2019-2020年高中化学 《金属的电化学腐蚀与防护》教案1 新人教版选修4.doc

2019-2020年高中化学 金属的电化学腐蚀与防护教案1 新人教版选修4一、教学设计“金属的腐蚀与防护”始终是一个世界性的异常棘手的科技难题。本节开篇提供的统计资料“发达国家每年由于金属腐蚀造成的直接损失约占全年国民生产总值的2%4%”，远远超过各种自然灾害造成损失的总和，这无疑会给人们一个重要的警示：金属腐蚀，不可等闲视之！金属曾是人类文明发展的历史标志，如铜器时代、铁器时代。在现代社会中，钢铁等金属材料的产量和质量仍是反映国民经济发展水平的重要指标。然而人们对随处可见的金属腐蚀现象早已习以为常，不以为怪。因此，本节教学一方面是让学生了解金属发生腐蚀的原因及现代防腐措施，同时还要让学生知道：防止金属腐蚀，任重道远！本节内容可大致分为三部分：揭示金属腐蚀的严重性和危害性 分析发生金属腐蚀的原因探讨防止金属腐蚀的思路和方法鉴于金属的电化腐蚀比化学腐蚀更为普遍，也更为严重，教科书中又重点以最常见的钢铁锈蚀为例，剖析了金属的两种电化腐蚀过程析氢腐蚀和吸氧腐蚀，并重点介绍了金属的电化学防护方法牺牲阳极的阴极保护法和外加电流的阴极保护法。教科书中安排了一个铁钉锈蚀的演示实验，帮助学生认识金属的吸氧腐蚀原理。另外又安排了一个【科学探究】，验证牺牲阳极的阴极保护法，通过实验说明较活泼金属锌如何阻止铁的析氢腐蚀。为了拓展学生的知识面与培养他们的合作精神，教科书还安排了一项【实践活动】，要求学生查阅有关防治钢铁腐蚀方法的资料并交流。本节教学可采用讲授与讨论相结合的方法。本节教学重点：金属的电化学腐蚀及金属的电化学防护。本节教学难点：金属发生吸氧腐蚀的电化学原理。教学建议如下：1. 本节教学在整体设计上应以色彩鲜明的图像和现象明显的实验作为重要的辅助手段，以强化学生的直观感受，有利于学生加深对相关知识的理解。2. 新课引入。以一组音像和文献中的数据资料或新闻信息，简要介绍金属在社会经济发展中的重要地位，同时揭示金属腐蚀所造成的严重危害，可以使学生通过感官刺激产生强烈的心理震撼，进而激发学生探讨金属腐蚀相关问题的欲望。3. 教科书中的【实验4-3】可安排在讨论金属的电化学腐蚀之前，帮助学生通过实验来了解金属发生电化学腐蚀的条件和相关的电极反应。同时可增补两组实验，按图4-17另备两套同样装置，其中一套只装一干燥的无锈铁钉，另一套只装少量盐水，几分钟后再比较三个装置中的现象有何不同，这样更有利于说明金属发生电化学腐蚀的条件。观察实验后，可与学生一道讨论以下问题：（1）金属腐蚀的本质是什么？（2）金属的电化学腐蚀与化学腐蚀有何不同？（从反应条件和反应原理上加以说明，并由此介绍金属电化学腐蚀的两种过程析氢腐蚀和吸氧腐蚀）（3）为什么说金属的电化学腐蚀比化学腐蚀的危害程度更大？（电化学腐蚀现象更具有普遍性，并且电化学腐蚀更快）（4）自20世纪以来，金属遭受腐蚀的现象较过去数百年更为严重，其主要原因是什么？（可从酸雨形成的地区范围更广、降雨次数更为频繁等环境变化方面说明）针对上述实验，还有些问题可以探讨，如怎样判断具支试管内减少的气体就是氧气？应根据教学实际灵活处理。4. 关于金属防腐的思路和方法，可以在课堂上组织学生讨论：（1）鉴于金属发生腐蚀的原因，可以从哪些方面设想解决问题的思路？（即研究问题的方向）直接隔离。即可选用适当的材料使金属与空气或其他腐蚀性试剂隔离开，以阻止金属的腐蚀。因势利导。电化学腐蚀还是用电化学方法来解决，不回避金属与氧化剂的直接接触，采用还原性更强的物质或其他替代方式来满足氧化剂对电子的需求，从而保护主体金属构件免受腐蚀。改变本质。即改变金属的内部组成结构，使其具有较强的抗腐蚀性能。（2）在生活和学习的过程中，你了解哪些防止金属腐蚀的具体方法？（即学习解决问题的方法）给金属穿上“防护服”。具体方式有（以下内容只需借助图片作补充性的简略介绍）：涂漆如在钢铁表面涂防锈油漆；热镀加热锌或锡等耐腐蚀性能较强的金属，使其均匀覆盖于钢铁表面；电镀在钢铁表面形成锌或铬等耐腐蚀性较强的金属镀层；喷涂有机或无机涂层材料等。电化学防护法即牺牲阳极的阴极保护法和外加电流的阴极保护法。这是本节教学的重点内容之一，可先结合图片分析原理，再组织【科学探究】，演示并讨论教科书中图4-21相关的实验，同时还可与【实验4-3】作对比，说明锌、铁与酸化的氯化钠溶液构成原电池后，锌能够有效地保护铁制品。在钢铁中加入一定比例的铬和镍（如14%18%Cr，7%9%Ni），改变钢铁内部的组成和结构，可极大程度地提高钢铁抗腐蚀性能，这就是常见的“不锈钢”。其他防腐措施一般也只作简略介绍。5. 在本课小结时，可组织学生对金属的化学腐蚀和电化腐蚀、析氢腐蚀和吸氧腐蚀等内容进行比较。表4-5化学腐蚀和电化学腐蚀的比较表4-6钢铁的析氢腐蚀和吸氧腐蚀的比较二、活动建议【实验4-3】实验中须注意以下几点：（1）多用几枚铁钉，增大铁钉腐蚀时的耗氧量，以便在短时间内可观察到更为明显的实验效果。（2）经过酸洗除锈的铁钉，须用清水洗（避免残留酸液干扰实验），然后用饱和食盐水浸洗一下，即可加入到具支试管中。（3）整个装置应保证密封状态良好，几分钟后就可以看到导管中水柱明显上升。原因是铁钉发生吸氧腐蚀时，使具支试管内O2减小，压强降低，促使导管内水柱上升。【补充实验4-4-1】为了增强实验的探究性，可补充下面的实验。图4-3铁的吸氧腐蚀实验（1）向100 mL烧杯中加入约50 mL饱和食盐水后，插入两个玻璃筒（无底）；（2）将一颗无锈铁钉和一个碳棒分别用导线与电流计连接后，再分别插入两个玻璃筒中（装置如图43所示），立即可观察到有电子自铁钉流向碳棒，表明铁钉与碳棒已构成原电池的两个电极；（3）1 min后，向插入铁钉的玻璃筒内滴入K3Fe(CN)6溶液，即可观察到铁钉附近的溶液变蓝色，表明铁被氧化，生成了Fe2+；（4）向插入碳棒的玻璃筒内滴入酚酞溶液，可观察到碳棒附近的溶液变红色，表明溶液pH增大，呈碱性。将该实验中观察到的现象与【实验4-3】结合起来讨论，能更好地说明钢铁生锈时发生吸氧腐蚀的原理。【科学探究】这个实验的目的是验证牺牲阳极的阴极保护法。实验中以Zn片作阳极，Fe片作阴极，以经过酸化的NaCl溶液作电解液。在这种条件下，Zn片与Fe片构成了原电池的两个电极，发生如下电极反应：阳极：Zn-2e- = Zn2+阴极：2H+2e- = H2H+来自H2O的电离，为了加大H2O中c(H+)，故在NaCl溶液中加入了少量酸液。在实验现象上，可以看到电压计指针有偏移，Fe电极上有气泡产生，但往Fe电极附近滴入K3Fe(CN) 6溶液，溶液不变蓝色。即溶液中不存在Fe2+，证明Fe未被腐蚀。【实践活动】可组织社会调查等活动，然后进行交流。相关专题可以是：1. 在当地，金属腐蚀的现状及其危害；2. 在当地，人们对金属腐蚀的严重性和危害性的认识程度；3. 通过观察和资料收集，你了解哪些防治金属腐蚀的方法？在社会上相关的科学技术有无新的进展？三、习题参考参考答案1. 负极；Fe-2e- = Fe2+；正极；析氢腐蚀：2H+2e- = H2，析氧腐蚀：2H2O+O2+4e- = 4OH-2. （1）电化腐蚀，铁和铁中的杂质碳以及残留盐溶液形成了原电池。（2）提示：主要是析氧腐蚀。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. 金属跟接触到的干燥气体（如O2、Cl2、SO2）或非电解质液体直接发生化学反应而引起的腐蚀，叫做化学腐蚀。不纯的金属跟电解质溶液接触时，会发生原电池反应，比较活泼的金属失去电子而被氧化，这种腐蚀叫做电化学腐蚀。金属腐蚀造成的危害甚大，它能使仪表失灵，机器设备报废，桥梁、建筑物坍塌，给社会财产造成巨大损失。8. 当钢铁的表面有一层水膜时，水中溶解有电解质，它跟钢铁中的铁和少量的碳形成了原电池。在这些原电池里，铁是负极，碳是正极。电解质溶液的H+在正极放电，放出H2，因此这样的电化腐蚀叫做析氢腐蚀。如果钢铁表面吸附的水膜酸性很弱或呈中性，溶有一定量的氧气，此时就会发生吸氧腐蚀，其电极反应如下：负极：2Fe-4e- = 2Fe2+ 正极：2H2O+O2+4e- = 4OH-总反应：2Fe+2H2O+O2 = 2Fe(OH) 29. 镀锌铁板更耐腐蚀。当镀锌铁板出现划痕时，暴露出来的铁将与锌形成原电池的两个电极，且锌为负极，铁为正极，故铁板上的镀锌层将先被腐蚀，镀锌层腐蚀完后才腐蚀铁板本身。镀锡铁板如有划痕，锡将成为原电池的正极，铁为负极，这样就会加速铁的腐蚀。可设计如下实验：取有划痕的镀锌铁片和镀锡铁片各一块，放在经过酸化的食盐水中浸泡一会儿，取出静置一段时间，即可见到镀锡铁片表面较快出现锈斑，而镀锌铁片没有锈斑。即说明上述推测是正确的。