4.3金属的腐蚀与防护-（教学设计）高二化学（人教版2019选择性必修1）

第四章《化学反应与电能》教学设计第三节金属的腐蚀与防护课题：4.3金属的腐蚀与防护课时1授课年级高二课标要求内容要求：了解金属发生电化学腐蚀的本质，知道金属腐蚀的危害，了解防止金属腐蚀的措施。学业要求：能利用电化学原理解释金属腐蚀现象，选择并设计防腐措施。教材分析本节内容是高中化学人教版（2019版）选择性必修1第四章第三节《金属的腐蚀与防护》内容。本节内容可以分为金属的腐蚀与金属的防护两部分，且前者是学习后半内容的基础。为了学生更好地理解和掌握金属腐蚀的基本原理，教材还提供了丰富的实验和图片分析，让学生亲自动手操作，学习钢铁制品两种典型的电化学腐蚀——析氢腐蚀和吸氧腐蚀，增强学生的实验操作技能和科学探究精神。在金属的防护措施方面，教材从金属腐蚀的原理出发，研究如何破坏金属腐蚀发生的条件。除了采取措施破坏金属发生化学腐蚀的条件，更多情况下需要采取措施破坏原电池形成的条件。电化学保护法是常用的金属防护方法，包括牺牲阳极法和外加电流法两种。此外，教材还介绍了涂层、干燥环境、缓蚀剂等其他防护措施，以及金属的钝化、控制腐蚀环境等实用技巧。这些内容有助于学生更好地理解和应用金属防护知识，为未来的学习和工作打下坚实的基础。教学目标1.理解和掌握金属腐蚀的基本原理，包括电化学腐蚀过程和影响因素，如湿度、温度、电解质溶液等。2.应用所学的金属腐蚀知识，对实际金属腐蚀问题进行分析和解决。3.能够根据不同金属和环境选择适当的防护方法，如涂层、干燥、阴极保护等，并能够正确操作金属防护实验。重点难点重点:金属的电化学腐蚀及电化学防护原理。难点:钢铁的析氢、吸氧腐蚀核心素养科学探究精神：学生应具备科学探究精神，通过实验探究金属腐蚀的原理和过程，理解金属腐蚀的本质。环保意识：学生应具备环保意识，了解金属腐蚀对环境的影响，并能够采取有效的防护措施，减少金属腐蚀对环境的影响。实践操作能力：学生应具备实践操作能力，能够正确使用防护措施，如涂层、阴极保护等，并能应用于实践中。学情分析1.学生已经掌握了一定的电化学基础知识，如原电池原理、电解池原理等，这些知识对于理解金属腐蚀的电化学过程具有基础作用。2.学生对于金属腐蚀的理解程度存在差异。有些学生可能已经了解金属腐蚀的一般概念，但有些学生可能对金属腐蚀的本质和过程缺乏深入理解。教师需要针对学生的实际情况进行教学，帮助学生建立正确的金属腐蚀观念。3.学生对于金属防护方法的理解和运用能力需要加强。学生需要了解不同类型的金属防护方法，如涂层、干燥、阴极保护等，并能够根据实际情况选择合适的防护方法。教师需要引导学生进行实验探究，让学生亲自动手操作金属防护实验，以提高他们的实际应用能力。4.学生的思维方式和创新精神也需要培养。在金属防护方法的设计和创新方面，学生需要具备一定的思维创新能力和创新精神。教师需要引导学生思考各种新颖的金属防护方法，培养学生的工程思维和创新意识。教学过程教学环节教学活动设计意图环节一、创设情境，激发兴趣生活情境、引入金腐蚀的危害【课前检测】【检测1】下列“铁钉镀铜”实验装置设计正确的是A． B．C． D．【答案】B【详解】要在铁钉上镀铜，则应Cu与电源正极相连，为阳极，失去电子，阴极为铁，接电源负极，电解质溶液应为含铜离子的盐溶液，故选B。【检测2】用铂电极电解下列物质的溶液，当耗电量相同时，阴极和阳极上同时都有气体产生，且溶液的pH下降的是A．H2SO4 B．CuSO4 C．HCl D．KCl【答案】A【详解】A．用铂电极电解硫酸，相当于电解水，阴极和阳极上同时都有气体产生，硫酸浓度增大，溶液pH降低，故A正确；B．用铂电极电解硫酸铜溶液，生成铜、氧气和硫酸，反应生成酸，溶液pH降低，但阴极无气体产生，故B错误；C．用铂电极电解HCl溶液，生成氢气、氯气，阴极和阳极上同时都有气体产生，但消耗HCl，则溶液pH升高，故C错误；D．用铂电极电解氯化钾溶液，生成氢氧化钾和氢气、氯气，反应生成碱，溶液pH值升高，故D错误；【情境引入】金属腐蚀的现象普遍存在，常常是自发进行的。比如我们会看到有些桥梁金属连接处会有铁锈，还有工厂设备的灵敏度降低也是金属环节生锈的原因，那么我们需要了解金属腐蚀的原因，并采取有效措施防止金属腐蚀具有重要意义。1.试题检测判断学生对电解池原理的知识理解；2.从金属的腐蚀的危害与学习金属腐蚀与防护的必要性引入环节二金属腐蚀的类型和特点。活动一、钢铁腐蚀的原理一、金属的腐蚀【互动提问】引导学生思考金属腐蚀需要哪些条件？【学生】初中的学习中了解到金属腐蚀潮湿的空气容易生锈，在干燥的空气中不容易生锈。【老师】讲解金属腐蚀的定义及本质；【投屏】1.定义：金属或合金与周围的气体或液体发生氧化还原反应而引起的金属损耗的现象；由于接触的气体或液体情况不同，发生的腐蚀也不同，一般可以分为化学腐蚀和电化学腐蚀。2.本质：金属原子失去电子被氧化的过程。M－ne－→Mn+【老师】在潮湿的空气里,钢铁的表面形成了一层电解质溶液的薄膜,它和钢铁里的铁和少量的碳恰好构成了原电池。其中铁是负极,碳是正极。【问题】我们生活中有些金属直接接触化学制品，比如含酸性的液体，这种类似我们称为什么类型的腐蚀呢？【老师】化学腐蚀：金属其表面接触的一些物质（如O2、Cl2、SO2等）直接反应而引起的腐蚀。影响因素：金属本身性质，受温度影响很大；【讨论】生活中常见的化学腐蚀；【学生】铁与氯气直接反应而腐蚀；输油、输气的钢管被原油、天然气中的含硫化合物腐蚀；金属直接氧化性性腐蚀品。电化学腐蚀：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。二、电化学腐蚀—钢铁腐蚀【引入】钢铁制品在潮湿空气中的锈蚀就是电化学腐蚀的典型例子。在潮湿的空气中，钢铁制品表面会形成一薄层水膜，空气中的CO2、SO2、H2S等物质溶解在其中形成电解质溶液，并与钢铁制品中的铁和少量单质碳构成原电池。由于条件不同，钢铁腐蚀可分为析氢腐蚀和吸氧腐蚀。【讨论】为什么生铁比纯铁更容易生锈呢？【学生1】生铁是铁碳合金，钢铁表面吸附了一薄层水膜，水膜可以形成电解质溶液，整体可以构成原电池。【学生2】原电池的正负极：铁—负极；碳—正极；【问题】在酸性环境中，观察到在腐蚀过程中不断有气体放出，讨论这种钢铁腐蚀原理。【老师】讲解钢铁腐蚀——析氢腐蚀1.电极反应式：负极（Fe）：Fe2e=Fe2+正极（C）：2H++2e=H2↑总反应：Fe+2H+=Fe2++H2↑2.析氢腐蚀：在酸性环境中，由于在腐蚀过程中不断有H2放出，所以叫做析氢腐蚀。【注意】只有位于金属活动性顺序中氢前的金属才可能发生析氢腐蚀，氢后的金属不能发生。【讨论】思考生活中的环境情况。【学生】生活中的环境通常酸性很弱或呈中性，会溶有一定量的氧气。【老师】讲解钢铁腐蚀—吸氧腐蚀1.吸氧腐蚀：钢铁表面吸附的水膜酸性很弱或呈中性，但溶有一定量的氧气，此时就会发生吸氧腐蚀。2.实验过程：3.讨论：实验现象【学生】铁钉表面有铁锈生成，导管中的水柱液面上升。4.反应原理：【思考】钢铁吸氧腐蚀的化学反应原理是什么？【学生】在NaCl溶液（中性）环境下负极：Fe－2e－＝Fe2＋正极：O2＋4e－＋2H2O＝4OH－总反应：2Fe+O2+2H2O===2Fe(OH)2↓O2Fe(OH)3↓Fe2O3·xH2O【总结】钢铁等金属的腐蚀主要是吸氧腐蚀。【讨论】分小组讨论金属腐蚀和电化学腐蚀有什么相同点和不同点？【学生1】相同点：过程中金属都被腐蚀。【学生2】不同点：化学腐蚀直接接触氧化剂，发生氧化还原反应，无电流产生；【学生3】电化学腐蚀是形成了原电池，有电流产生；【老师】投屏化学腐蚀电化学腐蚀条件金属或合金与氧化剂直接接触不纯金属或合金与电解质溶液接触电流无电流产生有微弱电流产生现象金属被腐蚀较活泼金属被腐蚀本质M−ne−=Mn+M−ne−=Mn+影响与氧化剂的氧化性及温度等有关与电解质溶液酸碱性及金属活动性有关联系两者往往同时发生，但电化学腐蚀更普遍。【思考】锌粒的化学腐蚀和电化学腐蚀那个速度快？【实验过程】1.实验药品：Zn粒，CuSO4溶液,H2SO4溶液；2.实验装置：试管1—Zn粒+H2SO4溶液；试管2：Zn粒+H2SO4溶液（少量CuSO4溶液）【实验现象】加入硫酸铜溶液的试管中的锌粒表面产生气泡更多，反应速率更快。【结论】金属腐蚀快慢的判断电解原理(阳极腐蚀)＞原电池原理(负极腐蚀)＞化学腐蚀＞有防护措施的腐蚀【对应训练1】下列关于电化学腐蚀、防护与利用的说法中，不正确的是A．图1铜板打上铁铆钉后，铜板不易被腐蚀B．图2暖气片表面刷油漆可防止金属腐蚀C．图3连接锌棒后，铁管道发生D．图4连接废铁后，电子由废铁流向阳极【答案】C【详解】A．铜板打上铁铆钉后，形成原电池，铁铆钉做原电池的负极，金属铜板做原电池的正极被保护，属于牺牲阳极法，所以金属铜板不易被腐蚀，A项正确；B．暖气片表面刷油漆可将金属和空气隔绝，防止金属腐蚀，B项正确；C．连接锌棒后，形成原电池，铁管道做原电池的正极，锌棒做原电池的负极，铁管道发生反应：，C项错误；D．图4连接废铁后，废铁与电源正极相连，电解池中电子从电源负极流出，经过铁管道，废铁流回电源正极，D项正确；答案选C。【对应训练2】用如下装置进行铁的电化学腐蚀实验。下列说法正确的是一段时间后，左侧试管发热，导管口有气泡产生。A．铁发生的电极反应：B．铁腐蚀过程中，化学能转化为热能C．炭粉的存在对铁腐蚀的速率无影响D．导管口产生气泡证明铁发生了析氢腐蚀【答案】B【详解】A．铁、碳粉、氯化钠溶液形成原电池，Fe作负极失电子，铁发生的电极反应：，A错误；B．该过程化学能转化为电能，同时有热量产生，部分化学能转化为热能，B正确；C．碳作正极，Fe、C和氯化钠溶液形成原电池，加速铁的腐蚀速度，C错误；D．氯化钠溶液为电解质，此过程发生吸氧腐蚀，D错误；对比学习析氢与吸氧腐蚀，并学习暖宝宝的制作，探究反应原理。活动三、金属的防护金属的防护【过渡】金属的防护主要是从金属、与金属接触的物质及两者反应的条件等方面来考虑的。【老师】引导学生讨论生活中金属防腐的方法有哪些？【学生1】涂漆保护：给金属表面涂上油漆，可以有效地防止金属腐蚀。例如，家具、门窗、栏杆等金属制品的表面通常会涂上油漆，以延长其使用寿命。【学生2】塑料保护：使用塑料薄膜或套子将金属制品包裹起来，可以有效地防止金属腐蚀。例如，一些容易受到腐蚀的金属制品，如管道、电线等，可以使用塑料保护套进行保护。【老师】总结讲解—金属的防腐【投屏】金属腐蚀方法1.改变金属材料的组成：在金属中添加其他金属或非金属可以制成性能优异合金。2.在金属表面覆盖保护层：在金属表面覆盖致密的保护层，将金属制品与周围物质隔开。（1）非金属保护层在钢铁制品的表面喷涂油漆、矿物性油脂或覆盖搪瓷、塑料等；（2）金属保护层用电镀等方法在钢铁表面镀上一层锌、锡、铬、镍等金属；【讨论】电化学防腐【问题】工业生活中，钢铁设备上，如锅炉的内壁、船舶的外壳等安装若干镁合金或锌块，为什么？【学生】因为构成了原电池，镁、锌比铁活泼，它们就成为原电池的负极，不断遭受腐蚀(需要定期检查、更换),而作为正极的钢铁设备就被保护起来。【老师】讲解电化学防腐1.牺牲阳极法①原理——原电池原理：正极：被保护金属负极：活泼金属→需要定期更换②应用：该法主要用来保护一些钢铁设备，如在锅炉内壁、船体外壳上装上镁合金或锌块。【自主学习】阅读教材P110页，实验44，按照图426安装仪器。【实验1】【问题1】以Fe作保护电极，以Zn作辅助电极，以经过酸化的3%NaC1溶液作电解质溶液，观察电流表指针的变化，以及烧杯中两个电极附近发生的现象。【投屏】实验装置电流表阳极阴极现象指针偏转逐渐溶解质量不变，无气泡产生，加入铁氰化钾溶液，无变化。有关反应——Zn2e=Zn2+O2+4e+4H+=H2O【问题2】过一段时间，用胶头滴管从Fe电极区域取少量溶液于试管中，再向试管中滴入2滴K3[Fe(CN)6](铁氰化钾)溶液，观察试管中溶液颜色的变化。【总结】Fe2+的检验：Fe2+与K3[Fe(CN)6]溶液(黄色)反应生成KFe[Fe(CN)6]沉淀(带有特征蓝色)。这是检验溶液中Fe2+的常用方法。结论：Fe、Zn和经过酸化的NaCl溶液构成原电池；该装置中铁未被腐蚀【实验2】实验过程：将1g琼脂加入250mL烧杯中，再加入50mL饱和食盐水和150mL水。搅拌、加热煮沸，使琼脂溶解。稍冷后，趁热把琼脂溶液分别倒入两个培养皿中。现象：靠近锌皮处颜色无变化，靠近裸露在外的铁钉处出现红色；原因：构成原电池反应，Zn作阳极(负极)铁作阴极(正极),锌被腐蚀，铁被保护。现象：靠近铜丝处出现红色，靠近裸露在外的铁钉处出现蓝色。原因：构成原电池应，铁作阳极(负极),铜作阴极(正极),铁被腐蚀，阳极上发生Fe2e=Fe2+,Fe2+与K3[Fe(CN)6]溶液反应生成KFe[Fe(CN)6]蓝色沉淀。2.外加电流法【老师】原理：阴极：被保护金属具体方法：外加电流法是把被保护的钢铁设备作为阴极，用惰性电极作为辅助阳极，两者均放在电解质溶液(如海水)里，外接直流电源。通电后，调整外加电压，强制电子流向被保护的钢铁设备，使钢铁表面腐蚀电流降至零或接近零。在这个系统中，钢铁设备被迫成为阴极而受到保护。应用：该法常用来保护土壤、海水中的金属设备。【对应练习3】下列铁制品防护的装置或方法中，不正确的是A．外加电流B．牺牲阳极C．表面镀铜D．制成不锈钢A．A B．B C．C D．D【答案】A【解析】A．此为外加电源的阴极保护法，被保护金属钢制管桩应与电源负极相连，故A错误；B．镁比铁活泼，此为牺牲阳极的阴极保护法，故B正确；C．铁上镀铜，铁质镀件接电源负极，铜接电源正极，硫酸铜作电镀液，故C正确；D．制成不锈钢可以起到防护作用，故D正确；【对应练习4】下列关于金属保护的说法不正确的是A．图1是牺牲阳极的阴极保护法，图2是外加电流的阴极保护法B．钢闸门均为电子输入的一端C．锌和高硅铸铁处的电极反应均为还原反应D．钢闸门处发生放电的主要微粒不相同【答案】C【解析】A．图1将被保护的钢闸门、较活泼金属锌和海水构成原电池，是牺牲阳极阴极保护法；图2将被保护的钢闸门、惰性电极分别与电源负极、正极相连构成电解池，是外加电流阴极保护，A说法正确；B．图1中，电子从锌经外电路转移向钢闸门。图2中，电子从电源负极转移向钢闸门，B说法正确；C．锌是原电池负极，本身失电子，为氧化反应，高硅铸铁是电解池辅助阳极，其它物质在其表面失电子，发生氧化反应，C说法错误；D．1中原电池正极反应为O2+4e+2H2O=4OH、图2中电解池阴极反应2H++2e=H2↑或2H2O+2e=H2↑+2OH，D说法正确；【对应练习5】下列关于电化学腐蚀、防护与利用的说法中，正确的是A．铜板打上铁铆钉后，铜板更易被腐蚀B．暖气片表面刷油漆可防止金属腐蚀C．连接锌棒后，电子由铁管道流向锌D．阴极的电极反应式为Fe–2e=Fe2+A．A B．B C．C D．D【答案】B【详解】A．形成FeCu原电池，Cu作正极被保护，Cu不易被腐蚀，A错误；B．暖气片表面刷油漆可隔绝氧气，从而防止金属腐蚀，B正确；C．锌比铁活泼，形成锌铁原电池，锌作负极，电子由锌流向铁管道，C错误；D．铁管道与电源负极相连，为阴极，阴极得电子，电极反应式为2H2O+2e=2OH+H2↑，D错误。对比学习两种电化学保护方法的原理、区别、应用。课堂总结1.化学腐蚀和电化学腐蚀的比较化学腐蚀电化学腐蚀条件金属或合金与氧化剂直接接触不纯金属或合金与电解质溶液接触电流无电流产生有微弱电流产生现象金属被腐蚀较活泼金属被腐蚀本质M−ne−=Mn+M−ne−=Mn+影响与氧化剂的氧化性及温度等有关与电解质溶液酸碱性及金属活动性有关联系两者往往同时发生，但电化学腐蚀更普遍。2.析氢腐蚀和吸氧腐蚀的比较类型析氢腐蚀吸氧腐蚀条件水膜酸性较强(pH≤4.3)水膜酸性很弱或呈中性电极反应负极Fe－2e－===Fe2＋正极2H＋＋2e－===H2↑O2＋2H2O＋4e－===4OH－总反应式Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑2Fe＋O2＋2H2O===2Fe(OH)2联系吸氧腐蚀更普遍3.金属的防护1.改变金属材料的组成2.在金属表面覆盖保护层3.电化学防护（1）牺牲阳极法（2）外加电源保护法板书设计第四章化学能与电能第三节金属的防护一、金属的腐蚀1.化学腐蚀2.电化学腐蚀——钢铁的腐蚀（1）析氢腐蚀：（2）吸氧腐蚀：二、金属的防护1.改变金属材料的组成2.在金属表面覆盖保护层3.电化学防护（1）牺牲阳极法（2）外加电源保护法教学反思在这次教学中，我主要的目标是让学生理解金属腐蚀的原理，以及如何通过各种方式来防止金属腐蚀。采用了演示实验、图片展示、案例分析等教学方法，希望能让学生更好地理解和掌握这些知识。引入部分：通过演示实验和图片展示，成功地引起了学生的兴趣，使他们能够更好地理解金属腐蚀的原理。讲解部分：我通过案例分析，让学生了解了如何根据不同的环境来选择不同的防护方法，这部分内容得到了学生的好评。互动部分：我鼓励学生提问和讨论，这有助于他们更好地理解和掌握知识。整体来说，这次教学虽然有一些不足，但总体效果还不错。相信通过改进教学方法和策略，可以更好地帮助学生理解和掌