基于家庭实验的高中化学探究性作业设计

摘要

设计并开发了一组铁丝吸氧腐蚀的家庭化学实验。利用茶多酚替代K₃［Fe（CN）₆］溶液，实现对腐蚀产物Fe²⁺的无毒化检测。实验系统探究了原电池效应、温度、电解质（NaCl）浓度及正极材料对吸氧腐蚀速率的影响。该实验操作简便、安全可靠且现象直观，不仅有助于学生深入理解金属腐蚀原理，更能有效提升其实验探究能力，落实化学学科核心素养的培养。

Graphical abstract

关键词

吸氧腐蚀 / 铁 / 茶水 / 家庭实验 / 探究性作业 / 反应速率

化学实验作为化学学科的重要载体，既是化学科学与工业发展的基石，也是开展化学研究与学习的关键途径。然而，有学者指出，当前高中化学实验教学现状仍不容乐观，主要表现为以下三方面：其一，仪器设备老化滞后，难以匹配新教材的实验需求；其二，受传统教育与应试观念影响，部分教师重理论轻实验，常以视频演示替代实际操作，缺乏开展实验教学的内生动力；其三，即便开展实验，也多采用“讲实验”的灌输模式，剥夺了学生动手探究的机会。

针对学生实验探究缺失的现状，一线教师提出将实验教学延伸至家庭，通过指导开展家庭化学实验弥补校内不足^［1］。这一举措不仅打破了时空限制，促进了学生对知识的迁移与应用，更有力地推动了学生实验技能与化学学科核心素养的协同发展。

1 实验分析

金属的腐蚀是高中化学的重要内容之一，《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》指出，学生应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，且课标还建议师生开展关于吸氧腐蚀的实验探究活动^［2］。

人教版高中化学《选择性必修1•化学反应原理》给出了探究铁钉吸氧腐蚀的实验方案，该实验方案为了证明铁钉在吸氧腐蚀过程中生成了Fe²⁺，使用K₃［Fe（CN）₆］溶液进行检测，并指出Fe²⁺与黄色的K₃［Fe（CN）₆］溶液反应会生成Fe₃［Fe（CN）₆］₂沉淀，该沉淀带有特征蓝色。

该实验操作简单、过程安全且现象明显，可以促进学生对铁的吸氧腐蚀的理解，若能找到K₃［Fe（CN）₆］溶液的替代品，便可指导学生在家庭中探究铁的吸氧腐蚀。

高中化学教师在进行“铁及其化合物”的教学时经常会展示这样一个实验，即茶水与硫酸亚铁药片混合后，茶水的颜色会加深，向深色的茶水中继续加入维生素C药片后，茶水的颜色又会变浅^［3］。对此，董顺等^［4］进行了详细的解释，茶水遇硫酸亚铁后颜色变深是因为茶叶中富含茶多酚，这种酚类物质与Fe²⁺反应生成了类似于鞣酸亚铁的茶多酚亚铁络合物，这使得Fe^Ⅲ与Fe^Ⅱ之间的电极电势大幅降低，Fe^Ⅱ的还原性增强，迅速被氧化成类似于鞣酸铁的茶多酚铁，而茶多酚铁是一种蓝黑色的沉淀。

基于该原理，笔者联想到可以利用茶水中的茶多酚代替K₃［Fe（CN）₆］溶液，用于检测铁在吸氧腐蚀过程中产生的Fe²⁺。铁合金在生活中非常常见，比如铁钉、图钉、铁丝等，生活中常用的一次性口罩的鼻夹条中就含有铁丝，可作为废旧资源再利用。以鼻夹条中的铁丝为材料，结合茶水等物质设计家庭实验，指导学生在家中探究铁的吸氧腐蚀。

2 实验设计

2.1 探究原电池对铁丝吸氧腐蚀速率的影响

【实验材料】铁丝（实验所用铁丝均来自一次性医用口罩的鼻夹条）、纯净水、铝条（由铝箔纸卷曲制得）、铅笔芯、茶叶、氯化钠、一次性杯子、塑料餐盒。

【实验步骤】第一步，准备3根铁丝，第一根铁丝弯曲缠绕在铅笔芯上，第二根铁丝仅弯曲但不缠绕在其他物体上，第三根铁丝弯曲缠绕在铝条上，具体实物见图1。第二步，取适量的食盐和茶叶放入一次性杯子内，再向杯中加入纯净水，最后过滤除去茶叶，得到溶有食盐的茶水。第三步，将溶有食盐的茶水倒入塑料餐盒内（合适的容器均可），然后将处理过的3根铁丝浸没在茶水中，铁丝之间应间隔一定的距离。

【实验现象】几分钟后，我们可观察到缠绕在铅笔芯上的铁丝（图1左）周围产生的蓝黑色物质最多，缠绕在铝条上的铁丝（图1右）周围产生的蓝黑色物质最少，仅弯曲但不缠绕其他物体的铁丝（图1中）周围蓝黑色物质的生成量处于前两者之间。

【实验结论】在相同条件下，铁丝在盐水中的腐蚀速率为：处于原电池负极的铁丝＞普通的铁丝＞处于原电池正极的铁丝。

【实验原理】铁丝与铅笔芯缠绕在一起后，铁丝作负极，铅笔芯作正极。相较于普通的铁丝，处于原电池负极的铁丝发生吸氧腐蚀的速率加快。铁丝与铝条缠绕在一起后，铝条作负极，铁丝作正极，铝条发生吸氧腐蚀，铁丝处于被保护的状态，其发生吸氧腐蚀的速率大幅降低。

【实验设计意图】通过“铁丝+铅笔芯”和“铁丝+空白”这两组实验的对比，帮助学生认识到电化学腐蚀的速率更快，其对金属的危害也更大。通过“铁丝+铝条”和“铁丝+空白”这两组实验的对比，帮助学生认识到牺牲阳极的阴极保护法对金属的保护具有非常显著的效果。

2.2 探究温度对铁丝吸氧腐蚀速率的影响

【实验材料】铁丝、铅笔芯、纯净水、茶叶、氯化钠。

【实验步骤】第一步，准备3根铁丝和3根铅笔芯，将铁丝弯曲缠绕在铅笔芯上。第二步，用室温下的纯净水浸泡茶叶，然后滤去茶叶得到茶水，最后向茶水中加入适量的氯化钠。第三步，将溶有食盐的茶水分为3份，第一份放在室温下，第二份冰水浴降温，第三份热水浴加热，得到3份温度不同的茶水。第四步，将缠绕在铅笔芯上的3根铁丝分别放入3份温度不同的茶水中。

【实验现象】图2中的3份茶水，从左往右温度依次升高。放入铁丝几分钟后，温度最高的茶水中生成的蓝黑色物质最多，温度最低的茶水中生成的蓝黑色物质最少。

【实验结论】在其他条件相同的情况下，溶液温度升高，铁丝发生吸氧腐蚀的速率加快。

【实验原理】温度升高，为化学反应提供了所需的活化能，吸氧腐蚀的速率会加快。

【实验设计意图】该实验不仅帮助学生直观感知温度对反应速率的影响，更着重培养学生控制变量的实验设计能力。

2.3 探究氯化钠溶液的浓度对铁丝吸氧腐蚀速率的影响

【实验材料】铁丝、铅笔芯、纯净水、茶叶、氯化钠。

【实验步骤】第一步，准备3根铁丝和3根铅笔芯，将铁丝弯曲缠绕在铅笔芯上。第二步，用纯净水浸泡茶叶，过滤除去茶叶后，将茶水分为3份，第一份不加食盐，第二份加入少量食盐，第三份加入大量食盐，遂得到3份氯化钠浓度不同的茶水。第三步，将缠绕在铅笔芯上的3根铁丝分别放入3份氯化钠浓度不同的茶水中。

【实验现象】图3中的茶水，从左往右氯化钠浓度依次升高。放入铁丝的几分钟后，氯化钠浓度最高的茶水中生成的蓝黑色物质最多，氯化钠浓度最低的茶水中生成的蓝黑色物质最少。

【实验结论】在其他条件相同的情况下，氯化钠的浓度升高，铁丝吸氧腐蚀的速率加快。

【实验原理】氯化钠在水中溶解并电离产生了钠离子与氯离子，起到了加快原电池反应中电子转移的作用^［5］。

【实验设计意图】通过设置氯化钠浓度梯度，旨在帮助学生直观感知电解质对腐蚀速率的定量影响，从而建立起“结构—性质—应用”的化学思维模型。同时，在探究浓度、温度及正极材料等多重因素的实验中，刻意引导学生体会控制变量法的重要性，使其在解决真实问题的过程中，深化对原电池工作原理的理解，提升科学探究与创新意识的核心素养。

2.4 探究正极材料对铁丝吸氧腐蚀速率的影响

【实验材料】铁丝、铅笔芯、铜丝、纯净水、茶叶、氯化钠、塑料餐盒。

【实验步骤】第一步，准备两根铁丝，一根铁丝弯曲缠绕在铅笔芯上，另一根铁丝弯曲缠绕在铜丝上。第二步，用纯净水浸泡茶叶，然后滤去茶叶得到茶水，最后向茶水中加入氯化钠。第三步，将溶有氯化钠的茶水倒入塑料餐盒内（合适的容器均可），然后将处理过的两根铁丝浸没在茶水中，铁丝之间应间隔一定的距离。

【实验现象】几分钟后，缠绕在铅笔芯上的铁丝（图4左）周围产生的蓝黑色物质较少，缠绕在铜丝上的铁丝（图4右）周围产生的蓝黑色物质较多。

【实验结论】在其他条件相同的情况下，铁丝的吸氧腐蚀速率会受到正极材料的影响。

【实验原理】不同的电极材料之间会产生不同的电动势，从而影响到原电池的反应速率。

【实验设计意图】通过该实验，引导学生对比不同正极材料的催化活性与导电差异，直观感知其在加速或抑制吸氧腐蚀中的作用，从而深化对原电池反应中界面电子转移机制的认知。

3 反思与体会

3.1 实验评价

该家庭实验的实验步骤简单、实验现象明显、实验用品易得，适合学生在家庭中开展。该实验利用茶水中的茶多酚代替K₃［Fe（CN）₆］溶液，实现了对铁吸氧腐蚀过程中产生的Fe²⁺的检测，将微观世界产生的微量的Fe²⁺以宏观肉眼可见的蓝黑色呈现出来，实现了对铁丝的吸氧腐蚀的可视化探究。该实验从多个角度定性探究了影响铁丝吸氧腐蚀速率的因素，旨在加深学生对铁的吸氧腐蚀的理解，激发学生对化学学科的兴趣，增强学生的实验探究能力，提升学生的化学学科核心素养。

3.2 实验拓展

利用茶多酚与Fe²⁺的反应原理探究铁丝的吸氧腐蚀，基于该原理还可以设计出电解池的家庭趣味实验。例如，可以将9 V电池作为直流电源，将铁丝作为电极材料，去电解溶有食盐的茶水。实验过程中，可以观察到阳极周围迅速产生蓝黑色物质，阴极表面有无色气泡产生。阳极上发生的反应为Fe-2e^-=Fe²⁺，Fe²⁺与茶水中的茶多酚作用生成蓝黑色物质；而阴极上发生的反应为2H₂O+2e^-=H₂↑+2OH^-，其电极表面的气泡为H₂。

3.3 实验注意事项

蓝黑色的茶多酚铁在水溶液中存在平衡体系，溶液呈酸性时，茶多酚铁会分解而无法呈现出蓝黑色^［5］。因此，利用茶水探究铁丝在酸性条件下发生的析氢腐蚀是不合适的。

参考文献

[1] 刘琦.基于化学核心素养的家庭实验作业设计：以“观察和描述物质的性质及变化”为例［J］.实验教学与仪器，2022，39（10）：22-23.

[2] 中华人民共和国教育部. 普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订） ［S］.北京：人民教育出版社，2020．

[3] 郭润.例谈促进学生化学学科核心素养发展的教学策略：以“铁三角”的教学设计为例［J］.高考，2021（07）：129-130.

[4] 董顺，程波.茶水与亚铁盐作用的实验探究［J］.化学教学，2021（07）：60-64.

[5] 王程杰.关注氯离子效应在中学化学实验中的应用［J］.化学教学，2015（11）：53-58.

基金资助

安徽省教育科学研究项目“指向深度学习的中学化学问题链教学设计与实践研究”(JKT24116)

淮南市教育科学研究项目“双减背景下的高中化学选择性必修1《化学反应原理》作业设计研究”(HNJK2025171)