銅鋅原電池作為原電池基本模型的局限及其突破

吳晗清+張娟+趙冬青

摘要：銅鋅原電池作為學(xué)生學(xué)習(xí)原電池的基本模型，不具備原電池工作原理的普適性，從而導(dǎo)致師生對(duì)原電池的理解存在諸多困境。對(duì)北京市某示范高中的158名高一學(xué)生進(jìn)行測(cè)試發(fā)現(xiàn)：絕大部分學(xué)生認(rèn)為“電極材料必然活潑性不同”，“電極材料的不同是產(chǎn)生電勢(shì)差的本質(zhì)原因”，學(xué)生對(duì)原電池工作原理的理解局限于銅鋅原電池模型。基于此，構(gòu)建了原電池認(rèn)知的通用模型，并提出相應(yīng)的教學(xué)建議。

關(guān)鍵詞：銅鋅原電池；原電池模型；局限性；教學(xué)建議；化學(xué)教學(xué)

文章編號(hào)：1005–6629（2017）1–0016–05 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

“原電池”是高中化學(xué)的核心概念，也是電化學(xué)的基礎(chǔ)，與生產(chǎn)、生活有著密切聯(lián)系。對(duì)于這部分學(xué)習(xí)，不僅要基于相關(guān)物質(zhì)的性質(zhì)、氧化還原反應(yīng)、電解質(zhì)、離子反應(yīng)、能量變化等知識(shí)的綜合理解和運(yùn)用[1]，還涉及物理學(xué)中電流產(chǎn)生的原因，電勢(shì)差等知識(shí)。初學(xué)階段，就要求學(xué)生能夠?qū)υ姵氐暮暧^現(xiàn)象進(jìn)行微觀、抽象的解釋；隨著學(xué)習(xí)的深入，原電池的種類越來(lái)越多，涉及的理論也更加抽象。在實(shí)際教學(xué)中，銅鋅原電池常作為學(xué)生對(duì)原電池的第一認(rèn)知模型，認(rèn)為“原電池由活潑性不同的電極材料、電解質(zhì)溶液、導(dǎo)線構(gòu)成”（負(fù)極反應(yīng)為Zn-2e-=Zn2+；正極反應(yīng)H++2e-=H2），這極易引發(fā)學(xué)生對(duì)于原電池模型及其工作原理的錯(cuò)誤理解。例如，學(xué)生通常認(rèn)為兩極一定為活潑性不同的材料，而較活潑的材料必為負(fù)極。甚至有學(xué)生認(rèn)為電極材料的差異是原電池產(chǎn)生電勢(shì)差的本質(zhì)原因。由此可見(jiàn)，學(xué)生對(duì)于原電池模型及其工作原理的理解存在大量的迷思概念。筆者通過(guò)實(shí)證研究的方式調(diào)查學(xué)生對(duì)于電極材料、電流產(chǎn)生原因、工作原理等內(nèi)容的理解，分析學(xué)生對(duì)于原電池模型及工作原理理解的癥結(jié)所在。筆者嘗試建構(gòu)有助于學(xué)生對(duì)于原電池工作原理深入理解的通用模型，并提出相應(yīng)的教學(xué)建議，以期為完善原電池內(nèi)容的教學(xué)現(xiàn)狀帶來(lái)教益。

1 銅鋅原電池作為原電池基本模型的局限性

1.1 不具備原電池工作原理的普適性

銅鋅原電池相對(duì)簡(jiǎn)單，新舊教材和大部分的教學(xué)也都將其作為學(xué)生對(duì)原電池的第一認(rèn)識(shí)模型，這種由淺入深的教學(xué)方式不可否認(rèn)存在一定的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也對(duì)于學(xué)生錯(cuò)誤概念的產(chǎn)生埋下了隱患。

首先，銅鋅原電池的兩個(gè)電極材料不同，但并非所有的原電池都要求兩個(gè)不同的電極材料，比如燃料電池。其次，大都認(rèn)為電勢(shì)差是由兩個(gè)不同的電極材料產(chǎn)生。由于鋅的失電子能力比銅的強(qiáng)，導(dǎo)致鋅的周圍電子相對(duì)富集。金屬的性質(zhì)越活潑其電極電勢(shì)就越低，當(dāng)連接兩個(gè)電極時(shí)，電子就從電勢(shì)低的鋅這一極向電勢(shì)高的銅這一極移動(dòng)[2]。但電勢(shì)差的產(chǎn)生絕非僅來(lái)自兩個(gè)不同的電極材料，還可以由氧化還原反應(yīng)的兩個(gè)半反應(yīng)電對(duì)以及溶液中電荷的不均勻分布產(chǎn)生。比如氫氧燃料電池的兩個(gè)電極材料相同，其液接電勢(shì)一樣，此時(shí)提供電勢(shì)差的是氫氣和氧氣發(fā)生氧化還原反應(yīng)的兩個(gè)半反應(yīng)電對(duì)[3]。溶液中電荷的不均勻分布引起陰、陽(yáng)離子的定向移動(dòng)。

再者，較活潑的鋅做負(fù)極，較不活潑的銅做正極。學(xué)生在大量題海訓(xùn)練時(shí)，如果學(xué)生沒(méi)有掌握原電池的本質(zhì)，往往會(huì)認(rèn)為較活潑的一極必是負(fù)極，而忽略離子導(dǎo)體的影響。比如鐵銅做電極材料，電解質(zhì)溶液分別為稀硫酸和濃硫酸的兩個(gè)原電池，總的氧化還原反應(yīng)不同，正負(fù)極也恰好相反。因?yàn)?，前者是鐵和稀硫酸的反應(yīng)，鐵是負(fù)極；后者是銅和濃硫酸的反應(yīng)，鐵則成了正極。

此外，鋅這一極既做載體又參與電極反應(yīng)，而銅這一極僅充當(dāng)載體。因此學(xué)生往往認(rèn)為負(fù)極的電極材料就一定參加電極反應(yīng)，而正極材料就一定不能參加。事實(shí)上，對(duì)于原電池來(lái)說(shuō)，如果氧化劑和還原劑可以充當(dāng)電極材料則優(yōu)先考慮；若不能，再考慮其他的材料，但選擇的電極材料不能影響總反應(yīng)。

1.2 導(dǎo)致師生對(duì)原電池工作原理的認(rèn)知困境

近年來(lái)原電池相關(guān)的考題越來(lái)越靈活，原電池也更加的抽象。在此情境下，如何讓學(xué)生對(duì)原電池的原理有更深層次的認(rèn)識(shí)，能夠促進(jìn)學(xué)生思維的多元發(fā)展，自主建構(gòu)原電池的通用模型，就顯得尤為重要。

首先，教材以銅鋅原電池引入，導(dǎo)致各種參考用書(shū)及教輔資料大都在銅鋅原電池的基礎(chǔ)上總結(jié)原電池的構(gòu)成條件：即兩個(gè)活潑性不同的金屬或者金屬與可導(dǎo)電的其他物質(zhì)；電解質(zhì)溶液；閉合回路；自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)。但當(dāng)學(xué)生學(xué)習(xí)氫氧燃料電池時(shí)就會(huì)產(chǎn)生困惑，它為何是兩個(gè)相同的電極材料，一些師生錯(cuò)誤地將其當(dāng)作原電池中的特例。

其次，學(xué)生學(xué)習(xí)銅鋅原電池的一大障礙是難以理解電子為何從鋅流向銅，使得氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)分別在兩極上發(fā)生。多數(shù)教師歸因于鋅的活潑性強(qiáng)于銅，從而導(dǎo)致學(xué)生認(rèn)為電子的移動(dòng)需要有兩個(gè)活性不同的電極。事實(shí)上，這里涉及電勢(shì)差產(chǎn)生的最根本的原因，即氧化還原反應(yīng)的兩個(gè)半反應(yīng)電對(duì)之間的電勢(shì)不同。

此外，銅鋅原電池僅是眾多原電池中的一種，師生易將其作為原電池的“標(biāo)本”，從而產(chǎn)生錯(cuò)誤的認(rèn)知。比如電極材料是否發(fā)生反應(yīng)，并非都像銅鋅原電池一樣，要求一極參加反應(yīng)而一極不反應(yīng)，還可以兩個(gè)電極材料均參與反應(yīng)，也可以均不參與反應(yīng)。

2 學(xué)生對(duì)原電池理解的實(shí)證研究

為了進(jìn)一步了解課堂觀察與訪談得到的原電池教學(xué)困境，筆者針對(duì)北京市某示范高中高一實(shí)驗(yàn)班的158名學(xué)生進(jìn)行紙筆測(cè)試，收回有效測(cè)試卷156份，有效率為98.7%。問(wèn)題主要涉及三個(gè)方面：學(xué)生對(duì)電極材料的理解、對(duì)原電池反應(yīng)的理解、對(duì)原電池工作原理的理解。為了保證研究的有效性，該測(cè)試在集中的時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行。

2.1 學(xué)生對(duì)電極材料的理解：大部分學(xué)生錯(cuò)誤地認(rèn)為“電極材料必然活潑性不同”

為了考察學(xué)生對(duì)電極材料的理解，筆者設(shè)計(jì)了“原電池中一定是較活潑的電極做負(fù)極”、“原電池中兩個(gè)電極材料一定是活潑性不同的”兩道題，讓學(xué)生進(jìn)行判斷并解釋說(shuō)明。具體結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出，有75.6%的學(xué)生能正確判斷“在原電池中不一定是較活潑的電極做負(fù)極”，通過(guò)原因分析發(fā)現(xiàn)，學(xué)生的解釋可以分為三個(gè)層面。其一，憑感覺(jué)作判斷，沒(méi)有提供任何合理的解釋，這類學(xué)生較少。其二，多數(shù)學(xué)生以舉反例的方式做判斷。有55%的學(xué)生將燃料電池作為反例，認(rèn)為“兩個(gè)電極可以是一樣的，如碳棒”；另有15%的學(xué)生認(rèn)為較不活潑金屬也可以作負(fù)極，比如Zn-Al-濃HNO3構(gòu)成的原電池。其三，通過(guò)分析原電池的本質(zhì)得出正確結(jié)論，僅占3.1%。這部分學(xué)生明確地指出“只要看氧化還原反應(yīng)中哪一極發(fā)生氧化反應(yīng)，其就做負(fù)極”。

由于絕大部分學(xué)生并未從本質(zhì)的角度來(lái)理解，有71.8%的學(xué)生堅(jiān)定地認(rèn)為“原電池的兩個(gè)電極材料一定是活潑性不同的”，其理由是“要想發(fā)生電子的轉(zhuǎn)移，電極必須不同”。

2.2 學(xué)生對(duì)電流產(chǎn)生原因的理解：大部分學(xué)生不能認(rèn)識(shí)原電池中電勢(shì)差產(chǎn)生的本質(zhì)原因

為了考察學(xué)生對(duì)原電池反應(yīng)的理解，筆者設(shè)計(jì)了以下問(wèn)題：從電子移動(dòng)的角度分析“原電池中的氧化還原反應(yīng)為何在兩極發(fā)生”，從離子在離子導(dǎo)體中移動(dòng)的角度分析“原電池中陰、陽(yáng)離子分別向哪一極移動(dòng)”，并解釋說(shuō)明。

學(xué)生大都能準(zhǔn)確地說(shuō)出：電子是由負(fù)極出發(fā)經(jīng)過(guò)導(dǎo)線流向正極，陰離子往負(fù)極移動(dòng)，陽(yáng)離子往正極移動(dòng)。但對(duì)于電子為何這樣移動(dòng)，少數(shù)學(xué)生能從電勢(shì)差的角度分析，但對(duì)于電勢(shì)差的理解局限于不同的電極材料產(chǎn)生的電極電勢(shì)不同；僅有極個(gè)別學(xué)生認(rèn)為“電極材料既可做電極反應(yīng)物，又可做反應(yīng)的載體，比如氫氧燃料電池”，能認(rèn)識(shí)到電勢(shì)差產(chǎn)生的最根本原因即氧化還原反應(yīng)的兩個(gè)半反應(yīng)電對(duì)之間的電勢(shì)不同。

2.3 學(xué)生對(duì)原電池工作原理的理解：局限于銅鋅原電池模型

通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，很少有學(xué)生能分清楚電極材料、電極反應(yīng)、電解質(zhì)溶液三者之間的關(guān)系。多數(shù)學(xué)生依據(jù)銅鋅原電池去分析它們之間的關(guān)系，局限地認(rèn)為：負(fù)極電極材料一定和電解質(zhì)溶液發(fā)生氧化反應(yīng)，變成陽(yáng)離子進(jìn)入溶液，正極則是溶液中的離子得電子發(fā)生還原反應(yīng)，而且必須用導(dǎo)線連接形成閉合回路。具體分析見(jiàn)表2。

原電池的內(nèi)容相對(duì)抽象，理論性和綜合性又強(qiáng)，學(xué)生只能通過(guò)邏輯推理和想象，無(wú)法通過(guò)直觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來(lái)理解原電池的工作原理，學(xué)生從微觀上理解微粒的移動(dòng)和所發(fā)生的反應(yīng)。

3 促進(jìn)學(xué)生有效認(rèn)知原電池的教學(xué)建議

課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)原電池的教學(xué)提出了以下的要求[4]：能夠舉例說(shuō)明化學(xué)能與電能的關(guān)系；經(jīng)歷化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的探究過(guò)程，了解原電池的工作原理，能寫(xiě)出電極反應(yīng)和電池反應(yīng)方程式。然而通過(guò)理論分析及實(shí)證研究發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)原電池的理解很大程度上受到銅鋅原電池的干擾。教材中缺少對(duì)電極的說(shuō)明，學(xué)生易將電極材料和電極反應(yīng)物混為一談，如果把銅鋅原電池作為第一認(rèn)知模型，并由此總結(jié)原電池的構(gòu)成條件，容易導(dǎo)致學(xué)生產(chǎn)生一些錯(cuò)誤的認(rèn)知。

因此教師如何幫助學(xué)生建構(gòu)原電池通用模型就顯得非常重要，只用銅鋅原電池去建構(gòu)學(xué)生對(duì)原電池的認(rèn)知模型顯然是不夠的，甚至是有害的。筆者基于對(duì)原電池系統(tǒng)的整體分析，設(shè)計(jì)了“兩個(gè)電極材料均不參與反應(yīng)”、“一個(gè)電極材料參與反應(yīng)”、“兩個(gè)電極均參與反應(yīng)”的原電池認(rèn)知教學(xué)方案。具體的典型案例見(jiàn)表3。

在教學(xué)中首先通過(guò)火力發(fā)電效率低，引入火力發(fā)電的實(shí)質(zhì)是想通過(guò)化石燃料燃燒最終實(shí)現(xiàn)向電能的轉(zhuǎn)化，由此引發(fā)學(xué)生思考：化學(xué)能通過(guò)什么途徑釋放出來(lái)？又如何能將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能？通過(guò)問(wèn)題線索引發(fā)學(xué)生思考，引導(dǎo)學(xué)生逐步認(rèn)識(shí)氧化還原反應(yīng)與電荷移動(dòng)的關(guān)系。在深入分析的基礎(chǔ)上得出，化學(xué)能向電能的轉(zhuǎn)化需要有電子的定向移動(dòng)，需要提供電子的裝置和接受電子的裝置。如何實(shí)現(xiàn)氧化還原反應(yīng)中電子的定向移動(dòng)，引出還原劑提供電子，氧化劑接收電子，兩極之間連接電子導(dǎo)體（如導(dǎo)線或者直接接觸）以及離子導(dǎo)體（電解質(zhì)溶液或熔融電解質(zhì)等）從而形成閉合的回路。學(xué)生在思考中逐步構(gòu)建基本模型：兩極的反應(yīng)物、兩極的電極材料、電子導(dǎo)體、離子導(dǎo)體?；诖?，在依次分析“兩個(gè)電極材料均不參與反應(yīng)”的氫氧燃料電池、“一個(gè)電極材料參與反應(yīng)”的銅鋅原電池、“兩個(gè)電極均參與反應(yīng)”的鉛蓄電池后，接下來(lái)從電極材料、電極反應(yīng)、原電池工作原理三個(gè)方面分別闡釋。

3.1 對(duì)電極材料和電極反應(yīng)物的探討

如上所述，根據(jù)電極材料是否參加反應(yīng)，可分為三類。首先討論氫氧燃料電池，引導(dǎo)學(xué)生分析其中的總反應(yīng)，確定還原劑和氧化劑。裝置的作用使得反應(yīng)不再需要點(diǎn)燃引發(fā)就可以直接進(jìn)行，其中電極反應(yīng)物分別是通入的H2和O2，電極材料是兩個(gè)相同的石墨。氫氣做還原劑發(fā)生氧化反應(yīng)，氧氣做氧化劑發(fā)生還原反應(yīng)。兩個(gè)相同的電極材料提供反應(yīng)發(fā)生的場(chǎng)所，但均不參加反應(yīng)。其次，對(duì)銅鋅原電池進(jìn)行分析，在思考總反應(yīng)的基礎(chǔ)上分析電極材料，鋅既做電極反應(yīng)物，又提供反應(yīng)場(chǎng)所；銅與稀硫酸不反應(yīng)，僅充當(dāng)載體。最后，分析“兩個(gè)電極均參與反應(yīng)”的鉛蓄電池，在給出其裝置和總反應(yīng)方程式的基礎(chǔ)上，探討兩個(gè)電極材料均參與反應(yīng)，鉛在負(fù)極被氧化，既做電極材料，又參與反應(yīng)；同樣氧化鉛在正極被還原，既做電極材料，又參與反應(yīng)。

3.2 對(duì)電流產(chǎn)生原因的探究

在教師提供電勢(shì)差資料的基礎(chǔ)上，學(xué)生分析三種類型原電池的電勢(shì)差產(chǎn)生的來(lái)源，引導(dǎo)學(xué)生分析電子導(dǎo)體中的電子移動(dòng)及離子導(dǎo)體中離子的運(yùn)動(dòng)。首先對(duì)氫氧燃料電池進(jìn)一步分析，兩個(gè)電極材料相同，它們之間不存在電勢(shì)差。但是通入的氫氣在界面上有發(fā)生氧化反應(yīng)的趨勢(shì)、電子相對(duì)富集；通過(guò)氧氣的這一極有得電子的趨勢(shì)，使得電子從電勢(shì)低的負(fù)極通過(guò)導(dǎo)線向正極移動(dòng)。電子在輸送的過(guò)程中，氫氣不斷地失電子，不斷有氫離子進(jìn)入溶液，氧氣這一極則源源不斷地得到電子發(fā)生氧化反應(yīng)。

3.3 對(duì)原電池工作原理的整體把握

整個(gè)設(shè)計(jì)是基于電極材料是否參與電極反應(yīng)，原電池是自發(fā)的氧化還原反應(yīng)提供電勢(shì)差，使得電流得以產(chǎn)生而展開(kāi)。在對(duì)三類原電池案例分析的基礎(chǔ)上，開(kāi)展學(xué)生活動(dòng)，以粘貼紙的形式更換電極材料、電極反應(yīng)物，以及電子導(dǎo)體、離子導(dǎo)體的方式，讓學(xué)生明白無(wú)論什么類型的原電池，其構(gòu)成的基本要素必須有：兩個(gè)電極材料、兩個(gè)電極反應(yīng)物、離子導(dǎo)體和電子導(dǎo)體[6]，只不過(guò)同一極的電極材料和電極反應(yīng)物可以相同也可以不同，從而建立原電池認(rèn)知的通用模型，以期消除以銅鋅原電池作為第一認(rèn)知模型帶來(lái)的教學(xué)困境，具體如圖1所示。

在上述通用模型中，一方面以“問(wèn)號(hào)”引發(fā)學(xué)生對(duì)原電池的電極材料與電極反應(yīng)物之間的關(guān)系進(jìn)行思考。對(duì)于鉛蓄電池，電極反應(yīng)物即電極材料本身，此時(shí)電極材料Pb和PbO2均“=”電極反應(yīng)物。有些則不然，如氫氧燃料電池的兩個(gè)鉑電極均“≠”電極反應(yīng)物H2和O2。因此，通用模型以“電極材料”、“等號(hào)”、“不等號(hào)”等內(nèi)容替換銅鋅原電池中的“銅”和“鋅”，在一定程度上增強(qiáng)了原電池模型的普適性。另一方面，電子和離子在電勢(shì)差的作用下，定向移動(dòng)至原電池的兩極。圖中“箭頭”表示電子導(dǎo)體中電子由負(fù)極移到正極，離子導(dǎo)體中陰離子向負(fù)極移動(dòng)，陽(yáng)離子向正極移動(dòng)。自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)是產(chǎn)生電勢(shì)差推動(dòng)電子或離子定向移動(dòng)的本質(zhì)原因。在銅鋅原電池模型中，學(xué)生無(wú)法對(duì)電勢(shì)差究竟產(chǎn)生于電極材料還是電極反應(yīng)做出有效判斷。而在通用模型中，“問(wèn)號(hào)”、“電極材料”、“等號(hào)”、“不等號(hào)”、“箭頭”等符號(hào)將抽象的概念原理進(jìn)行形象化，讓學(xué)生有效地建構(gòu)了對(duì)“原電池”的深度認(rèn)知。

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