防护中的一部分内容。电化学腐蚀包括析氢腐蚀和吸氧腐蚀，学生容易接受析氢腐蚀，金属与酸反应放出氢气。教材中只有一个能显示吸氧腐蚀装置内气体压强减小的实验，不能直接体现反应减少了什么气体，生成什么，为什么属于电化学腐蚀，学生对吸氧腐蚀缺少直观的感性认识。为了突破吸氧腐蚀这一认识上的难点，笔者设计了如下实验，对钢铁吸氧腐蚀进行探究。

一、实验仪器用品

铁片、砂纸、饱和NaCl溶液、酚酞、K3Fe （CN）6溶液、滤纸、胶头滴管、试管、铁粉、石墨粉、盐酸、电流表、导线、石墨电极、烧杯、三颈烧瓶、氧气传感器。

二、实验探究过程

展示一幅图片，如图1所示，模拟钢铁的析氢腐蚀和吸氧腐蚀。一个锥形瓶中装有铁粉、石墨粉和饱和NaCI溶液，另一个锥形瓶中装有铁粉、石墨粉和盐酸，分别连接装有红墨水的U形管，提出以下问题。

1．图1中哪个装置内气压减小了，哪个发生了吸氧腐蚀，减少的是什么气体，如何证实？

学生很容易判断出左边U形管内液体发生倒吸，装置内气压减小，发生了吸氧腐蚀，通过预习也知道减少的是氧气。当问到怎样验证是氧气减少了时，教室内异常安静，多数人无法回答，只有个别学生说用带火星木条去试一试。这种想法值得鼓励但难以操作，当学生束手无策时，教师展示氧气传感器，介绍使用方法，告诉学生用氧气传感器可以测装置内氧气含量的变化，用数据证明氧气确实被消耗。由于钢铁吸氧腐蚀反应比较缓慢，需测15 min以上，不适合在教室内现场演示，教师可以事先做实验拍成照片和视频，在课堂上展示，如图2、图3、图4所示。

2．钢铁吸氧腐蚀过程中真的有电流产生吗？怎样设计实验证实？

有学生说用电流表，教师肯定学生的想法，并提供电流表、铁片、石墨棒、导线、烧杯、氯化钠溶液，让学生动手设计成原电池装置，并操作和观察电流表指针的偏转，从而证实确有电流产生，如图5所示。

3．钢铁吸氧腐蚀过程中物质是如何转化的，生成什么离子，如何检验生成的离子？

学生通过阅读教材知道负极生成Fe2+，正极生成OH一。检验OH一用酚酞，检验Fe2+用什么呢？有学生说用酸性KMnO4溶液，有CI-时不适合。

也有学生说用KSCN溶液和氯水。

教师向学生推荐一种检验Fe2+简单且现象明显的好方法。铁氰化钾溶液遇Fe2+生成蓝色沉淀，常用于Fe2+的检验，方程式为：2 [Fe（CN）6]3-+ 3Fe2+ =Fe3 [Fe（CN）6]2↓。

由于初次接触铁氰化钾，需要演示一下效果。取事先新制的FeCl2溶液放人试管中，滴加两滴铁氰化钾溶液，不要振荡试管，可观察到试管壁上和溶液中都有蓝色沉淀生成，并能观察到蓝色不溶物在下层的浅绿色FeC12溶液中徐徐沉降，时间稍长后，不溶物在试管底部聚集，如图6所示。

教师提供NaCI溶液、铁片、酚酞、铁氰化钾溶液让学生设计微型实验，检验钢铁吸氧腐蚀生成的离子。

然后学生分组实验，用砂纸打磨过的铁片放在滤纸上，在铁片的左、中、右三个位置分别滴加2滴饱和食盐水，再在左边食盐水上滴加1滴铁氰化钾溶液、右边食盐水滴加1滴酚酞，在中间饱和食盐水旁边滴一滴铁氰化钾溶液，做空白对照实验，半分钟、一分钟和两分钟分别观察现象。

可以非常清晰地看到，左边液滴中心附近铁片上有蓝色不溶物逐渐增大，宛如眼睛一般晶莹剔透，右边液滴边缘变红，红色逐渐变深，漂亮程度不知怎样形容。从而证实了缺氧区生成Fe2+，富氧区生成OH一，如图7所示。

4．钢铁吸氧腐蚀过程中的能量如何转化的？是不是只有化学能转化成电能？化学能有没有转化成其他形式的能量？

展示暖宝宝的主要成分：铁粉、活性炭、食盐、水、蛭石（保温材料）、吸水性树脂。一片暖宝宝为什么能快速产生大量热？播放暖宝宝发热原理的视频，其发热原理也是钢铁吸氧腐蚀造成的。证实了钢铁吸氧腐蚀过程中化学能不仅可以转化成电能，还能转化成热能。钢铁吸氧腐蚀有对人类不利的一面，如果合理利用，也可以造福社会。

通过以上探究，学生对钢铁的吸氧腐蚀有了更深入的认识，负极反应：2Fe_4e-=2Fe2+，正极反应：02+4e-+2H2O=4OH-。

三、实验效果评价

1．体现新课程理念中的证据意识、探究意识和创新意识

不是想当然地把知识介绍给学生，而是每一步都要有理有据。倒吸证明装置内压强减小、氧气浓度变小证明氧气被消耗、电流表指针偏转证明有电流，滴加K3[Fe（CN）6]出现蓝色沉淀证明有Fe2+，酚酞变红证明有OH一，暖贴发热证明有放热。用看得见的宏观现象体现微观的变化，让学生口服心服，从而强化证据意识。探究贯穿于整个实验过程，一连串探究实验环环相扣逐渐深入，在探究过程中引导学生观察、思考和感悟创新的魅力。不再是教材中的几段文字，而是完全不同的新情景。

2．实验简捷直观易操作有利于进入常规课堂

实验如何走进常规课堂，而不是停留在公开课上，一直很困扰。准备一节公开课、示范课、观摩课可能需要一个月的时间，大量的实验仪器用品特别是学生分组实验仪器用品，很难搬到教室里，造成公开课与常规课落差巨大。本节课用到的实验仪器用品不多，一个人就可以把演示实验和分组实验的所有物品带到教室里，检验钢铁吸氧腐蚀生成离子的分组实验每组只需几滴溶液，且成功率百分之百。另外把不易带人课堂的直接证据用图片或视频的形式再现，再把间接证据进行筛选加工，能提高课堂效率。[2]在教室大屏幕上展示，能达到更好的效果，不用网上已有的实验视频材料。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部．普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）[S]．北京：人民教育出版社，201 8．

[2] 蒋玉华，基于化学微课培养“证据推理”的学科素养——以“硝酸的性质”为例[J]．化学教与学，2020（2）：68-70．