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2019-2020年高中化學(xué) 《金屬的電化學(xué)腐蝕與防護(hù)》教案1 新人教版選修4 一、教學(xué)設(shè)計(jì) “金屬的腐蝕與防護(hù)”始終是一個(gè)世界性的異常棘手的科技難題。本節(jié)開(kāi)篇提供的統(tǒng)計(jì)資料——“發(fā)達(dá)國(guó)家每年由于金屬腐蝕造成的直接損失約占全年國(guó)民生產(chǎn)總值的2%～4%”，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)各種自然災(zāi)害造成損失的總和，這無(wú)疑會(huì)給人們一個(gè)重要的警示：金屬腐蝕，不可等閑視之！金屬曾是人類(lèi)文明發(fā)展的歷史標(biāo)志，如銅器時(shí)代、鐵器時(shí)代。在現(xiàn)代社會(huì)中，鋼鐵等金屬材料的產(chǎn)量和質(zhì)量仍是反映國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的重要指標(biāo)。然而人們對(duì)隨處可見(jiàn)的金屬腐蝕現(xiàn)象早已習(xí)以為常，不以為怪。因此，本節(jié)教學(xué)一方面是讓學(xué)生了解金屬發(fā)生腐蝕的原因及現(xiàn)代防腐措施，同時(shí)還要讓學(xué)生知道：防止金屬腐蝕，任重道遠(yuǎn)！ 本節(jié)內(nèi)容可大致分為三部分： 揭示金屬腐蝕的嚴(yán)重性和危害性→ 分析發(fā)生金屬腐蝕的原因→探討防止金屬腐蝕的思路和方法 鑒于金屬的電化腐蝕比化學(xué)腐蝕更為普遍，也更為嚴(yán)重，教科書(shū)中又重點(diǎn)以最常見(jiàn)的鋼鐵銹蝕為例，剖析了金屬的兩種電化腐蝕過(guò)程——析氫腐蝕和吸氧腐蝕，并重點(diǎn)介紹了金屬的電化學(xué)防護(hù)方法——犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)法和外加電流的陰極保護(hù)法。 教科書(shū)中安排了一個(gè)鐵釘銹蝕的演示實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)金屬的吸氧腐蝕原理。另外又安排了一個(gè)【科學(xué)探究】，驗(yàn)證犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明較活潑金屬鋅如何阻止鐵的析氫腐蝕。 為了拓展學(xué)生的知識(shí)面與培養(yǎng)他們的合作精神，教科書(shū)還安排了一項(xiàng)【實(shí)踐活動(dòng)】，要求學(xué)生查閱有關(guān)防治鋼鐵腐蝕方法的資料并交流。 本節(jié)教學(xué)可采用講授與討論相結(jié)合的方法。 本節(jié)教學(xué)重點(diǎn)：金屬的電化學(xué)腐蝕及金屬的電化學(xué)防護(hù)。 本節(jié)教學(xué)難點(diǎn)：金屬發(fā)生吸氧腐蝕的電化學(xué)原理。 教學(xué)建議如下： 1. 本節(jié)教學(xué)在整體設(shè)計(jì)上應(yīng)以色彩鮮明的圖像和現(xiàn)象明顯的實(shí)驗(yàn)作為重要的輔助手段，以強(qiáng)化學(xué)生的直觀感受，有利于學(xué)生加深對(duì)相關(guān)知識(shí)的理解。 2. 新課引入。以一組音像和文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)資料或新聞信息，簡(jiǎn)要介紹金屬在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的重要地位，同時(shí)揭示金屬腐蝕所造成的嚴(yán)重危害，可以使學(xué)生通過(guò)感官刺激產(chǎn)生強(qiáng)烈的心理震撼，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生探討金屬腐蝕相關(guān)問(wèn)題的欲望。 3. 教科書(shū)中的【實(shí)驗(yàn)4-3】可安排在討論金屬的電化學(xué)腐蝕之前，幫助學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)了解金屬發(fā)生電化學(xué)腐蝕的條件和相關(guān)的電極反應(yīng)。同時(shí)可增補(bǔ)兩組實(shí)驗(yàn)，按圖4-17另備兩套同樣裝置，其中一套只裝一干燥的無(wú)銹鐵釘，另一套只裝少量鹽水，幾分鐘后再比較三個(gè)裝置中的現(xiàn)象有何不同，這樣更有利于說(shuō)明金屬發(fā)生電化學(xué)腐蝕的條件。觀察實(shí)驗(yàn)后，可與學(xué)生一道討論以下問(wèn)題： （1）金屬腐蝕的本質(zhì)是什么？ （2）金屬的電化學(xué)腐蝕與化學(xué)腐蝕有何不同？（從反應(yīng)條件和反應(yīng)原理上加以說(shuō)明，并由此介紹金屬電化學(xué)腐蝕的兩種過(guò)程——析氫腐蝕和吸氧腐蝕） （3）為什么說(shuō)金屬的電化學(xué)腐蝕比化學(xué)腐蝕的危害程度更大？（電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象更具有普遍性，并且電化學(xué)腐蝕更快） （4）自20世紀(jì)以來(lái)，金屬遭受腐蝕的現(xiàn)象較過(guò)去數(shù)百年更為嚴(yán)重，其主要原因是什么？（可從酸雨形成的地區(qū)范圍更廣、降雨次數(shù)更為頻繁等環(huán)境變化方面說(shuō)明） 針對(duì)上述實(shí)驗(yàn)，還有些問(wèn)題可以探討，如怎樣判斷具支試管內(nèi)減少的氣體就是氧氣？應(yīng)根據(jù)教學(xué)實(shí)際靈活處理。 4. 關(guān)于金屬防腐的思路和方法，可以在課堂上組織學(xué)生討論： （1）鑒于金屬發(fā)生腐蝕的原因，可以從哪些方面設(shè)想解決問(wèn)題的思路？（即研究問(wèn)題的方向） ①直接隔離。即可選用適當(dāng)?shù)牟牧鲜菇饘倥c空氣或其他腐蝕性試劑隔離開(kāi)，以阻止金屬的腐蝕。 ②因勢(shì)利導(dǎo)。電化學(xué)腐蝕還是用電化學(xué)方法來(lái)解決，不回避金屬與氧化劑的直接接觸，采用還原性更強(qiáng)的物質(zhì)或其他替代方式來(lái)滿足氧化劑對(duì)電子的需求，從而保護(hù)主體金屬構(gòu)件免受腐蝕。 ③改變本質(zhì)。即改變金屬的內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)，使其具有較強(qiáng)的抗腐蝕性能。 （2）在生活和學(xué)習(xí)的過(guò)程中，你了解哪些防止金屬腐蝕的具體方法？（即學(xué)習(xí)解決問(wèn)題的方法） ①給金屬穿上“防護(hù)服”。具體方式有（以下內(nèi)容只需借助圖片作補(bǔ)充性的簡(jiǎn)略介紹）： 涂漆——如在鋼鐵表面涂防銹油漆； 熱鍍——加熱鋅或錫等耐腐蝕性能較強(qiáng)的金屬，使其均勻覆蓋于鋼鐵表面； 電鍍——在鋼鐵表面形成鋅或鉻等耐腐蝕性較強(qiáng)的金屬鍍層； 噴涂有機(jī)或無(wú)機(jī)涂層材料等。 ②電化學(xué)防護(hù)法——即犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)法和外加電流的陰極保護(hù)法。這是本節(jié)教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容之一，可先結(jié)合圖片分析原理，再組織【科學(xué)探究】，演示并討論教科書(shū)中圖4-21相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，同時(shí)還可與【實(shí)驗(yàn)4-3】作對(duì)比，說(shuō)明鋅、鐵與酸化的氯化鈉溶液構(gòu)成原電池后，鋅能夠有效地保護(hù)鐵制品。 ③在鋼鐵中加入一定比例的鉻和鎳（如14%～18%Cr，7%～9%Ni），改變鋼鐵內(nèi)部的組成和結(jié)構(gòu)，可極大程度地提高鋼鐵抗腐蝕性能，這就是常見(jiàn)的“不銹鋼”。 其他防腐措施一般也只作簡(jiǎn)略介紹。 5. 在本課小結(jié)時(shí)，可組織學(xué)生對(duì)金屬的化學(xué)腐蝕和電化腐蝕、析氫腐蝕和吸氧腐蝕等內(nèi)容進(jìn)行比較。 表4-5化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕的比較 表4-6鋼鐵的析氫腐蝕和吸氧腐蝕的比較 二、活動(dòng)建議 【實(shí)驗(yàn)4-3】 實(shí)驗(yàn)中須注意以下幾點(diǎn)： （1）多用幾枚鐵釘，增大鐵釘腐蝕時(shí)的耗氧量，以便在短時(shí)間內(nèi)可觀察到更為明顯的實(shí)驗(yàn)效果。 （2）經(jīng)過(guò)酸洗除銹的鐵釘，須用清水洗（避免殘留酸液干擾實(shí)驗(yàn)），然后用飽和食鹽水浸洗一下，即可加入到具支試管中。 （3）整個(gè)裝置應(yīng)保證密封狀態(tài)良好，幾分鐘后就可以看到導(dǎo)管中水柱明顯上升。原因是鐵釘發(fā)生吸氧腐蝕時(shí)，使具支試管內(nèi)O2減小，壓強(qiáng)降低，促使導(dǎo)管內(nèi)水柱上升。 【補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)4-4-1】為了增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的探究性，可補(bǔ)充下面的實(shí)驗(yàn)。 圖4-3鐵的吸氧腐蝕實(shí)驗(yàn) （1）向100 mL燒杯中加入約50 mL飽和食鹽水后，插入兩個(gè)玻璃筒（無(wú)底）； （2）將一顆無(wú)銹鐵釘和一個(gè)碳棒分別用導(dǎo)線與電流計(jì)連接后，再分別插入兩個(gè)玻璃筒中（裝置如圖43所示），立即可觀察到有電子自鐵釘流向碳棒，表明鐵釘與碳棒已構(gòu)成原電池的兩個(gè)電極； （3）1 min后，向插入鐵釘?shù)牟Ａ矁?nèi)滴入K3［Fe(CN)6］溶液，即可觀察到鐵釘附近的溶液變藍(lán)色，表明鐵被氧化，生成了Fe2+； （4）向插入碳棒的玻璃筒內(nèi)滴入酚酞溶液，可觀察到碳棒附近的溶液變紅色，表明溶液pH增大，呈堿性。 將該實(shí)驗(yàn)中觀察到的現(xiàn)象與【實(shí)驗(yàn)4-3】結(jié)合起來(lái)討論，能更好地說(shuō)明鋼鐵生銹時(shí)發(fā)生吸氧腐蝕的原理。 【科學(xué)探究】 這個(gè)實(shí)驗(yàn)的目的是驗(yàn)證犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)法。實(shí)驗(yàn)中以Zn片作陽(yáng)極，F(xiàn)e片作陰極，以經(jīng)過(guò)酸化的NaCl溶液作電解液。在這種條件下，Zn片與Fe片構(gòu)成了原電池的兩個(gè)電極，發(fā)生如下電極反應(yīng)： 陽(yáng)極：Zn-2e- == Zn2+ 陰極：2H++2e- == H2↑ H+來(lái)自H2O的電離，為了加大H2O中c(H+)，故在NaCl溶液中加入了少量酸液。 在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象上，可以看到電壓計(jì)指針有偏移，F(xiàn)e電極上有氣泡產(chǎn)生，但往Fe電極附近滴入K3［Fe(CN) 6］溶液，溶液不變藍(lán)色。即溶液中不存在Fe2+，證明Fe未被腐蝕。 【實(shí)踐活動(dòng)】 可組織社會(huì)調(diào)查等活動(dòng)，然后進(jìn)行交流。相關(guān)專(zhuān)題可以是： 1. 在當(dāng)?shù)兀饘俑g的現(xiàn)狀及其危害； 2. 在當(dāng)?shù)兀藗儗?duì)金屬腐蝕的嚴(yán)重性和危害性的認(rèn)識(shí)程度； 3. 通過(guò)觀察和資料收集，你了解哪些防治金屬腐蝕的方法？在社會(huì)上相關(guān)的科學(xué)技術(shù)有無(wú)新的進(jìn)展？ 三、習(xí)題參考 參考答案 1. 負(fù)極；Fe-2e- == Fe2+；正極；析氫腐蝕：2H++2e- == H2↑，析氧腐蝕：2H2O+O2+4e- == 4OH- 2. （1）電化腐蝕，鐵和鐵中的雜質(zhì)碳以及殘留鹽溶液形成了原電池。 （2）提示：主要是析氧腐蝕。2Fe-4e- == 2Fe2+；2H2O+O2+4e- == 4OH- Fe2++2OH- == Fe(OH)2，4Fe(OH) 2+O2+2H2O == 4Fe(OH) 3 3. C； 4. B、D； 5. A、C； 6. A、D。 7. 金屬跟接觸到的干燥氣體（如O2、Cl2、SO2）或非電解質(zhì)液體直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而引起的腐蝕，叫做化學(xué)腐蝕。不純的金屬跟電解質(zhì)溶液接觸時(shí)，會(huì)發(fā)生原電池反應(yīng)，比較活潑的金屬失去電子而被氧化，這種腐蝕叫做電化學(xué)腐蝕。金屬腐蝕造成的危害甚大，它能使儀表失靈，機(jī)器設(shè)備報(bào)廢，橋梁、建筑物坍塌，給社會(huì)財(cái)產(chǎn)造成巨大損失。 8. 當(dāng)鋼鐵的表面有一層水膜時(shí)，水中溶解有電解質(zhì)，它跟鋼鐵中的鐵和少量的碳形成了原電池。在這些原電池里，鐵是負(fù)極，碳是正極。電解質(zhì)溶液的H+在正極放電，放出H2，因此這樣的電化腐蝕叫做析氫腐蝕。如果鋼鐵表面吸附的水膜酸性很弱或呈中性，溶有一定量的氧氣，此時(shí)就會(huì)發(fā)生吸氧腐蝕，其電極反應(yīng)如下： 負(fù)極：2Fe-4e- == 2Fe2+ 正極：2H2O+O2+4e- == 4OH- 總反應(yīng)：2Fe+2H2O+O2 == 2Fe(OH) 2 9. 鍍鋅鐵板更耐腐蝕。當(dāng)鍍鋅鐵板出現(xiàn)劃痕時(shí)，暴露出來(lái)的鐵將與鋅形成原電池的兩個(gè)電極，且鋅為負(fù)極，鐵為正極，故鐵板上的鍍鋅層將先被腐蝕，鍍鋅層腐蝕完后才腐蝕鐵板本身。鍍錫鐵板如有劃痕，錫將成為原電池的正極，鐵為負(fù)極，這樣就會(huì)加速鐵的腐蝕。 可設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)： 取有劃痕的鍍鋅鐵片和鍍錫鐵片各一塊，放在經(jīng)過(guò)酸化的食鹽水中浸泡一會(huì)兒，取出靜置一段時(shí)間，即可見(jiàn)到鍍錫鐵片表面較快出現(xiàn)銹斑，而鍍鋅鐵片沒(méi)有銹斑。即說(shuō)明上述推測(cè)是正確的。