1.3探秘“铁狮子”的电化学腐蚀与防护 教学设计 2025-2026学年高二上学期化学苏教版选择性必修1

《探秘“铁狮子”的电化学腐蚀与防护》教学设计 1、 教学目标和评价目标 1.教学目标 （1）通过模拟“铁狮子”腐蚀实验探究，使学生从“宏观-微观-符号”三重表征金属电化学腐蚀的原理，应用电化学认知模型认识金属电化学腐蚀的本质，并分析解释金属腐蚀的现象。 （2）设计数字化实验和常规实验探究钢铁吸氧腐蚀原理及其影响因素，发展学生实验设计和证据推理的能力。 （3）通过为“铁狮子”设计防腐蚀方案，掌握“牺牲阳极的阴极保护法”和“外加电流的阴极保护法”的电化学防护方法。通过为“铁狮子”设计防腐蚀方案，让学生体会到化学对生产、生活以及人类发展的重要作用，并形成解决问题的一般思路和方法。进一步培养学生学以致用的创新精神和解决实际问题的能力。 （4）通过学习现代铸铁工业中“新铁狮”真正的防腐蚀措施，帮助学生将课本所学理论知识与实际生产生活有机地联系起来，促使学生将所学理论知识更好地应用到实际生产生活中。 2.评价目标 （1）通过提出问题、作出假设、设计实验方案、预测实验现象、分析实验结果、得出实验结论等环节，诊断学生科学探究的能力。 （2）通过尝试建立金属的电化学腐蚀模型，诊断学生对“宏观-微观-符号”三重表征金属电化学腐蚀原理的掌握情况，探查学生“模型认知”的化学核心素养水平。 （3）通过应用金属电化学腐蚀模型为“铁狮子”设计防腐蚀方案，诊断学生通过模型分析和解决实际问题的能力。 （4）通过课后分层次作业，诊断学生对金属腐蚀基础知识的掌握情况，探查学生进入社会运用理论知识解决实际生活问题的能力。 2、 教材分析 金属的腐蚀与防护这节课的内容,选自苏教版高中化学选择性必修1专题1第三单元第一节 。本节课是在原电池和电解池之后编排的。前面两个单元已经建立了电化学认知模型，本节课是应用电化学认知模型认识金属电化学腐蚀的本质，分析解释金属腐蚀的现象。并基于模型，分析电化学防护，选择并设计防腐蚀措施。本节课体现了电化学知识的实际意义以及功能价值。 3、 学情分析 通过原电池的学习和电解池的学习，学生已经形成了电化学认知模型，并且高二学生已经具备了一定的分析问题能力与实验探究能力。本节课与实际生活联系紧密，学生具备浓厚的学习兴趣。但是学生主动将真实问题与电化学认知模型进行关联还是存在很大困难。 4、 教学重难点 教学重点 金属的电化学腐蚀原理及金属的电化学防护 教学难点 建立金属的电化学腐蚀模型 五、教学过程 教师活动 学生活动 设计意图 【布置课前实践活动】以小组为单位，从化学的角度调查“沧州铁狮子历史与现状”。 对“沧州铁狮子历史与现状”调查情况进行汇报。 铁狮子是沧州地标性建筑，又称“镇海吼”,沧州因此又称为“狮城”。沧州铁狮子始建于周广顺三年（953年），距今已有1071年的历史。铁狮子因其重要的历史、艺术、科学研究价值，1961年3月4日，被国务院公布为第一批全国重点文物保护单位。 沧州铁狮子身高5.78米，长5.34米，宽3.17米，体重约32吨。铁狮子化学成分：除Fe外，还含有C 、S、Mn、P、Si。铁狮子是生铁浇铸而成，属于铁碳合金。 千百年来，这只铁狮子虽然饱经沧桑，依然威武雄健、傲然挺立。然而在上世纪50年代，沧州地区夏季频降暴雨形成内涝，铁狮子的腿部和腹部因长期被雨水浸泡，腐蚀严重。 以沧州地标性建筑“铁狮子”腐蚀现状创设情境从而引起学生共情，激发学生的学习兴趣，引发学生学习动机。 让学生通过自己亲身体验调查过程，对真实的腐蚀现状有一定感性认识，为课堂教学做铺垫。培养学生在实践活动中的团队合作精神，提升收集、整理和分析相关信息的能力。 【过渡】沧州铁狮子是中国现存年代最久、形体最大的铸铁文物。它充分体现了我国古代高超的铸铁技术。铁狮子不仅是优秀的文化遗产，也是狮城沧州的象征，更是狮城人民勇敢、智慧和坚韧精神的体现。曾经的铁狮威武雄健、傲然挺立，但现在却满目疮痍、锈迹斑斑。铁狮是如何被腐蚀的？这些锈又是什么物质呢？ 感受，聆听，思考。 让学生更加了解家乡的文化遗产，增强对家乡的认同感、自豪感和保护意识。 提出问题，引发学生思考。 【任务一】探究金属腐蚀的原理 展示资料卡：铁狮子属于铁碳合金。铁锈的主要成分是 Fe2O3 ·nH2O（红棕色）。向铁片上滴加NaCl溶液来模拟长期浸泡在雨水中的铁狮子。一段时间后，铁片腐蚀严重，锈迹斑斑。 思考：Fe→Fe2O3 ·nH2O的转化过程经历了哪几步反应？反应过程中有哪些物质生成？选用什么试剂验证？ 结合“Fe的价—类二维图及转化关系”提出4条可能的转化路线： 1.Fe → FeO →Fe2O3 2. Fe → FeCl2 →FeCl3 →Fe(OH)3 →Fe2O3 ·nH2O 3. Fe → FeCl2 → Fe(OH)2 → Fe(OH)3 → Fe2O3 ·nH2O 4. Fe → FeCl3→ Fe(OH)3 → Fe2O3 ·nH2O 根据已有的化学知识，将1和4两条转化路线排除掉，然后为了鉴别2和3两条转化路线，确定了最终实验方案： 1.铁片上滴加NaCl溶液、再滴加酚酞溶液； 2.铁片上滴加NaCl溶液、将反应后溶液（静置一分钟）取出滴到表面皿上并滴加K3[Fe(CN)6]溶液； 3.铁片上滴加NaCl溶液、再滴加KSCN溶液； 4. 铁片上滴加NaCl溶液、再滴加酚酞溶液和K3[Fe(CN)6]溶液 通过提出问题、作出假设、设计实验方案到预测结果等环节，促使学生提升科学探究能力、养成严谨的科学态度。 【分组实验】请同学们根据大家设计的实验方案进行以下分组实验。将学生所做实验图片手机投屏到大屏幕上。 观察到现象如下：1组溶液变红， 2组生成蓝色沉淀，3组无现象，4组液滴中心生成蓝色沉淀，液滴边缘变红。 通过实验现象得出结论：Fe→Fe2O3 ·nH2O的转化过程为Fe→FeCl2→Fe(OH)2→Fe(OH)3→Fe2O3 ·nH2O 通过亲手进行实验操作，锻炼学生的动手能力、提高观察和分析能力、提升实验技能。 【思考】将Fe氧化为Fe2+的是哪个氧化剂？相应的还原产物是什么？ 引导学生用压强传感器监测铁腐蚀过程中压强的变化情况，从而判断氧化剂是H2O还是O2？ 课上用压强传感器演示铁腐蚀过程中压强的变化。 从元素和价态两个角度分析得出结论： H2O → OH－+H2 O2 → OH－ 观察到铁腐蚀过程中压强减小，确定O2是氧化剂。 利用数字化实验对金属腐蚀的缓慢过程进行定量研究，定性感知上升到定量研究，让学生感受到现代技术对科学研究的重要性。促进学生宏观辨识与微观探析、实验探究与创新意识等化学素养提升。 【思考】4组实验中为什么Fe2+ 和 OH－在不同位置生成？ 用数码显微镜继续观察铁板上滴加了NaCl溶液、酚酞和K3[Fe(CN)6]溶液的混合溶液，并播放用数码显微镜拍到的视频。你观察到什么现象可以作为证据促使你得到什么样的结论？ 具备原电池的条件，Fe--C--NaCl溶液，氧化反应和还原反应分别在两极进行，猜测形成原电池。 观察到固体悬浮物发生移动。固体既没在Fe2+也没在OH－的位置生成，而是在Fe2+和OH－的中间某位置生成。猜测Fe2+向OH－位置迁移，OH－向Fe2+位置迁移，然后相遇形成沉淀。而原电池中也存在离子的定向迁移。从这个证据进一步推理得到结论：Fe--C--NaCl溶液形成原电池。 利用数码显微镜观察固体悬浮物的移动情况，帮助学生将宏观现象与微观离子的迁移联系起来。 Fe--C--NaCl溶液是否真的形成原电池？我们用灵敏电流计观察下有没有电流产生？ 观察到灵敏电流计指针发生偏转，确认Fe--C--NaCl溶液形成原电池。 灵敏电流计指针偏转，使学生直观感受到电流的产生，确认原电池的形成。 讲解吸氧腐蚀的概念。并在学案上写出 Fe的吸氧腐蚀中正、负极反应式以及总反应化学方程式。 写出正、负极反应式以及总反应化学方程式。 负极： Fe-2e-=Fe2+ 正极：O2+2H2O+4e-=4OH- 总反应： 2Fe+O2+2H2O=2Fe(OH)2 让学生学会对Fe的吸氧腐蚀进行符号表征。 引导学生从装置和原理两个角度归纳金属电化学腐蚀的原理，并填写在学案上。 装置角度：负极材料Fe、正极材料C(O2是正极反应物)、离子导体NaCl溶液、电子导体导线。 原理角度：负极：Fe-2e-=Fe2+ 正极：O2+2H2O+4e-=4OH- 总反应：2Fe+O2+2H2O=2Fe(OH)2 引导学生循序渐进地建立铁的电化学腐蚀模型，帮助学生提升“模型认知”的化学核心素养。 引导学生再次观察铁片上滴加了NaCl溶液、酚酞和K3[Fe(CN)6]溶液的混合溶液。然后展示课前做的实验的图片，讲解Fe(OH)2→ Fe(OH)3→Fe2O3 ·nH2O的转化过程。 观察到溶液稍微变黄色。 理解了Fe(OH)2→Fe(OH)3→ Fe2O3 ·nH2O的转化过程： 4Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)3 Fe(OH)3→Fe2O3 ·nH2O 使学生认识到Fe的腐蚀是一系列的复杂的化学反应，促进学生加深对金属腐蚀的理解。 讲解液滴边缘O2浓度高，电势高，作为原电池正极；液滴中心O2浓度低，电势低，作为原电池负极。 聆听、思考、理解。 适当地补充氧浓差电池的知识，拓展学生的视野，提升学生的认知水平。 实验中的电解质溶液换成稀硫酸，用压强传感器测定体系压强的变化。播放课前录制的视频。讲解析氢腐蚀的概念,并引导学生将电极反应式写到学案上。引导学生建立析氢腐蚀的模型。 观察到压强增大，并在学案上完成电极反应式以及总反应方程式。 负极：Fe-2e-=Fe2+ 正极：2H+ + 2e－ = H2↑ 总反应：Fe + 2H+ = Fe2++ H2↑ 让学生学会对Fe的析氢腐蚀进行符号表征。 引导学生思考：酸性条件一定发生析氢腐蚀吗？NaCl溶液中也存在H2O电离的H+,为什么主要发生的是吸氧腐蚀呢？展示pH=2～6时体系压强随时间变化的图像。 思考并分析图像得出结论： 1.pH=2～3.5时，主要发生析氢腐蚀，pH≥4时，主要发生吸氧腐蚀。 酸性条件，析氢腐蚀和吸氧腐蚀同时发生。 2.pH不同时，正极放电物质不同的原因是： O2和H+的浓度不同。c(H+)较大时,氧化电极电势：H+＞O2 ，发生析氢腐蚀；c(H+)较小时，氧化电极电势：O2＞H+ ，发生吸氧腐蚀。 让学生体会到没有一成不变的结论，要辩证地分析问题，带着变化观念和平衡思想去看待化学反应。 归纳总结金属电化学腐蚀的分类以及金属腐蚀的本质。 感受、聆听、理解。 【任务二】为铁狮子设计防腐蚀方案 引导学生结合电化学腐蚀的模型，从阻断电化学腐蚀路径的角度设计防腐蚀方案并给出相应的依据。 归纳总结牺牲阳极的阴极保护法和外加电流的阴极保护法 。 从以下四个方面设计防腐蚀方案，并到讲台上展示防腐蚀方案，同时说明相应的依据。 1.破坏原电池装置的闭合回路 ---覆盖保护层，隔绝氧气和水 2.改变失 e-的物质---让金属与更易失 e-的活泼金属相连 3.阻断金属失e- ---与外接电源负极相连 4.从根本上解决腐蚀问题---应用耐腐蚀新型材料，包括有机材料和不锈钢、钛合金等。 让学生回归真实情境，去尝试解决“铁狮子”的防腐蚀的实际问题，增强学生运用化学知识解决实际问题的能力和用化学服务于社会发展的责任感。 【过渡】为了传承沧州文明，弘扬狮城文化，2009年沧州市政府决定重铸铁狮雄魂。2011年新建成的“铁狮子”在沧州狮城公园华彩亮相。新建铁狮重约100吨，体积是原铁狮的1.32倍，被世界纪录协会认证为世界上一次性整体浇铸体积最大的铁狮子，并被冠以“沧州狮子王”称号。它不仅是沧州的文化地标，更是沧州铸造工艺迈向新高度的象征（沧州铁狮由沧州市泊头市铸造完成）。 而它的设计寿命长达2000年。那么铁狮子采取了哪些防腐蚀的措施呢？揭秘真相：“铁狮子”真正的防腐蚀措施。 【总结】金属防护包括:生产设计、选材、防腐措施、施工、监测、管理和维护等环节，需要进行综合评价和决策。 聆听、感悟、理解。 了解到“铁狮子”防护措施如下: 1.原材料控制 2.铸造工艺优化 3.出厂前防护措施 （1）表面处理 （2）防腐涂层 （3）封孔处理（如果有工艺孔等）4.定期检测 5.定期维护 6.环境控制 通过介绍沧州新建铁狮的情况，增强学生对家乡的认同感，增强对沧州高超的铸造工艺的自豪感，激起学生热爱家乡、建设家乡的豪情壮志。 通过学习“铁狮子”在现代铸铁工业中真正的防腐蚀措施，帮助学生将课本所学理论知识与实际生产生活有机地联系起来，促使学生将所学理论知识更好地应用到实际生产生活中。 【总结】金属腐蚀在地球上时刻都在发生，腐蚀不仅造成经济损失，也常造成安全事故。所以金属的腐蚀与防护是一项非常重要的课题。金属腐蚀虽不可避免，却并非无法控制。期待同学们以后研究并推广防止金属腐蚀的新方法和新技术，也期待同学们未来投身到耐腐蚀新型材料的研究中，为人类可持续发展做出贡献。 聆听、感受、思考。 让学生意识到耐腐蚀材料和防腐蚀方法和技术对人类可持续发展的重要性，能够增强学生的社会责任感，促使他们努力为解决实际问题、推动社会进步贡献自己的力量。 六、作业设计 作业类型 问题 难度 基础知识 巩固提升 1.以下属于金属发生化学腐蚀的例子是（ ） A.铁在潮湿空气中生锈 B.铜在加热条件下被氧气氧化 C.铁和铜在海水中形成原电池而被腐蚀 D.镀锌铁表面破损后锌被腐蚀保护铁 2.下列金属防护方法中，利用原电池原理的是（ ） A.涂油漆 B.牺牲阳极的阴极保护法 C.加保护层 D.放置在干燥处 3. 下列金属制品在使用和保存过程中，最应该注意防锈的是（ ） A.铝合金窗框 B.不锈钢菜刀 C.铁质自来水管 D.金项链 ★ 联系实际 思维拓展 请简要说明牺牲阳极的阴极保护法和外加电流的阴极保护法的原理和主要应用场景。 ★★ 走进社会 问题解决 假如你是一个城市建设规划者，城市中有大量的金属雕塑和金属公共设施，从金属腐蚀与防护角度，阐述你在规划和建设过程中会采取哪些措施来保证这些金属物品的长期保存和美观。 ★★★ 七、教学反思 1.在传感器技术支持下，从创设真实化学情境、提炼核心探究问题、运用技术揭示原理、直观呈现实验结果、回归情境解决问题五个方面设计并实施技术支持下问题情境导向的探究教学模式，旨在提高教学效果，促进教学变革与创新。本节课结合沧州“铁狮子”腐蚀的原理和防腐蚀的实际问题情境，开展“金属的腐蚀与防护”单元教学，引导学生探究钢铁电化学腐蚀的原理，提高了学生的实验设计、实践探究、观察分析、证据推理等多种能力，增强了学生运用化学知识解决实际问题的能力和用化学服务于社会发展的责任感。 2.本节课通过传统实验和数字化实验（包括压强传感器和数码显微镜）相结合，目的是让学生在观察到实验现象的过程中感知铁生锈过程中的物质变化，并搜集到一系列证据将铁的腐蚀与电化学反应进行关联。学生在教师的引导下，在电化学认知模型的基础上，循序渐进地建立铁的电化学腐蚀的模型，并能够从宏--微--符三个角度进行表征。学生在此过程中发展了“证据推理与模型认知”的化学核心素养。 3.本节课运用希沃白板软件对学生实验过程中的图片进行投屏，进行直观展示，使学习内容更加生动形象，提高了学生的学习积极性和兴趣。并将课堂学案完成情况进行投屏，实现实时反馈和评价，实现了教学的互动性，极大地增强了课堂教学效果。 学科网（北京）股份有限公司 $