電化學(xué)理論建立的概念基礎(chǔ)探究

張菊芳

（大同大學(xué) 大同師范分校，山西 大同 037039）

一、化學(xué)概念及其特征

化學(xué)概念是有關(guān)物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、變化的本質(zhì)屬性及其規(guī)律在人們頭腦中的科學(xué)反映，是將化學(xué)現(xiàn)象、化學(xué)事實經(jīng)過比較、綜合、分析、歸納等方法抽象出來的理性知識?；瘜W(xué)概念是化學(xué)學(xué)科基本結(jié)構(gòu)中非常重要的一部分，是化學(xué)知識網(wǎng)絡(luò)中的骨架。它具有基礎(chǔ)性、抽象性和階段性的明顯特征。

電化學(xué)理論也是化學(xué)學(xué)科中的一個核心概念單元，它是研究化學(xué)能與電能之間相互轉(zhuǎn)化及在這種轉(zhuǎn)化過程中出現(xiàn)的有關(guān)現(xiàn)象的學(xué)科。它既是中學(xué)化學(xué)學(xué)科理論的重要組成部分，也是大學(xué)物理化學(xué)中的重要內(nèi)容。它從化學(xué)的角度促使學(xué)生了解電能和化學(xué)能是可以相互轉(zhuǎn)化的，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識電化學(xué)現(xiàn)象的本質(zhì)。更為重要的是，電化學(xué)理論是建立在諸多其他化學(xué)概念知識的基礎(chǔ)之上的，其中涉及到能量轉(zhuǎn)化與守恒、氧化還原反應(yīng)、金屬性質(zhì)的比較、物理學(xué)的基本電學(xué)知識（閉合回路）、電子守恒、氧化還原反應(yīng)的拆分與合并、離子方程式的書寫，等等。

二、電化學(xué)理論建立的化學(xué)概念基礎(chǔ)

1.電化學(xué)理論的能量轉(zhuǎn)化基礎(chǔ)

電化學(xué)中最基本的概念是原電池與電解池，大多數(shù)教材都是從能量轉(zhuǎn)化的角度對這兩個概念進(jìn)行定義的。所以電化學(xué)理論涉及的第一個概念基礎(chǔ)是能量轉(zhuǎn)化與守恒定律：化學(xué)反應(yīng)過程必然伴隨著能量的變化，而且不同形式的能量之間是可以相互轉(zhuǎn)化的，只要有能量轉(zhuǎn)化，就一定服從能量守恒的規(guī)律。化學(xué)變化總是伴有能量的改變，這是化學(xué)變化的能量特征。

電化學(xué)中對原電池和電解池的概念一般是這樣定義的：原電池是把化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能的裝置，電解池是把電能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能的裝置。原電池是通過化學(xué)反應(yīng)使閉合電路中產(chǎn)生電子流動，從而產(chǎn)生電流的。其電化學(xué)反應(yīng)是不可逆的，只能將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能。而電解池則是在外加電流的作用下，在電解池的陰、陽兩極上發(fā)生氧化還原反應(yīng)，從而產(chǎn)生化學(xué)能。

這兩大概念之間的共同點：都是通過發(fā)生氧化還原反應(yīng)來實現(xiàn)化學(xué)能與電能之間的相互轉(zhuǎn)化，只不過轉(zhuǎn)化的方式正好相反。但無論是原電池將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能還是電解池將電能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能都是化學(xué)變化中能量轉(zhuǎn)化的兩種基本形式，故在這兩種能量的轉(zhuǎn)化過程中都遵循著能量守恒的定律。所以說電化學(xué)理論首先是建立在能量轉(zhuǎn)化和守恒定律的基礎(chǔ)之上的。

2.電化學(xué)理論的本質(zhì)是氧化還原反應(yīng)

氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)是在反應(yīng)物之間有電子的轉(zhuǎn)移。但是在通常情況下，氧化還原反應(yīng)不能獲得電流，也不能實現(xiàn)能量間的相互轉(zhuǎn)化。那么在原電池和電解池中能量的轉(zhuǎn)化究竟是怎樣實現(xiàn)的呢？

（1）原電池的工作原理。原電池的構(gòu)成條件有四個：有活潑性不同的材料做電極；有電解質(zhì)溶液；形成閉合回路；有能自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)。原電池反應(yīng)雖然是氧化還原反應(yīng)，但又不同于一般的氧化還原反應(yīng)。一般的氧化還原反應(yīng)中，電子轉(zhuǎn)移是通過氧化劑和還原劑之間直接接觸實現(xiàn)的；而原電池中的氧化還原反應(yīng)是還原劑在負(fù)極上失去電子被氧化；電子通過外電路轉(zhuǎn)移到正極上，氧化劑在正極上得到電子被還原，從而實現(xiàn)還原劑與氧化劑之間電子的轉(zhuǎn)移。在原電池中，溶液中的離子在兩極之間做定向移動和外部導(dǎo)線中電子的定向移動構(gòu)成了閉合回路，兩個電極反應(yīng)能夠不斷進(jìn)行，從而產(chǎn)生電流實現(xiàn)化學(xué)能向電能的轉(zhuǎn)化。這樣從能量轉(zhuǎn)化角度看，原電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置；而從化學(xué)反應(yīng)角度看，原電池的原理是氧化還原反應(yīng)中還原劑失去的電子經(jīng)外接導(dǎo)線傳遞給氧化劑，使氧化還原反應(yīng)分別在兩個電極上進(jìn)行。

（2）電解池的工作原理。電解池的構(gòu)成條件也有四個：構(gòu)成閉合回路；有電解質(zhì)溶液；有兩個電極；有直流電源。在電解池中，通電前電解質(zhì)溶液中存在著自由移動的離子。通電時在電極的作用下，原先自由移動的離子改做定向運(yùn)動：陰離子趨向陽極，陽離子趨向陰極。當(dāng)這些離子到達(dá)電極時就失去或獲得電子，發(fā)生氧化還原反應(yīng)，這個過程叫做放電：即把電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。其中，陰離子在陽極上失電子發(fā)生氧化反應(yīng)；陽離子在陰極上得電子發(fā)生還原反應(yīng)?？傊瑹o論是原電池還是電解池，它們之所以能夠?qū)崿F(xiàn)能量的相互轉(zhuǎn)化，其本質(zhì)原因是在這兩種裝置中都發(fā)生了氧化還原反應(yīng)。因此，電化學(xué)理論又是建立在氧化還原反應(yīng)的概念基礎(chǔ)之上的，并進(jìn)一步延伸了氧化還原反應(yīng)概念的相關(guān)知識。

電化學(xué)中的氧化還原反應(yīng)是一個復(fù)雜的過程，學(xué)生在學(xué)習(xí)中一般都不容易理解。但是在電化學(xué)的教材中通常會在電子轉(zhuǎn)移與氧化還原反應(yīng)之間為學(xué)生建立一座合適的橋梁——氧化還原半反應(yīng)，這樣學(xué)生在理解和掌握時就容易多了。

（3）氧化還原反應(yīng)的拆分與合并。氧化還原反應(yīng)是由氧化反應(yīng)、還原反應(yīng)兩個半反應(yīng)組成的，二者相加即得總反應(yīng)。反過來，一個完整的氧化還原反應(yīng)方程式也可以拆開寫成兩個半反應(yīng)式，一個是氧化反應(yīng)式，一個是還原反應(yīng)式。在電化學(xué)中共有兩類氧化還原反應(yīng)，一類是可以自發(fā)進(jìn)行的反應(yīng)，就是原電池反應(yīng)；另一類是不能自發(fā)進(jìn)行的，必須通過電解來實現(xiàn)，就是電解池的反應(yīng)。但它們的本質(zhì)是一樣的，都是可以拆分與合并的氧化還原反應(yīng)。在原電池中，以Cu-Zn原電池（帶鹽橋）為例，其中鋅和鋅鹽溶液組成鋅半電池，銅和銅鹽溶液組成銅半電池，中間通過鹽橋連接起來。在正、負(fù)兩極上發(fā)生的是氧化、還原半反應(yīng)，分別為：

負(fù)極（鋅）：Zn-2e-＝Zn2+（氧化反應(yīng)）（1）式

正極 （銅）：Cu2++2e-＝Cu（還原反應(yīng)）（2）式

將兩個半反應(yīng)式（1）式（2）相加可得總反應(yīng)為：Zn+Cu2+＝Zn2++Cu

在電解池中也是如此。在這兩種電化學(xué)裝置中，將這兩類電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行拆分，使學(xué)生先認(rèn)識半反應(yīng)中的電子的得失，再進(jìn)一步理解整個電化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)其實就是氧化還原反應(yīng)，只不過是把一個完整的氧化還原反應(yīng)拆分成兩個半反應(yīng)而已。任何一個氧化還原反應(yīng)都可以拆分成氧化、還原兩個半反應(yīng)，且拆分時都遵循得失電子守恒的原理。

（4）涉及電子守恒定律。電子守恒是指在氧化還原反應(yīng)中，還原劑失電子的總數(shù)與氧化劑得電子的總數(shù)相等。上述Cu-Zn原電池中，從正、負(fù)極的半反應(yīng)式（1）、（2）可以看到，正、負(fù)極上得失的電子總數(shù)是相等的；同理，在所有電解池的兩個半反應(yīng)式中也可以看到這點。所以在電化學(xué)的反應(yīng)中，因為發(fā)生的是氧化還原反應(yīng)，所以遵循著電子守恒的原理，特別是在書寫電極反應(yīng)時，必須要遵守得失電子數(shù)目相等的規(guī)則。

3.電化學(xué)理論涉及了金屬的活動性順序

在電化學(xué)理論中，無論是研究原電池、電解池的反應(yīng)機(jī)理或判斷它們的電極反應(yīng)，還是研究與之有關(guān)的金屬腐蝕與防腐等問題，都離不開電極。通常充當(dāng)電極的材料可以是金屬與金屬或金屬與導(dǎo)電的非金屬，在電極上會有電子的得失，而電子的得失即金屬的活潑性。根據(jù)電化學(xué)反應(yīng)裝置中電極的材料，金屬活動性的強(qiáng)弱在電化學(xué)反應(yīng)中的具體應(yīng)用表現(xiàn)為：

（1）根據(jù)金屬的活動性強(qiáng)弱來判斷原電池的正負(fù)極。原電池中的負(fù)極是失電子的一極，一般活動性強(qiáng)的金屬才容易失去最外層上的電子。正極和負(fù)極之間必須有電勢差，電子才能定向移動，所以正極和負(fù)極不能用同種材料，正極材料的活動性一般不如負(fù)極強(qiáng)。因此根據(jù)這一特點，可以判斷原電池的正負(fù)極：較活潑的金屬為負(fù)極，較不活潑的金屬或能導(dǎo)電的非金屬為正極。反過來，也可以利用原電池的反應(yīng)原理，判斷不同金屬（或陽離子）的還原性（或氧化性）的相對強(qiáng)弱。在原電池中做負(fù)極的金屬失電子，在電極上失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)，故活潑性較強(qiáng)；氧化性強(qiáng)的陽離子在正極上獲得電子，發(fā)生還原反應(yīng)，故正極材料不活潑。

（2）由金屬的放電順序判斷電解池的電極產(chǎn)物和電極反應(yīng)。在電解池中，與電源的正極相連的電極稱為陽極。陽極吸附陰離子，陰離子在陽極上失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)。與電源的負(fù)極相連的電極稱為陰極。陰極吸附陽離子，陽離子在陰極上得到電子發(fā)生還原反應(yīng)。通常，根據(jù)金屬的放電順序可以判斷電解時電極的產(chǎn)物。

第一，陽極產(chǎn)物的判斷：當(dāng)陽極的電極材料為金屬（Pt或Au除外）時，通電后做電極的金屬失去電子變成金屬離子，進(jìn)入到電解質(zhì)溶液中，溶液中的陰離子就不能失電子；當(dāng)陽極的電極材料是惰性物質(zhì)（如Au、Pt或石墨）時，通電后溶液中的陰離子在陽極上失去電子。當(dāng)溶液中同時存在多種陰離子時，還原性強(qiáng)的離子先失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)。常見陰離子的還原性由強(qiáng)到弱的順序是：活性電極＞S2-＞I—＞Br—＞Cl-＞OH-＞含氧酸根離子（如-、NO3-等）＞F-。Cl-和OH-在電解時的電極反應(yīng)式分別是：

因為水電離能夠產(chǎn)生OH-，所以電解含氧酸鹽溶液時，在陽極上是OH-放電生成氧氣，而含氧酸根離子不發(fā)生變化。

第二，陰極產(chǎn)物的判斷：在陰極上發(fā)生還原反應(yīng)的是溶液中的陽離子。當(dāng)溶液中存在多種陽離子時，按金屬活動性順序，越不活潑的金屬，其陽離子的氧化性越強(qiáng)，越容易被還原。陽離子放電順序為：Ag+＞Fe3+＞Cu2+＞H+。在水溶液中，鋁之前的金屬的陽離子不可能被還原。

（3）利用金屬活動性的強(qiáng)弱不同，對金屬的蝕腐進(jìn)行防治。金屬腐蝕的本質(zhì)就是金屬原子失去電子而被氧化的過程。金屬腐蝕有化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕兩大類型。人們認(rèn)識到金屬發(fā)生電化學(xué)腐蝕的原因是在金屬表面形成了原電池。而且，總是作為原電池負(fù)極（陽極）的金屬被腐蝕，作為正極（陰極）的金屬被保護(hù)?；顫娦圆煌膬煞N金屬，活潑性差別越大，腐蝕越快。如果能讓被保護(hù)的金屬成為正極（陰極），則該金屬就不會被腐蝕。因此就有了犧牲陽極的陰極保護(hù)法和外加電流的陰極保護(hù)法兩種金屬的電化學(xué)防護(hù)措施。而這也正是利用了金屬的活動性強(qiáng)弱的性質(zhì)。

三、結(jié)束語

以上即為電化學(xué)理論建立的三大主要概念基礎(chǔ)。從中可以看出：首先，電化學(xué)理論并不是一個獨立的概念體系，相反，它是建立在能量轉(zhuǎn)化與守恒定律、氧化還原反應(yīng)原理以及金屬的活動性、離子反應(yīng)等一系列知識體系的基礎(chǔ)之上，是這些知識體系的綜合運(yùn)用和延伸，并與它們共同結(jié)合，進(jìn)一步形成了完整的化學(xué)知識體系。同時它還蘊(yùn)涵著跨學(xué)科的綜合知識點，涉及電化學(xué)與物理學(xué)中電學(xué)知識的綜合理解和運(yùn)用，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維與綜合能力的切入點。其次，使學(xué)生完整地了解電化學(xué)理論建立的概念基礎(chǔ)，是使學(xué)生深入理解電化學(xué)理論的本質(zhì)的重要手段，同時也是使學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中自主建構(gòu)化學(xué)基本概念體系、提高學(xué)習(xí)效率、培養(yǎng)學(xué)生自主能力的有效途徑。

［1］2012年高考化學(xué)二輪專題考點復(fù)習(xí)教案［EB／OL］.（2012-04-01）.http：／／www.5ykj.com／.

［2］李丹.高中化學(xué)課堂教學(xué)研究性學(xué)習(xí)的研究［D］.石家莊：河北師范大學(xué)，2006.

［3］胡勝利，周愛華.化學(xué)概念心理表征的初步研究［J］.心理科學(xué)，2006，（2）.