“金屬的電化學腐蝕與防護”教學設計

王麗輝 吳麗霞

一、引言

人教版《化學(選修4)》課本中第四章《電化學基礎》共包括原電池，電解池，化學電源和金屬的電化學腐蝕和防護四小節的內容[1]?！敖饘俚碾娀瘜W腐蝕與防護”是《電化學基礎》這一章的最后一節教學內容。在教學安排上，此節內容既涉及初中所學的金屬氧化，又利用到此章前面講到的原電池和電解池的知識點，有利于學生將前面所學零散知識進行系統梳理[2]。

在人們的日常生活和生產活動中，金屬腐蝕是較為常見的現象。例如，鐵器的生銹，銀器的表面變黑和鋁器表面出現白斑都屬于金屬腐蝕現象[3]。金屬腐蝕分為化學腐蝕和電化學腐蝕。相比較而言，電化學腐蝕更為常見，危害更大。例如，由于金屬與鐵垢之間電位差的產生，在噴燃氣附近，爐管的向火側等易產生電化學腐蝕現象，容易造成金屬穿孔或者超溫爆管。金屬的電化學腐蝕不僅影響了人們的日常生活，而且造成的經濟損失數以億計，遠遠超過其他自然災害所造成的經濟損失總和[4]。因此，學習金屬的電化學腐蝕，進行金屬電化學腐蝕防護是有利于國計民生的重大問題。

本文將對“金屬的電化學腐蝕與防護”這一節進行教學設計。本教學設計將這節內容分為兩部分進行教學：第一部分為金屬的電化學腐蝕，介紹金屬的化學腐蝕與電化學腐蝕的概念，強調金屬化學腐蝕與電化學腐蝕的區別與聯系，以此揭示電化學腐蝕的本質。講述過程中采用了問題引導法和實驗探究法，形成學生為主體的課堂教學氛圍。并讓學生通過小組討論的形式學習鋼鐵電化學腐蝕原理，探討鋼鐵析氫腐蝕和吸氧腐蝕的區別；第二部分為金屬電化學防護的教學，通過圖片描述法使得學生掌握電化學腐蝕防護的兩種方法：犧牲陰極保護法和外加電流陰極保護法，探討了其工作原理、優點和缺點。在教學方法上，主要采取問題引導法、教師講授法、小組討論法和實驗探究法進行教學。希望本教學設計能取得良好的教學效果。

二、教學方案

1.教學內容分析

在本節課之前，學生已學習過原電池和電解池的構造及工作原理，也已經掌握了幾種常見的化學電池。本節課在前面學習基礎上，將進一步學習金屬的電化學腐蝕原理及兩種金屬電化學腐蝕防護的辦法。

2.教學目標

(1)掌握電化學腐蝕的原理，揭示電化學腐蝕的本質；(2)掌握吸氧腐蝕和析氫腐蝕的本質；(3)掌握金屬的電化學腐蝕防護的兩種方法。

3.教學重點

(1)金屬的電化學腐蝕本質；(2)金屬的電化學腐蝕防護措施。

4.教學難點

(1)金屬的電化學腐蝕工作原理；(2)電化學腐蝕正負極反應的書寫；(3)金屬的電化學腐蝕防護措施及其工作原理。

5.教學方法

(1)小組討論法；(2)實驗探究法；(3)對比法；(4)問題引導法。

6.教學過程

圖片展示—教師引導—小組討論—實驗探究—教師講授—知識拓展—總結練習。

(1)復習

【教師提出問題】前幾節課我們已經學習過原電池和電解池，同學們回想一下原電池和電解池的構造和工作原理。

學生回答，教師總結并在黑板右側書寫有關原電池和電解池的知識要點，板書設計如圖1所示。

圖1 原電池和電解池知識要點的板書設計

(2)導課

【教師引課】同學們，圖2給出了生活中常見的金屬腐蝕現象，相信圖片中的場景大家在生活中也見過?，F在我們思考這樣幾個問題，這些場景我們在哪里見過？

圖2 生活中的各種金屬腐蝕現象

【學生回答】在學校大門上見過，在鍋爐房的鍋爐上見過，在水房的水管上見過……

【教師追問】看來同學們生活經驗豐富，那么同學們再思考一下，這些現象都是怎么產生的？都依據什么化學原理？

【學生回答】環境潮濕，有水，有空氣，金屬易于被氧化。

【教師追問】上面這位同學回答很好，金屬被氧化就會腐蝕掉，但為什么同樣金屬放在不同環境中，有的快速氧化，有的氧化速度較慢呢？

【學生思考】……

【教師總結】最后這個問題使大多數同學陷入了思考，是啊，金屬腐蝕速度快慢究竟和什么有關？接下來進入我們這節課的學習內容。

7.教學內容

(1)金屬的化學腐蝕與電化學腐蝕

【教師講解】金屬腐蝕分為化學腐蝕和電化學腐蝕，下面老師給出兩者的概念[8]。教師講解并板書，金屬的化學腐蝕與電化學腐蝕概念的板書設計如圖3所示。

圖3 金屬的化學腐蝕與電化學腐蝕概念板書設計

【教師提問】同學們依照已學的相關知識和電化學腐蝕的概念，思考一下為什么在干燥的空氣中鋼鐵不易生銹，而在潮濕的空氣中卻容易生銹？

【學生回答】潮濕的空氣中有水。

【教師追問】很好，同學們說出了關鍵，潮濕的空氣中有水，顯然水是參加了反應，那么怎么參加的？水起到什么樣的作用？

【學生思考】……

【教師講解】鋼鐵與潮濕的空氣接觸，一方面，外表形成了一個薄層水膜，又由于潮濕的空氣中含有二氧化碳、二氧化硫、硫化氫等氣體，因此水膜顯酸性，有氫離子存在，此時的水膜成了酸性電解質溶液。另一方面，鋼鐵中既含有碳，又含有比碳活潑的鐵元素，加上電解質溶液就構成了原電池。金屬鐵在原電池中作為負極，失去電子被氧化，因此加速了金屬的腐蝕。下面我們一起看一下鋼鐵表面電化學腐蝕的相關圖片。

【多媒體圖片展示，教師講解】圖中我們可以看到，鋼鐵表面可以形成很多微小的原電池，這是鋼鐵電化學腐蝕速度快于普通化學腐蝕的真正原因。

【教師提問】請同學們思考一下金屬的化學腐蝕和電化學腐蝕有何異同？

【學生思考并回答】……

教師總結并繪制化學腐蝕與電化學腐蝕的區別和聯系的表格，見表1。

表1 金屬化學腐蝕與電化學腐蝕的區別和聯系

【教師提問】上面講到水膜呈現酸性，鋼鐵發生電化學腐蝕。那當水膜為弱酸性甚至中性時還會發生電化學腐蝕嗎？

【學生回答】會發生，因為水管內壁用久了也會腐蝕，但是水管中的水并沒有吸收空氣中的二氧化碳。

【教師追問】這位同學回答得非常好，那我們思考一下，酸性不同，鋼鐵的電化學腐蝕原理是否一樣？

【學生思考】……

【教師講解】看來這個問題把同學們難住了。那下面，老師帶領大家學習一下兩種鋼鐵的電化學腐蝕原理。當電解質溶液處于不同酸性條件下，金屬的電化學腐蝕是不一樣的。在酸性環境下發生析氫腐蝕，在弱酸性或中性環境下發生吸氧腐蝕[9]。

教師總結并板書，鋼鐵的兩種電化學腐蝕工作原理板書設計如圖4所示。

圖4 鋼鐵的兩種電化學腐蝕工作原理板書設計

【教師提問】根據老師板書內容，大家思考一下，為什么酸性不同，電化學腐蝕原理不一樣??？

【學生回答】水膜中酸性不同，作為正負極的物質不同。

【教師追問】為什么酸性不同，正負極的物質就不同呢？

【學生思考】可能不同條件下，形成了不同的原電池。

【教師總結】酸性條件下，氫離子與氫氣組成正極；弱酸性條件或中性條件下，氧氣與水組成正極。正極物質不同，構成了不同的原電池，因此工作原理不同[10]。

【實驗探究環節】為了讓同學們對鋼鐵的電化學腐蝕有更為直觀的印象，請大家依照圖5所示實驗方法，進行分組操作并記錄實驗現象。

圖5 鐵的吸氧腐蝕實驗方案和實驗裝置圖

【學生總結實驗現象】經過觀察發現鐵釘的表面變黑，導管中水柱液面上升。

【學生探討并解釋實驗現象】鐵釘發生吸氧腐蝕，使裝置中O2減少，氣體壓強減小，使水柱液面上升。

【教師追問】在本實驗中，為什么發生吸氧腐蝕而非析氫腐蝕呢？

【學生思考并回答】……

【教師講解】實驗中以飽和食鹽水作為電解質，溶液呈現中性，同時試管中存在部分空氣，此環境下水溶液中氧氣與水構成了原電池的正極，鐵與鐵離子為負極，因而發生了吸氧腐蝕。

(2)金屬的電化學腐蝕防護

【教師講解】上面我們了解了金屬的電化學腐蝕的工作原理，也了解了金屬的電化學腐蝕的危害，如何進行金屬電化學腐蝕防護是一個值得思考的問題，接下來我們一起學習金屬電化學腐蝕的防護方法(如圖6所示)。

①犧牲陽極的陰極保護法

圖6 鋼閘門犧牲陽極的陰極保護法

【教師講解】分析圖6所示裝置，根據圖中電子流動方向，同學們判斷一下，誰是陽極？誰是陰極？

【學生回答】鋼閘門作為陰極，鋅板作為陽極。

【教師追問】圖6中裝置為什么就能實現對鋼閘門的保護？

【學生回答】鋅板作為負極，失去電子被氧化，從而保護陽極中鋼閘門不被氧化。

【教師追問】同學們想一下，這種方法有什么優缺點？

學生回答，教師總結并板書，板書設計如圖7所示。

圖7 犧牲陽極的陰極保護法板書設計

【教師講解】從上面總結出我們可以看出，犧牲陽極的保護法簡單實用，但不可避免有其自身的缺點。這些缺點可能導致其應用局限性。下面我們學習另一種電化學腐蝕的防護辦法(如圖8所示)。

②外加電流的陰極保護法

圖8 鋼閘門的外加電流陰極防護

【教師提問】同學們觀察一下，圖6和圖8有什么不同？

【學生回答】圖8中有電源，而圖6中沒有。圖8中陽極為石墨，圖6中為金屬鋅。

【教師追問】圖8中有外加電源，其工作原理是什么？

【學生回答】應該是電解池的原理。

【教師追問】為什么圖8中選擇比鐵不活潑的碳(石墨)作為陽極？

【學生回答】因為電解池的工作原理是，陽極中陰離子失去電子，陰極陽離子得到電子，把被保護的金屬設備作為陰極，電子流向陰極，即被保護的金屬電極，使被保護的金屬表面的腐蝕電流降至近似為零或者為零，從而保護了陰極。

教師總結外加電流的陰極保護法并板書，板書設計如圖9所示。

圖9 外加電流的陰極保護法

【課上練習】

1.鋼鐵銹蝕過程中可能發生的變化是(A)

①Fe由單質轉化為+2價；②Fe由+2價轉化為+3價；③產生氫氣；④產生氧氣；⑤雜質C被氧化除去；⑥Fe(OH)3失水變成Fe2O3·3H2O

A.①②③⑥ B.①③④ C.只有①③ D.全部

2.以下現象與電化學腐蝕無關的是(D)

A.黃銅(銅鋅合金)制作的鑼不易產生銅綠

B.生鐵比純鐵容易生銹

C.鐵質配件附有銅質配件，在接觸處易生鐵銹

D.銀質物品久置表面變暗

三、結語

本文對人教版《化學(選修4)》第四章《電化學基礎》最后一節“金屬的化學線腐蝕與防護”進行了教學設計。在教學過程中采用問題引導法、教師講授法、小組討論法和實驗探究法相結合的方法進行教學，此種教學方法靈活，體現了以學生為主體的課堂氛圍，學生易于接受，收到了較好的教學效果。