摘 要:本文以《化学课程标准》对学生知识、能力的要求为基础,在化学课外小组活动中探究电解质溶液对铁生锈的作用及铁锈蚀的条件,指导学生根据实验现象进行猜想并设计实验,结合高中知识得出空气中二氧化碳与水反应生成碳酸从而形成电解质溶液加快铁的锈蚀,并通过实验加以验证。通过此实验探究学生能够在老师的指导下得出空气中的二氧化碳参与了铁锈蚀的结论。整个实验探究复习并衔接了初高中的知识,并将课本知识应用到生活中。
关键词:铁的锈蚀 原电池 电解质 电解质溶液
一、问题的提出
1.课程标准分析
初中《化学课程标准》要求重视对学生创新意识及科学精神的培养,这一点应反应在化学教学的全部过程之中。充分发挥实验教学的教育功能,不仅仅是停留在课堂上。化学课外活动是化学课堂教学的延伸和补充,是培养学生积极探索、勇于超越的科学精神的重要途径。中学化学实验是中学化学教学内容的重要组成部分,也是中学生学习化学的基本方法。其中,分组实验是学生实验的主要方式,它是在单元教材学习之后,为了复习、巩固和验证课堂上所学的化学知识,并系统培养学生的实验技能和独立工作能力而进行的一种课堂实验教学形式。
2.选取本实验的原因
(1)关于铁钉锈蚀所需要条件的探究课堂已经做过,学生已有知识基础,本探究的目的之一是在此处起一个回忆、复习的作用。
(2)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,结合初中阶段学生掌握的酸碱盐溶液的导电性、生铁是铁和碳的合金以及二氧化碳与水反应生成碳酸等知识引出电化学腐蚀的原理,并对今后高中原电池原理的学习做准备。
(3)本实验想让学生通过实验探究的形式,逐步掌握研究问题的一般方法:提出问题――猜想与假设――制定计划――进行实验――收集证据――解释结论――反思与评价――表达与交流。
(4)在中学教材中只提到了铁生锈与水和氧气有关,学生能够理解铁生锈与氧气的关系,但水在铁生锈的反应里起到了什么作用,教材中并没涉及,学生也很模糊,希望通过实验让学生了解水在铁生锈过程中的作用。
二、实验设计思路
1.本探究包括三方面
(1)铁钉锈蚀所需的条件有哪些?
(2)在何种条件下锈蚀速率较快?
(3)水和二氧化碳在铁生锈的过程中起到了什么作用?
2.教学流程
(1)教师向学生提出有关铁生锈的几个问题
①铁为什么会生锈?
②铁在何种条件下锈蚀速率较快?
③水在铁生锈的过程中起到了什么作用?
(2)学生根据已学知识对此做出猜想和假设
猜想①:根据初中化学义务教育课程标准试验教科书的内容第八单元金属和金属材料中提到铁在潮湿和有氧气的环境下容易生锈,铁锈的主要成分是氧化铁。氧化铁本身疏松更容易吸收空气中的水,所以铁在潮湿的空气中最容易生锈。
猜想②:空气中二氧化碳对铁生锈的速度是否有影响?
(3)学生在老师的指导下分组设计实验并记录试验现象
将学生分成四个小组,每个小组根据自己所做实验的现象得出结论。
(4)各组将实验现象以及讨论结果进行交流
教师指导学生交流讨论,并给出原电池的原理。启发学生根据已掌握的初中知识,大胆猜想。并根据猜想鼓励学生设计实验论证。
三、具体实验内容
1.实验原理
金属腐蚀根据与金属接触的介质不同,一般分为化学腐蚀和电化学腐蚀。本实验的研究范畴属电化学腐蚀。电化学腐蚀是指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。在日常生活中接触到的铁主要以生铁为主。而生铁的主要成分是铁和碳的合金(初中化学义务教育课程标准试验教科书第八单元金属和金属材料)。在电解质溶液中铁作为负极而碳作为正极。发生如下反应:
(+):O2 + 2H2O + 4e- = 4OH-
(―): 2Fe - 4e- = 2Fe2+
Fe2+ + 2OH- = Fe(OH)2
Fe(OH)2 + O2 + 2H2O = 4Fe(OH)3
氢氧化铁部分失水,即为铁锈。
2.实验仪器
试管、试管架
3.实验药品
铁钉、干燥剂CaCl2植物油、饱和NaCl溶液、蔗糖溶液、乙醇99.7%、棉花、橡皮塞子
4.实验步骤与现象
第一周:进行实验
将同学们分为4个组每组3名同学分别作以下实验(每组做三个平行实验)
第一组:
第二组:
第三组:
第四组:
第二周:观察并记录实验现象,填写表格,并根据现象讨论原因。
5.根据以上实验现象得出结论
(1)铁在没有水环境不易生锈
(2)铁在隔绝氧气的环境下不易生锈
(3)铁在有氧气和水的环境下容易生锈
(4)铁在氯化钠溶液中生锈最快最明显
(5)铁在蔗糖溶液和酒精中生锈不明显
6.提出问题并给出相关资料的提示
(1)根据实验现象提出问题
为什么在氯化钠溶液中生锈最快最明显而在酒精和蔗糖溶液中却不易生锈?
(2)相关资料
①酸碱盐溶液能够导电的原因是他们都能在水或熔融状态下电离出离子。我们把这样的物质叫做电解质。可溶于水的电解质溶液都具有导电性。
②生铁和钢都是铁和碳的合金,生铁中含碳量要高于钢。我们日常生活中用到的铁制品基本上都是铁的合金。
③二氧化碳能够溶于水并能与水反应生成碳酸,碳酸的酸性很弱但也能电离出氢离子和碳酸根离子。
④原电池是将化学能转变成电能的装置,组成原电池的基本条件是:将两种活泼性不同的金属(或石墨)用导线连接后插入电解质溶液中。电流的产生是由于氧化反应和还原反应分别在两个电极上进行的结果。原电池中,较活泼的金属做负极(又称阳极),较不活泼的金属做正极(又称阴极)。负极本身易失电子发生氧化反应,电子沿导线流向正极,正极上一般为电解质溶液中的阳离子得电子发生还原反应。电解质溶液中因为导电性增强了所以反应速度也相应加快。
7.补充实验
(1)电解质溶液的导电性
通过实验说明酒精和蔗糖溶液不导电是非电解质,而氯化钠溶液能导电是电解质。证明了在电解质溶液中会加快铁生锈的速度。
猜想:铁在潮湿的空气中生锈与电解质是否有关?(空气中谁能够溶于水形成电解质?)
(2)验证空气中二氧化碳对铁生锈的影响
四、实验现象解释
通过观察以上试管的反应现象,可以得出铁钉、空气和水同时接触才会发生锈蚀。铁表面的水膜溶有二氧化碳等物质,相当于电解质溶液,此时铁和杂质碳形成微小的原电池,使铁失去电子变成亚铁离子。当铁与NaCl溶液、碳酸溶液等电解质溶液接触会加速铁钉的锈蚀。
五、实验注意
1.教师应注意此实验中“控制实验条件”的化学实验方法。教师在总结时,应提醒学生,实验中研究某个因素对实验结果的影响时,要注意其他因素不能变化,不能对要研究的因素产生影响,这样才能保证实验的科学性。
2.教师要鼓励学生对铁生锈的条件做出多种猜想和假设。还可以让学生从生活中自己收集实验材料,使学生感到化学就在自己身边,有利于调动学生学习的积极性和探究兴趣。
六、反思与评价
1.教师的演示实验往往因为可见度不够而影响了教学效果,使看不清楚实验现象的学生失去了兴趣和热情。为了能更好地培养学生的动手能力和观察能力,增强学生的参与和合作意识,适应《化学课程标准》实施合作学习,注重学生实践能力培养的要求,应最大限度地将教师单独操作的演示实验改为师生共同参与操作的协同实验,或在教师指导下由学生合作共同完成,使学生始终保持积极参与的热情,激发学生的学习兴趣,提高学生实验能力。本次实验从其特点上来看并不适合课堂上的教学演示,主要原因是实验周期比较长,因此我将其放入化学课外小组进行并在原有实验的基础上增加了新的内容。
2.从学生实验的情况来看学生的积极性很高,在整个实验过程中学生积极思考,充分发挥了想象力和创造力。对实验现象的猜想丰富而且有一定的科学依据。尤其是在氯化钠溶液中腐蚀最快最明显的实验现象同学们最关注也最好奇。充分调动了学生探究的兴趣。
3.从实验原理上来看涉及到了多个方面的初中化学知识和一些高中化学知识。虽然原电池的反应在高中属于选修内容,有一定的难度,但从实际效果上来看学生理解的还是不错的。有的同学甚至还猜想如果是纯铁在潮湿的空气中被腐蚀的速度会不会比生铁慢。
4.从实验设计上来看,不同情况下铁生锈的的情况基本都考虑到了,为了保证实验的说服力每个实验都平行做了3次。只是由于时间问题对于电解质溶液中铁生锈的实验只做了氯化钠溶液。原本设计再加上醋酸和氢氧化钠溶液来增强实验的说服力,但考虑到醋酸是酸,学生会想到金属与酸的反应,而氢氧化钠在生活中并不常见,因此没有进行此两组实验。氯化钠是食盐的主要成分,而且在海水中含有大量的氯化钠,有一定的实际意义。另外如果将除去二氧化碳的潮湿空气中铁钉生锈的实验放到一开始做可以节约不少时间。同时学生在进行实验现象归纳和总结的时候也比较容易提出正确合理的猜想。
参考文献
[1]中华人民共和国教育部.全日制义务教育化学课程标准(实验稿)[M].北京:北京师范大学出版社,2001
[2]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准(实验) [M].北京:人民教育出版社,2003
[3]人民教育出版社课程教材研究所.普通高中课程标准实验教科书 化学选修1 化学与生活[M].北京:人民教育出版社,2007
[4]人民教育出版社课程教材研究所.普通高中课程标准实验教科书 化学选修4 化学反应原理[M].北京:人民教育出版社,2007
[5]王磊,刘克文,支瑶等.高中新课程选修课教与学 化学[M].北京:北京大学出版社,2006
[6]郑长龙.化学实验教学新视野[M].北京:高等教育出版社,2003
[7]朱裕平.新课程标准下构建学生自主学习课堂教学模式的思考与实践[J].中国历史教学研究,2005,3
[8]王云生.高中课程标准实验教科书《化学与生活》评析[J].课程改革,2006,9.
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摘 要:本文以《化学课程标准》对学生知识、能力的要求为基础,在化学课外小组活动中探究电解质溶液对铁生锈的作用及铁锈蚀的条件,指导学生根据实验现象进行猜想并设计实验,结合高中知识得出空气中二氧化碳与水反应生成碳酸从而形成电解质溶液加快铁的锈蚀,并通过实验加以验证。通过此实验探究学生能够在老师的指导下得出空气中的二氧化碳参与了铁锈蚀的结论。整个实验探究复习并衔接了初高中的知识,并将课本知识应用到生活中。
关键词:铁的锈蚀 原电池 电解质 电解质溶液
一、问题的提出
1.课程标准分析
初中《化学课程标准》要求重视对学生创新意识及科学精神的培养,这一点应反应在化学教学的全部过程之中。充分发挥实验教学的教育功能,不仅仅是停留在课堂上。化学课外活动是化学课堂教学的延伸和补充,是培养学生积极探索、勇于超越的科学精神的重要途径。中学化学实验是中学化学教学内容的重要组成部分,也是中学生学习化学的基本方法。其中,分组实验是学生实验的主要方式,它是在单元教材学习之后,为了复习、巩固和验证课堂上所学的化学知识,并系统培养学生的实验技能和独立工作能力而进行的一种课堂实验教学形式。
2.选取本实验的原因
(1)关于铁钉锈蚀所需要条件的探究课堂已经做过,学生已有知识基础,本探究的目的之一是在此处起一个回忆、复习的作用。
(2)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,结合初中阶段学生掌握的酸碱盐溶液的导电性、生铁是铁和碳的合金以及二氧化碳与水反应生成碳酸等知识引出电化学腐蚀的原理,并对今后高中原电池原理的学习做准备。
(3)本实验想让学生通过实验探究的形式,逐步掌握研究问题的一般方法:提出问题――猜想与假设――制定计划――进行实验――收集证据――解释结论――反思与评价――表达与交流。
(4)在中学教材中只提到了铁生锈与水和氧气有关,学生能够理解铁生锈与氧气的关系,但水在铁生锈的反应里起到了什么作用,教材中并没涉及,学生也很模糊,希望通过实验让学生了解水在铁生锈过程中的作用。
二、实验设计思路
1.本探究包括三方面
(1)铁钉锈蚀所需的条件有哪些?
(2)在何种条件下锈蚀速率较快?
(3)水和二氧化碳在铁生锈的过程中起到了什么作用?
2.教学流程
(1)教师向学生提出有关铁生锈的几个问题
①铁为什么会生锈?
②铁在何种条件下锈蚀速率较快?
③水在铁生锈的过程中起到了什么作用?
(2)学生根据已学知识对此做出猜想和假设
猜想①:根据初中化学义务教育课程标准试验教科书的内容第八单元金属和金属材料中提到铁在潮湿和有氧气的环境下容易生锈,铁锈的主要成分是氧化铁。氧化铁本身疏松更容易吸收空气中的水,所以铁在潮湿的空气中最容易生锈。
猜想②:空气中二氧化碳对铁生锈的速度是否有影响?
(3)学生在老师的指导下分组设计实验并记录试验现象
将学生分成四个小组,每个小组根据自己所做实验的现象得出结论。
(4)各组将实验现象以及讨论结果进行交流
教师指导学生交流讨论,并给出原电池的原理。启发学生根据已掌握的初中知识,大胆猜想。并根据猜想鼓励学生设计实验论证。
三、具体实验内容
1.实验原理
金属腐蚀根据与金属接触的介质不同,一般分为化学腐蚀和电化学腐蚀。本实验的研究范畴属电化学腐蚀。电化学腐蚀是指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。在日常生活中接触到的铁主要以生铁为主。而生铁的主要成分是铁和碳的合金(初中化学义务教育课程标准试验教科书第八单元金属和金属材料)。在电解质溶液中铁作为负极而碳作为正极。发生如下反应:
(+):O2 + 2H2O + 4e- = 4OH-
(―): 2Fe - 4e- = 2Fe2+
Fe2+ + 2OH- = Fe(OH)2
Fe(OH)2 + O2 + 2H2O = 4Fe(OH)3
氢氧化铁部分失水,即为铁锈。
2.实验仪器
试管、试管架
3.实验药品
铁钉、干燥剂CaCl2植物油、饱和NaCl溶液、蔗糖溶液、乙醇99.7%、棉花、橡皮塞子
4.实验步骤与现象
第一周:进行实验
将同学们分为4个组每组3名同学分别作以下实验(每组做三个平行实验)
第一组:
第二组:
第三组:
第四组:
第二周:观察并记录实验现象,填写表格,并根据现象讨论原因。
5.根据以上实验现象得出结论
(1)铁在没有水环境不易生锈
(2)铁在隔绝氧气的环境下不易生锈
(3)铁在有氧气和水的环境下容易生锈
(4)铁在氯化钠溶液中生锈最快最明显
(5)铁在蔗糖溶液和酒精中生锈不明显
6.提出问题并给出相关资料的提示
(1)根据实验现象提出问题
为什么在氯化钠溶液中生锈最快最明显而在酒精和蔗糖溶液中却不易生锈?
(2)相关资料
①酸碱盐溶液能够导电的原因是他们都能在水或熔融状态下电离出离子。我们把这样的物质叫做电解质。可溶于水的电解质溶液都具有导电性。
②生铁和钢都是铁和碳的合金,生铁中含碳量要高于钢。我们日常生活中用到的铁制品基本上都是铁的合金。
③二氧化碳能够溶于水并能与水反应生成碳酸,碳酸的酸性很弱但也能电离出氢离子和碳酸根离子。
④原电池是将化学能转变成电能的装置,组成原电池的基本条件是:将两种活泼性不同的金属(或石墨)用导线连接后插入电解质溶液中。电流的产生是由于氧化反应和还原反应分别在两个电极上进行的结果。原电池中,较活泼的金属做负极(又称阳极),较不活泼的金属做正极(又称阴极)。负极本身易失电子发生氧化反应,电子沿导线流向正极,正极上一般为电解质溶液中的阳离子得电子发生还原反应。电解质溶液中因为导电性增强了所以反应速度也相应加快。
7.补充实验
(1)电解质溶液的导电性
通过实验说明酒精和蔗糖溶液不导电是非电解质,而氯化钠溶液能导电是电解质。证明了在电解质溶液中会加快铁生锈的速度。
猜想:铁在潮湿的空气中生锈与电解质是否有关?(空气中谁能够溶于水形成电解质?)
(2)验证空气中二氧化碳对铁生锈的影响
四、实验现象解释
通过观察以上试管的反应现象,可以得出铁钉、空气和水同时接触才会发生锈蚀。铁表面的水膜溶有二氧化碳等物质,相当于电解质溶液,此时铁和杂质碳形成微小的原电池,使铁失去电子变成亚铁离子。当铁与NaCl溶液、碳酸溶液等电解质溶液接触会加速铁钉的锈蚀。
五、实验注意
1.教师应注意此实验中“控制实验条件”的化学实验方法。教师在总结时,应提醒学生,实验中研究某个因素对实验结果的影响时,要注意其他因素不能变化,不能对要研究的因素产生影响,这样才能保证实验的科学性。
2.教师要鼓励学生对铁生锈的条件做出多种猜想和假设。还可以让学生从生活中自己收集实验材料,使学生感到化学就在自己身边,有利于调动学生学习的积极性和探究兴趣。
六、反思与评价
1.教师的演示实验往往因为可见度不够而影响了教学效果,使看不清楚实验现象的学生失去了兴趣和热情。为了能更好地培养学生的动手能力和观察能力,增强学生的参与和合作意识,适应《化学课程标准》实施合作学习,注重学生实践能力培养的要求,应最大限度地将教师单独操作的演示实验改为师生共同参与操作的协同实验,或在教师指导下由学生合作共同完成,使学生始终保持积极参与的热情,激发学生的学习兴趣,提高学生实验能力。本次实验从其特点上来看并不适合课堂上的教学演示,主要原因是实验周期比较长,因此我将其放入化学课外小组进行并在原有实验的基础上增加了新的内容。
2.从学生实验的情况来看学生的积极性很高,在整个实验过程中学生积极思考,充分发挥了想象力和创造力。对实验现象的猜想丰富而且有一定的科学依据。尤其是在氯化钠溶液中腐蚀最快最明显的实验现象同学们最关注也最好奇。充分调动了学生探究的兴趣。
3.从实验原理上来看涉及到了多个方面的初中化学知识和一些高中化学知识。虽然原电池的反应在高中属于选修内容,有一定的难度,但从实际效果上来看学生理解的还是不错的。有的同学甚至还猜想如果是纯铁在潮湿的空气中被腐蚀的速度会不会比生铁慢。
4.从实验设计上来看,不同情况下铁生锈的的情况基本都考虑到了,为了保证实验的说服力每个实验都平行做了3次。只是由于时间问题对于电解质溶液中铁生锈的实验只做了氯化钠溶液。原本设计再加上醋酸和氢氧化钠溶液来增强实验的说服力,但考虑到醋酸是酸,学生会想到金属与酸的反应,而氢氧化钠在生活中并不常见,因此没有进行此两组实验。氯化钠是食盐的主要成分,而且在海水中含有大量的氯化钠,有一定的实际意义。另外如果将除去二氧化碳的潮湿空气中铁钉生锈的实验放到一开始做可以节约不少时间。同时学生在进行实验现象归纳和总结的时候也比较容易提出正确合理的猜想。
参考文献
[1]中华人民共和国教育部.全日制义务教育化学课程标准(实验稿)[M].北京:北京师范大学出版社,2001
[2]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准(实验) [M].北京:人民教育出版社,2003
[3]人民教育出版社课程教材研究所.普通高中课程标准实验教科书 化学选修1 化学与生活[M].北京:人民教育出版社,2007
[4]人民教育出版社课程教材研究所.普通高中课程标准实验教科书 化学选修4 化学反应原理[M].北京:人民教育出版社,2007
[5]王磊,刘克文,支瑶等.高中新课程选修课教与学 化学[M].北京:北京大学出版社,2006
[6]郑长龙.化学实验教学新视野[M].北京:高等教育出版社,2003
[7]朱裕平.新课程标准下构建学生自主学习课堂教学模式的思考与实践[J].中国历史教学研究,2005,3
[8]王云生.高中课程标准实验教科书《化学与生活》评析[J].课程改革,2006,9.
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