铁制品锈蚀探究实验的改进及教学应用

司璐璐

摘要：针对人教版九年级化学下册第八单元“铁制品锈蚀条件的探究实验”中2号试管的铁钉也生锈的情况，利用威尼尔溶解氧传感器对蒸馏水以及经煮沸后迅速冷却的蒸馏水中氧气含量的变化进行的测定，建立数据模型，得出2号试管中铁钉生锈与氧气未除尽有关，同时将该实验成果应于用课堂教学，提供学生真实的探究情境展开学习。

关键词：溶解氧传感器;铁制品锈蚀;实验教学设计

文章编号：1008-0546（2020）09-0091-03

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

一、问题的提出

人教版九年级化学下册第八单元课题3《金属资源的利用和保护》中关于铁制品锈蚀条件的探究实验，教材中的安排是由学生提前一周开始做，连续观察一周，每天记录现象。在实际教学中，很少有教师提前一周让学生做实验，而且在教材中并未给出实验的具体现象和结论，那么该实验的现象究竟是什么呢？通常我们认为的是1号试管中鐵钉生锈，2号和3号试管中铁钉生锈不明显，事实是不是这样呢？带着这样的疑问，我们按照书上所用仪器和药品进行了实验，实验设计如图1所示。

通过第一天与第七天的实验对比（如图2所示），可以发现1号试管中铁钉生锈明显，2号试管中铁钉有略微生锈，3号铁钉没有生锈。

2号试管中为什么会出现与之前预设不同的现象呢？我们进行了多次反复实验，均出现这样的反常现象，为了弄清原因，进行了以下实验过程的设计。

二、实验过程的设计

根据铁制品锈蚀的条件可以知道，铁制品锈蚀实际上是铁与空气中氧气、水蒸气等发生的化学反应。2号试管中既然铁钉生锈了，说明铁一定是与氧气和水同时接触了。由此想到是不是在经加热煮沸并迅速冷却的蒸馏水中仍然溶解了少量的氧气呢？通过什么方法能够加以证明呢？可选择如图3所示的威尼尔数字实验仪器中的溶解氧传感器来进行测定。

1.实验仪器和药品

蒸馏水、烧杯、试管架、酒精灯、火柴、试管夹、特制试管、威尼尔溶解氧传感器、电脑因威尼尔溶解氧传感器（如图3所示）探头较粗较短，我们选择了内径约12mm的大试管并用砂轮打磨后截去一半，留下的试管高度约为10cm，制成了特制试管（如图4①所示）。并使用（如图4②所示）的塑料试管架，其中最大的孔正好可以放置该特制试管。还可以根据需要，将其他孔的直径进行处理，满足可以放置多个大试管的需求（如图4③所示）。

2.实验过程

（1）在两支特制试管中分别装入等量蒸馏水。用溶解氧传感器测定一支试管中蒸馏水中氧气含量。

（2）用酒精灯将另一支试管中的蒸馏水加热至沸腾，并持续一段时间。

（3）将特制试管塞上橡胶塞，并放入装有冷水的烧杯中迅速冷却。

（4）充分冷却后，从第一支特制试管中取出溶解氧传感器，迅速伸入加热并冷却过的特制试管中，用溶解氧传感器测定此时特制试管中蒸馏水的氧气含量（如图5所示）。

3.实验数据

经过多次实验，反复测量，蒸馏水的溶解氧约在10mg/L左右，经煮沸并迅速冷却后的蒸馏水中的溶解氧约在3.5mg/L左右（如图6所示）。

为了保证实验数据的准确性，起始值为普通蒸馏水中的溶解氧含量，然后迅速将溶解氧传感器取出后再放入经过处理的蒸馏水中进行测定。最终值即为经煮沸并迅速冷却后的蒸馏水中的溶解氧含量。

4.实验反思

因为经煮沸并迅速冷却后的蒸馏水中的存在着一定量的氧气，所以2号试管中的铁钉仍然同时接触到了氧气和水，所以长期放置后，2号试管中的铁钉也生锈了。但因其氧气浓度小于1号试管，所以生锈的速度比1号试管慢。

三、课堂应用实录

该实验过程中2号试管的反常现象，正好创设了一个真实的学习情境，在学生认知出现冲突时，恰恰是激发他们探究欲的好时机，因此我们将该研究成果应用于“金属的腐蚀与防护”的课堂教学中。具体教学过程如下：

【学生分组实验】根据教材中提到实验用品，提供实物给学生，学生自主设计铁制品锈蚀条件的探究实验，并进行汇报。

【提出问题】学生汇报结束后，提出问题，为什么使用蒸馏水？以及为什么用煮沸后再迅速冷却的蒸馏水？

【学生回答】此时学生一般能够答出第一个问题，因为要避免普通水中的其他成分对实验产生干扰。对于第二个问题，回答出来的较少。此时教师可以引导学生围绕2号试管的实验设计目的来思考答案，这时很多学生能够想到是为了减少氧气含量。

【演示实验】用溶解氧传感器测量蒸馏水中的氧气含量，读取数据约为10mg/L左右，再将蒸馏水煮沸后迅速冷却，再次测量氧气含量。通过电脑展示的威尼尔软件，显示溶解氧含量的曲线呈现下降趋势。

【得出结论】将蒸馏水煮沸后迅速冷却，确实是为了减少其中的氧气含量，目的是达到该试管中铁钉只与水接触。

【观看视频】因该实验时间较长，教师展示自己在一周之前开始录制的该实验的视频，学生通过观看视频中的实验现象得出，铁制品锈蚀的过程实际上是铁与空气中的氧气、水蒸气等发生化学反应的过程。

【创设情境】教师展示用于录制视频的实验装置，学生通过仔细观察，发现2号试管中铁钉也略有生锈。

【提出问题】请学生根据刚刚建立的铁制品锈蚀的条件的思维模型分析，经过一段时间后，2号试管中铁钉也略有生锈的原因。

【学生回答】煮沸可能没有完全除去水中的氧气，2号试管中的铁钉仍然同时接触了氧气和水。

【实验验证】教师再次打开刚刚的威尼尔软件，发现经过一段时间后，数据稳定在3mg/L左右。

【得出结论】通过数据显示，水中仍然存在着一定氧气。煮沸时并没有完全除去水中的氧气，铁钉仍然同时和氧气、水接触。所以2号试管中的铁钉也生锈了。

【拓展延伸】对比实验1和2铁钉生锈的快慢，可以发现，什么因素影响了铁制品锈蚀的快慢呢？

【学生】氧气含量。

四、实验及教学中的注意事项

1.用于加热的蒸馏水量不能过多，否则煮沸和冷却时间均会比较长，不利于课堂教学。也不能过少，因溶解氧传感器的探头在侧面，距离末端有一定位置，如果水太少的话，探头接触不到水，将无法进行测定。因此用特制试管（内径12mm）的话，水最好加在15mm高度。这样基本在一到两分钟之内可以保证水被煮沸，也可保证探头顺利地接触到水。

2.冷却时可将试管放入装有冷水的烧杯中，但毕竟还需要一些时间。这段时间内，教师可引导学生对分组设计实验的过程进行评价，既不浪费时间，也让学生反思对实验原理、实验操作的掌握以及小组合作的情况，对学生的评价将更加多元化。评价量表如表1所示。

3.溶解氧的数据观察应分三次完成。第一次是普通蒸馏水中的溶解氧，第二次是经过处理后观察溶解氧含量的变化趋势。因溶解氧传感器的测量需要一定的时间，大约在300秒后才比较稳定，所以此时不需要一直等到数据稳定。可以让软件在后台继续运行，教师和学生继续下面的课程。当学生通过观察发现2号试管中的反常现象，并提出可能在2号试管中仍存一定的溶解氧的猜测时，教师再打开刚才的威尼尔软件，此时数据已经稳定了，这是第三次读数。这样既可以节约有限的课堂时间，提高课堂效率，也引导学生经历了真实的科学探究，培养了学生勇于探索、独立思考、敢于质疑和勇于创新的科学精神。