利用數字傳感器探究鐵釘銹蝕實驗

錢穎丹

摘要：在文獻研究的基礎上，利用數字傳感器，對教材實驗進行改進，對實驗中氧氣含量、溫度以及壓強的變化情況進行實證研究。改進后實驗過程快，實驗結果明顯、直觀，實現鐵釘銹蝕過程中耗氧、溫度及壓強變化的可視化。

關鍵詞：鐵釘銹蝕條件；數字傳感器；實驗探究

1?問題提出

鐵釘銹蝕實驗是滬教版九年級《化學》（國標）上冊“金屬防護和廢金屬回收”單元的一個重要實驗，為探究在外部條件下鋼鐵銹蝕的影響因素，教材設計了鐵釘在干燥空氣等5種條件下逐漸生銹的對比實驗（如圖1所示）。

教師進行上述實驗演示常常需要提前一周準備。若按照教材實驗（如圖1所示）進行教學，即便教師引導學生進行每天觀察、記錄實驗現象，分析實驗結果，但由于實驗時間跨度較長，教學效果不太明顯，尤其很難突破鐵銹蝕過程中耗氧及能量變化等知識難點。從已有的文獻研究中可以發現，如潘國榮[1]、胡海銘[2]、劉廣斌[3]、張楓[4]、鄭梅花[5]、王程杰[6]、談小強[7]等教師已對原有的設計提出了一些改進措施，還有部分教師將鐵釘換成鐵粉加入碳粉使用傳感器來進行實驗，但是換成鐵粉后鐵釘在酸性條件下生銹這一實驗過程就難以操作，鐵粉會快速與酸反應使該實驗有局限性。在這些實驗中，部分教師改變了教材實驗設計的條件，部分教師改進實驗的裝置，以達到快速觀察到鐵生銹的現象，但是幾乎未對教材實驗進行系統研究，如何實現鐵釘銹蝕過程中耗氧、溫度及壓強變化的可視化？加酸、鹽的條件與純水進行對比是否真的加速了生銹過程？利用傳感器檢測能否將教材上5組實驗（如圖1所示）還原并測得相關數據做定量對比？為此，帶著上述的諸多問題，筆者利用多種傳感器，對教材關于鐵釘銹蝕實驗進行了如下的優化設計。

2?實驗部分

2.1?實驗探究思路

手持技術的TQVC概念認知模型[8]，即轉化（Transfotmation）—量化感知（Quantitative Perception）—視覺感知（Visual Perception）—比較（Compare）概念認知模型，根據學生認知規律和具體教學情境，進行科學有效的信息化概念教學，幫助學生構建系統概念，建立新舊知識間聯系。本研究基于該理論基礎研究鐵釘銹蝕過程。轉化：學生在教師的科學引導下，從熟悉的表象事實出發，鐵在有氧氣和水的條件下會生銹，氧氣的消耗過程看不見摸不著，可以通過手持技術傳感器直接測量。量化感知：利用氧氣傳感器實時、精確測量鐵生銹過程中氧氣含量的變化，將定性轉接到定量感知，同時引入溫度、壓強傳感器進一步對鐵生銹過程研究，豐富量化知識。視覺感知：通過配套軟件所繪制的屬性曲線圖像，使數據更具有直觀性、可視性，為學生頭腦中的抽象概念建立模型認知，克服認知難點。比較：讓學生分析曲線信息，進一步推理、解釋，再聯系舊知，實現概念構建，具體思路如圖2所示。

2.2?實驗儀器、試劑

（1）儀器：威尼爾LABQUSET 2數據采集器、氧氣濃度傳感器、溫度傳感器、氣體壓強傳感器、250mL集氣瓶、1000mL圓底燒瓶、200mL燒杯、鐵架臺

（2）試劑：鐵釘，經煮沸并迅速冷卻的蒸餾水，氯化鈣干燥劑，棉花，4%的氯化鈉溶液，0.05%稀鹽酸

2.3?實驗方案及參數設置

本實驗利用酸處理除去鐵釘表面的油膜后浸泡清洗烘干以用作實驗，實驗設計方案如表1。在實驗2（如圖3）中設置5組對比實驗，實驗順序和方案與教材實驗一致（如圖1）。實驗過程中實驗2（如圖3）和實驗3（如圖4）設置數據采集時間均為300s，間隔10s進行一次數據采集。實驗3（如圖4）為了進一步說明情況，采集時間增加到1200s，間隔50s進行一次數據采集。

2.4 實驗裝置

實驗裝置如圖3、圖4所示。

2.5實驗步驟

實驗1 鐵釘的處理

將5～6cm長的新鐵釘放在小燒杯中，用稀鹽酸浸泡幾分鐘后，確保無銹，除去表面保護膜，把鐵釘倒入水槽中沖洗、揉搓，撈出后擦干，再用砂紙進一步打磨直至光亮。

實驗2 氧氣傳感器測量鐵生銹

第1個集氣瓶底放入無水氯化鈣，用脫脂棉包裹住鐵釘的尖端放入。第2個集氣瓶倒入冷卻的沸水沒過鐵釘后再倒入一層油封住。第3個集氣瓶中倒入少量水將鐵釘（鐵釘橫放，增大與空氣的接觸面積）半淹沒在水中。第4個集氣瓶加入少量食鹽水將鐵釘（鐵釘橫放，增大與空氣的接觸面積）半淹沒在食鹽水中，沒有接觸食鹽水的鐵釘一側也要盡量表面包裹一層食鹽水。第5個集氣瓶中加入表面有一層酸膜的鐵釘。所有實驗都按照圖3連接好裝置，進行數據采集。

實驗3 氧氣、溫度、壓強傳感器測量鐵生銹

向三頸燒瓶中加入表面有一層酸膜的鐵釘后，按照圖4連接氧氣、溫度、壓強傳感器，進行數據采集。

3 實驗數據的處理與分析

3.1 實驗數據

將傳感器采集到的數據導入數據處理軟件origin6.0進行處理后得到下列圖像，如圖5、圖6、圖7所示。

3.2 圖5數據分析：在實驗2中，對比數據可知，在干燥空氣和純水環境下，隨著時間的推移裝置內的氧氣含量并未減少，而在接觸了空氣和水的環境中，氧氣含量在300s內有明顯的降低，對比三組實驗結果可知，鐵釘需要在有空氣和水的環境中才會生銹，并且鐵生銹消耗的是空氣中的氧氣。而在有酸和鹽水的條件下，300s內曲線下降速率更快，可見有酸和鹽水存在的條件下，會加速鐵生銹的速率。

3.3 圖6、圖7數據分析：在實驗3中，從數據可知，300s即可明顯觀察到隨著鐵釘生銹氧氣濃度下降，裝置內的溫度明顯上升，1200s后變化情況更明顯，溫度升高約0.14℃，如圖7，說明鐵釘生銹消耗氧氣且緩慢放熱。無論是在300s還是1200s后，壓強變化都不明顯，可能是鐵生銹緩慢變化的過程中，消耗氧氣導致的壓強減小和溫度升高導致的壓強升高相互抵消的原因。

4 結語

鐵釘生銹的傳統實驗速率慢、時間長，學生在短時間內很難獲得直觀體驗，尤其很難突破鐵銹蝕過程中耗氧及能量變化等知識難點。在鐵釘銹蝕的實驗探究中，適時運用利用現代技術手段——傳感器，學生不僅可以利用宏觀實驗現象（鐵釘生銹）對比來探究鐵釘生銹的條件，還可以利用微觀實驗數據（傳感器數據——氧氣、溫度及壓強的變化）來進行化學數據實證分析，變實驗不可視為可視，從而引導學生多角度深入探究化學問題，增強學生實驗探究和實驗分析的能力，幫助學生構建系統概念，促進學生化學學科思維及學科素養的發展。

參考文獻：

潘國榮，李文勇，陳正美. 探究“鐵的銹蝕條件”實驗創新設計[J].化學教育，2016，37（11）：73-75.

胡海銘. 鐵銹蝕條件的探究實驗改進[J].化學教育（中英文），2017，38（19）：56-57.

劉廣斌. “鐵銹蝕條件的探究”實驗的創新設計[J].實驗教學與儀器，2022，（4）：37-39.

張楓. 利用氧氣傳感器對鐵生銹的再探究[J].實驗設計與改進，2020，（352）：42-44.

[5] 鄭梅花，張祁帆. 對食鹽水中生鐵銹蝕問題的探討[J].化學教學，2015（3）：40-42.

[6]王程杰.關注氯離子效應在實驗中的應用[J].化學教學，2015（12）：53-56.

[7]談小強.關于鋼鐵腐蝕的理論探討和實驗分析[J]. 化學教學，2012，5期：47-49.

[8]王立新，錢揚義，蘇華虹，等. 手持技術數字化實驗與化學教學的深入融合：從“研究案例”到“認知模型”—TQVC概念認知模型的建構[J].遠程教育雜志，2018，36（4）：104-12.