1、金属的腐蚀和防护一、教学设计在高中课程标准必修教科书化学2中，已经介绍了化学能与电能的转换，即原电池的相关知识。本节是在此基础上，引导学生了解金属的腐蚀原理和防护方法等。本节包括两部分内容：金属的腐蚀和金属的防护。金属的腐蚀包括化学腐蚀和电化学腐蚀两部分内容。在化学腐蚀中，以家用燃气灶的中心部位很容易生锈，而食品罐头放在南极已差不多90年了，却很少生锈为例（图3-14），强调温度（反应条件）对化学腐蚀的影响比较明显。在电化学腐蚀中，通过“科学探究”，让学生设计实验探究铁钉锈蚀需要哪些条件，以及在什么条件下锈蚀速率较快，引出电化学腐蚀。为了降低难度，教科书中没有出现“吸氧腐蚀”和“析氢腐蚀”这两
2、个名词，只是介绍了钢铁发生电化学腐蚀时在正极上发生的这两类原电池反应。最后强调指出化学腐蚀和电化学腐蚀的本质是金属原子失去电子变成阳离子的过程。由于对金属防护常用的方法，学生已经有许多生活经验。因此，教科书通过图示（图3-16和图3-18）和活动（2个“思考与交流”）的方式，由学生自己总结，并解释这些方法为什么可以达到防止金属腐蚀的目的。最后介绍了牺牲更活泼金属的防护方法。同样，为了降低难度，未出现“牺牲阳极的阴极保护法”这个名词，而是简单介绍这种保护方法的原理及其应用。本节教学重点：金属的电化学腐蚀原理，金属防护的常用方法和意义。本节教学难点：金属的电化学腐蚀原理。教学建议如下：1准确把握教
3、学要求。金属的腐蚀和防护属于化学学科的基础知识。对于选修化学与生活模块的学生来说，课程标准对这部分内容的要求是比较低的：能够“描述金属腐蚀的化学原理，知道金属防护的常用方法，认识防止金属腐蚀的重要意义”。因此，教学过程中要准确把握教学要求，不宜加深和拓宽，以免加重学生的学习负担。例如，对于钢铁发生电化学腐蚀的原理，只要求学生知道在负极上铁失去电子而被氧化成Fe2+，在正极上发生的反应有O2得电子和H+得电子两种情况，而发生哪种反应是和钢铁表面吸附的水膜酸性有关。不要把电化学腐蚀分为吸氧腐蚀和析氢腐蚀来加以对比和强化。2充分发挥图画的直观教育效果。本节中图画较多，图画和图注中包含了丰富的信息，这
4、些信息都和正文内容有密切的联系。教学过程中应当挖掘这些图画的教育内涵，充分发挥其直观教育效果。需要注意的是，有的图注提出了一些问题，这些问题有的是强化某些观念，如图314是强调温度对化学腐蚀的影响，图3-17则是说明介质对金属腐蚀的影响；有的则属于开放性问题，如图3-18中的问题等，教学过程中对这些问题要引导学生积极思考。3密切联系学生的生活实际，激发学生的学习兴趣。金属的腐蚀和防护与学生的生活实际联系较为密切，教学过程中要充分利用这一点，调动学生学习的积极性。教科书中已经给出了一些例子，教师还可以作一些补充。例如，做饭用的铁锅日久天长越用越薄，炼钢倾倒钢水时钢花四溅，轧钢时火红的钢锭被氧化后
5、层层脱落等都是发生的化学腐蚀。即在高温下，铁与空气中的氧气发生反应生成四氧化三铁。教学设计参考：【教学设计1】问题引入：列举生活实例提出问题：金属腐蚀有哪些危害？金属为什么会被腐蚀？探究金属腐蚀发生的条件金属腐蚀的分类多媒体展示：化学腐蚀和电化学腐蚀电化学腐蚀的原理：电极反应金属腐蚀的本质讨论：金属腐蚀的防护思路和方法思考与交流。【教学设计2】实验引入（提前做好实验，课上分析结果）：不同条件下铁钉的锈蚀分组设计、操作分析不同的实验结果归纳：金属腐蚀的原因金属腐蚀的分类电化学腐蚀的原理：电极反应金属腐蚀的本质思考：金属腐蚀的防护思路和方法多媒体展示：生活中防止金属腐蚀的常用方法。二、活动建议【科
6、学探究】这个探究包括两个方面：1铁钉锈蚀需要哪些条件？2在什么条件下铁钉锈蚀速率较快？关于铁钉锈蚀需要哪些条件的探究，初中已经做过，学生有知识基础，此处起一个回忆、复习的作用。本探究的第二个目的是让学生观察、比较铁钉和电解质溶液接触时与没有和电解质溶液接触时锈蚀的快慢，从而引出电化学腐蚀的原理。该探究活动可以采取先共同讨论、后分组实验的方法。另外，由于铁钉的锈蚀实验需要的时间较长（大约一周左右），所以教师应合理安排时间，使学生充分做好预习和讨论工作。可参考以下思路进行实验方案设计，也可以设计别的方案。将五根洁净无锈的铁钉分别放入五支试管中。1在第一支试管中加入经煮沸后迅速冷却的蒸馏水，使蒸馏水
7、浸没铁钉，然后加入适量植物油以隔绝空气，使铁钉只与水接触，不与空气接触；2在第二支试管中放入棉花和干燥剂CaCl2，并塞上塞子，使铁钉只与空气接触，不与水接触；3在第三支试管中加入蒸馏水至浸没1/2的铁钉，使铁钉既与水接触，又与空气接触；4在第四支试管中加入NaCl溶液至浸没1/2的铁钉，使铁钉既与NaCl溶液接触，又与空气接触；5在第五支试管中加入CH3COOH溶液至浸没1/2的铁钉，使铁钉既与CH3COOH溶液接触，又与空气接触。观察以上试管的反应现象，可以得出铁钉与空气、水同时接触才会发生锈蚀；与NaCl溶液、CH3COOH溶液等电解质溶液接触会加速铁钉的锈蚀等结论。三、问题交流【思考与
8、交流1】为了防止自行车的金属构件生锈，主要采取在金属构件的表面上加防护层的方法。例如，在链条和齿轮上涂机油；在车架和挡泥板上烤一层漆；将车座弹簧用一层“烤蓝”(四氧化三铁保护层)保护；将车把、钢圈和车辐条进行电镀(车把、钢圈一般釆用三层电镀：底层镀铜、中间镀镍、表层镀铬，车辐条表面一般镀锌)，等等。此外，用不锈钢制作车辐条，用铝合金代替钢铁制作一些构件等也是防止自行车的金属构件生锈的常用方法。【思考与交流2】金属防护的方法很多，主要从金属的本性和介质两个方面考虑，如改变金属的内部组织结构、在金属表面覆盖保护层和电化学保护等。 1改变金属的内部组织结构例如，把铬、镍等合金元素加入普通钢中制成不锈
9、钢，就大大增强了钢铁的抗腐蚀能力。2在金属表面覆盖保护层在金属表面覆盖致密的保护层，从而使金属制品跟周围介质隔离开来，这是一种普遍采用的防护方法。以钢铁的防护为例，根据保护层成分的不同，可分为如下几种：（1） 在钢铁表面涂油漆或油脂、喷漆或喷塑、覆盖搪瓷或塑料等物质，使钢铁制品不与空气或水接触，能有效地防止钢铁被腐蚀。（2）在钢铁表面镀上一层其他金属，如Zn、Sn、Cr和Ni等。这些金属能氧化而形成一层致密的氧化物薄膜，从而阻止水和空气等对钢铁的腐蚀。3电化学保护法电化学保护法就是利用原电池的反应原理，把引起金属发生电化学腐蚀的原电池反应消除，从而达到防止金属腐蚀的目的。此处只要求学生了解教科
10、书中介绍的牺牲更活泼金属的保护法。此外，减少腐蚀介质的浓度，控制环境的温度和湿度，在腐蚀介质中添加能降低腐蚀速率的物质（称为缓蚀剂）等都能减少和防止金属腐蚀。【思考与交流3】这个活动具有开放性。三种防锈方法都有优缺点，不管学生选择哪种方法，只要能说出理由即可，答案不强求一致。本活动主要培养学生综合考虑问题的能力和发表自己见解的能力等。活动参考：方法a(涂油漆)的优点是成本较低，缺点是油漆层容易脱落，保护作用一般，不太适合大桥要使用多年的要求，而且也不适合在风景区使用。方法b(使用镀铬的钢)的优点是保护作用优良，外表美观，适合在风景区使用。方法c(使用不锈钢)的优点是保护作用优良，外表美观，但成
11、本较高，应酌情考虑。四、习题参考1（1）铁制品与氧气（或空气）和水（或水蒸气）同时接触才会发生锈蚀。与电解质溶液接触、温度升高等都会加速铁制品锈蚀。（2）由于月球上没有空气（目前人类尚不能确定月球上是否有水存在），所以铁在月球上不会生锈。（3）因为新疆吐鲁番空气干燥，所以与海南省相比，在吐鲁番铁生锈相对慢一些。2金属腐蚀的本质是金属原子失去电子变成阳离子的过程，即金属在腐蚀过程中发生了氧化还原反应。3（1）铝与空气中的氧气反应生成致密的氧化铝薄膜，能覆盖在铝表面，从而保护里层的铝不再与氧气反应。因此，铝不需要特别处理就具有抗腐蚀能力。（2）从钢和铁的物理性质如强度、硬度以及价格等角度考虑。（3）和（4）主要从防止钢铁生锈的成本角度考虑。5本题是开放式习题。每种钢铁制品可以有多种防锈方法，如有的水龙头是不锈钢的，有的是镀铬的；有的电冰箱和洗衣机表面是喷漆的，有的是喷塑的，等等。参考：(2)邮筒、(7)钢制窗框、(8)健身器材、(10)农用机械、农具和(11)城市道路护栏等钢铁制品常采用喷漆的方法来防锈；(1)炊具、餐具和(12)汽车尾气管等常用不锈钢制造以防锈；(5)罐头盒常采用马口铁制造以防锈(马口铁是在钢上镀上一层无毒而又耐腐蚀的Sn)；(9)海水中的钢闸门常采用牺牲更活泼金属的方法来防锈，如在钢闸门上连接一种比铁更活泼的金属如锌等。