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)開篇提供的統(tǒng)計(jì)資料“發(fā)達(dá)國家每年由于金屬腐蝕造成的直接損失約占全年國民生產(chǎn)總值的2%4%”，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過各種自然災(zāi)害造成損失的總和，這無疑會(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，教科書中又重點(diǎn)以最常見的鋼鐵銹蝕為例，剖析了金屬的兩種電化腐蝕過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)方法犧牲陽極的陰極保護(hù)法和外加電流的陰極保護(hù)法。教科書中安排了一個(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)證犧牲陽極的陰極保護(hù)法，通過實(shí)驗(yàn)說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)問題的欲望。3. 教科書中的【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)生通過實(shí)驗(yàn)來了解金屬發(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)原理上加以說明，并由此介紹金屬電化學(xué)腐蝕的兩種過程析氫腐蝕和吸氧腐蝕）（3）為什么說金屬的電化學(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，金屬遭受腐蝕的現(xiàn)象較過去數(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)境變化方面說明）針對(duì)上述實(shí)驗(yàn)，還有些問題可以探討，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)想解決問題的思路？（即研究問題的方向）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，以阻止金屬的腐蝕。因勢(shì)利導(dǎo)。電化學(xué)腐蝕還是用電化學(xué)方法來解決，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。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)解決問題的方法）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?cè)阡撹F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)或無機(jī)涂層材料等。電化學(xué)防護(hù)法即犧牲陽極的陰極保護(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。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，這就是常見的“不銹鋼”。其他防腐措施一般也只作簡略介紹。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?！狙a(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（無底）；（2）將一顆無銹鐵釘和一個(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43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K3Fe(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)合起來討論，能更好地說明鋼鐵生銹時(shí)發(fā)生吸氧腐蝕的原理?！究茖W(xué)探究】這個(gè)實(shí)驗(yàn)的目的是驗(yàn)證犧牲陽極的陰極保護(hù)法。實(shí)驗(yàn)中以Zn片作陽極，F(xiàn)e片作陰極，以經(jīng)過酸化的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)：陽極：Zn-2e- = Zn2+陰極：2H+2e- = H2H+來自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K3Fe(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?！緦?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)專題可以是：1. 在當(dāng)?shù)?，金屬腐蝕的現(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) 33. 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) 29. 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?？稍O(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，即可見到鍍錫鐵片表面較快出現(xiàn)銹斑，而鍍鋅鐵片沒有銹斑。即說明上述推測是正確的。