利用数字传感器探究铁钉锈蚀实验

钱颖丹

摘要：在文献研究的基础上，利用数字传感器，对教材实验进行改进，对实验中氧气含量、温度以及压强的变化情况进行实证研究。改进后实验过程快，实验结果明显、直观，实现铁钉锈蚀过程中耗氧、温度及压强变化的可视化。

关键词：铁钉锈蚀条件；数字传感器；实验探究

1 问题提出

铁钉锈蚀实验是沪教版九年级《化学》（国标）上册“金属防护和废金属回收”单元的一个重要实验，为探究在外部条件下钢铁锈蚀的影响因素，教材设计了铁钉在干燥空气等5种条件下逐渐生锈的对比实验（如图1所示）。

教师进行上述实验演示常常需要提前一周准备。若按照教材实验（如图1所示）进行教学，即便教师引导学生进行每天观察、记录实验现象，分析实验结果，但由于实验时间跨度较长，教学效果不太明显，尤其很难突破铁锈蚀过程中耗氧及能量变化等知识难点。从已有的文献研究中可以发现，如潘国荣[1]、胡海铭[2]、刘广斌[3]、张枫[4]、郑梅花[5]、王程杰[6]、谈小强[7]等教师已对原有的设计提出了一些改进措施，还有部分教师将铁钉换成铁粉加入碳粉使用传感器来进行实验，但是换成铁粉后铁钉在酸性条件下生锈这一实验过程就难以操作，铁粉会快速与酸反应使该实验有局限性。在这些实验中，部分教师改变了教材实验设计的条件，部分教师改进实验的装置，以达到快速观察到铁生锈的现象，但是几乎未对教材实验进行系统研究，如何实现铁钉锈蚀过程中耗氧、温度及压强变化的可视化？加酸、盐的条件与纯水进行对比是否真的加速了生锈过程？利用传感器检测能否将教材上5组实验（如图1所示）还原并测得相关数据做定量对比？为此，带着上述的诸多问题，笔者利用多种传感器，对教材关于铁钉锈蚀实验进行了如下的优化设计。

2 实验部分

2.1 实验探究思路

手持技术的TQVC概念认知模型[8]，即转化（Transfotmation）—量化感知（Quantitative Perception）—视觉感知（Visual Perception）—比较（Compare）概念认知模型，根据学生认知规律和具体教学情境，进行科学有效的信息化概念教学，帮助学生构建系统概念，建立新旧知识间联系。本研究基于该理论基础研究铁钉锈蚀过程。转化：学生在教师的科学引导下，从熟悉的表象事实出发，铁在有氧气和水的条件下会生锈，氧气的消耗过程看不见摸不着，可以通过手持技术传感器直接测量。量化感知：利用氧气传感器实时、精确测量铁生锈过程中氧气含量的变化，将定性转接到定量感知，同时引入温度、压强传感器进一步对铁生锈过程研究，丰富量化知识。视觉感知：通过配套软件所绘制的属性曲线图像，使数据更具有直观性、可视性，为学生头脑中的抽象概念建立模型认知，克服认知难点。比较：让学生分析曲线信息，进一步推理、解释，再联系旧知，实现概念构建，具体思路如图2所示。

2.2 实验仪器、试剂

（1）仪器：威尼尔LABQUSET 2数据采集器、氧气浓度传感器、温度传感器、气体压强传感器、250mL集气瓶、1000mL圆底烧瓶、200mL烧杯、铁架台

（2）试剂：铁钉，经煮沸并迅速冷却的蒸馏水，氯化钙干燥剂，棉花，4%的氯化钠溶液，0.05%稀盐酸

2.3 实验方案及参数设置

本实验利用酸处理除去铁钉表面的油膜后浸泡清洗烘干以用作实验，实验设计方案如表1。在实验2（如图3）中设置5组对比实验，实验顺序和方案与教材实验一致（如图1）。实验过程中实验2（如图3）和实验3（如图4）设置数据采集时间均为300s，间隔10s进行一次数据采集。实验3（如图4）为了进一步说明情况，采集时间增加到1200s，间隔50s进行一次数据采集。

2.4 实验装置

实验装置如图3、图4所示。

2.5实验步骤

实验1 铁钉的处理

将5～6cm长的新铁钉放在小烧杯中，用稀盐酸浸泡几分钟后，确保无锈，除去表面保护膜，把铁钉倒入水槽中冲洗、揉搓，捞出后擦干，再用砂纸进一步打磨直至光亮。

实验2 氧气传感器测量铁生锈

第1个集气瓶底放入无水氯化钙，用脱脂棉包裹住铁钉的尖端放入。第2个集气瓶倒入冷却的沸水没过铁钉后再倒入一层油封住。第3个集气瓶中倒入少量水将铁钉（铁钉横放，增大与空气的接触面积）半淹没在水中。第4个集气瓶加入少量食盐水将铁钉（铁钉横放，增大与空气的接触面积）半淹没在食盐水中，没有接触食盐水的铁钉一侧也要尽量表面包裹一层食盐水。第5个集气瓶中加入表面有一层酸膜的铁钉。所有实验都按照图3连接好装置，进行数据采集。

实验3 氧气、温度、压强传感器测量铁生锈

向三颈烧瓶中加入表面有一层酸膜的铁钉后，按照图4连接氧气、温度、压强传感器，进行数据采集。

3 实验数据的处理与分析

3.1 实验数据

将传感器采集到的数据导入数据处理软件origin6.0进行处理后得到下列图像，如图5、图6、图7所示。

3.2 图5数据分析：在实验2中，对比数据可知，在干燥空气和纯水环境下，随着时间的推移装置内的氧气含量并未减少，而在接触了空气和水的环境中，氧气含量在300s内有明显的降低，对比三组实验结果可知，铁钉需要在有空气和水的环境中才会生锈，并且铁生锈消耗的是空气中的氧气。而在有酸和盐水的条件下，300s内曲线下降速率更快，可见有酸和盐水存在的条件下，会加速铁生锈的速率。

3.3 图6、图7数据分析：在实验3中，从数据可知，300s即可明显观察到随着铁钉生锈氧气浓度下降，装置内的温度明显上升，1200s后变化情况更明显，温度升高约0.14℃，如图7，说明铁钉生锈消耗氧气且缓慢放热。无论是在300s还是1200s后，压强变化都不明显，可能是铁生锈缓慢变化的过程中，消耗氧气导致的压强减小和温度升高导致的压强升高相互抵消的原因。

4 结语

铁钉生锈的传统实验速率慢、时间长，学生在短时间内很难获得直观体验，尤其很难突破铁锈蚀过程中耗氧及能量变化等知识难点。在铁钉锈蚀的实验探究中，适时运用利用现代技术手段——传感器，学生不仅可以利用宏观实验现象（铁钉生锈）对比来探究铁钉生锈的条件，还可以利用微观实验数据（传感器数据——氧气、温度及压强的变化）来进行化学数据实证分析，变实验不可视为可视，从而引导学生多角度深入探究化学问题，增强学生实验探究和实验分析的能力，帮助学生构建系统概念，促进学生化学学科思维及学科素养的发展。

参考文献：

潘国荣，李文勇，陈正美. 探究“铁的锈蚀条件”实验创新设计[J].化学教育，2016，37（11）：73-75.

胡海铭. 铁锈蚀条件的探究实验改进[J].化学教育（中英文），2017，38（19）：56-57.

刘广斌. “铁锈蚀条件的探究”实验的创新设计[J].实验教学与仪器，2022，（4）：37-39.

张枫. 利用氧气传感器对铁生锈的再探究[J].实验设计与改进，2020，（352）：42-44.

[5] 郑梅花，张祁帆. 對食盐水中生铁锈蚀问题的探讨[J].化学教学，2015（3）：40-42.

[6]王程杰.关注氯离子效应在实验中的应用[J].化学教学，2015（12）：53-56.

[7]谈小强.关于钢铁腐蚀的理论探讨和实验分析[J]. 化学教学，2012，5期：47-49.

[8]王立新，钱扬义，苏华虹，等. 手持技术数字化实验与化学教学的深入融合：从“研究案例”到“认知模型”—TQVC概念认知模型的建构[J].远程教育杂志，2018，36（4）：104-12.