1、金属的腐蚀和防护 一、教学设计一、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
2、，教科书中没有出现“吸氧腐 蚀”和“析氢腐蚀”这两个名词，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
3、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 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 Fe 2+，在正极上发生的反应有 O 2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
4、腐蚀来加以对比和强化。 2 本节中图画较多，图画和图注中包含了丰富的信息，这些信息都 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 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
5、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
6、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、活动建议二、活动建议 【科学探究】 这个探究包括两个方面： 1 2 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
7、洁净无锈的铁钉分别放入五支试管中。 1 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； 2CaCl2，并塞上塞子，使铁 钉只与空气接触，不与水接触； 31/2 的铁钉， 使铁钉既与水 接触，又与空气接触； 4NaCl 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； 5CH3COOH 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、问题交流三、问题交
8、流 【思考与交流 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 例如，把铬、镍等合金元素加入
9、普通钢中制成不锈钢，就大大增 强了钢铁的抗腐蚀能力。 2 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
10、只要 求学生了解教科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
11、法 c(使用不锈钢)的优点是保护作用优良，外表美观，但成本较 高，应酌情考虑。 四、习题参考四、习题参考 11）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 属在腐蚀过程中发生了氧化还原反应。 31）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 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。
