高中電化學的教學問題探討及建議

莘贊梅

摘要： 電化學是中學化學教學的重點和難點，有很多值得深入思考和探討的問題。電化學主題是放在選擇性必修模塊“化學反應原理”第一章（單獨成章），離子的放電順序如何、怎樣書寫有水參與電解的電極反應、電化學主題中的化學史內容有哪些？針對教學中比較突出的幾個問題作深入探討。

關鍵詞： 電化學; 電極反應; 放電順序; 化學史

文章編號： 1005-6629（2020）03-0041-04

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

電化學一直以來都是中學化學教學的重點和難點，該內容主要分布在必修、選擇性必修模塊“化學反應原理”中。對于電化學這樣一個經典的核心專題，實踐中存在一些普遍性問題： 很多教師一般只能就教材而教，沒有整合教材內容的意識;一些教師不能全面地科學地理解學科知識，因而不能靈活地運用知識;有些問題涉及到教材的科學編寫，但也與任課教師對內容的準確把握息息相關，所以厘清電化學教學中存在的常見問題很有必要。下面針對教學中比較突出的幾個問題進行探討并給出教學建議。

1? 電化學主題放在哪里更合適？電解池和原電池的順序如何安排更好？

電化學內容從知識分類看，屬于化學基本概念和原理內容，是氧化還原反應理論的延伸和具體應用。從主題分類看，電化學屬于選擇性必修模塊“化學反應原理”三大主題之一——化學反應與能量，因而魯科版[1]、蘇教版[2]實驗教材均按主題呈現電化學內容，將電化學內容放在教材第一章，而人教版[3]實驗教材則將電化學內容單獨編排，位于教材的最后一章。從主題邏輯看，魯科版、蘇教版實驗教材的編排似乎更符合邏輯，但從學生的認知基礎和實踐效果看，由于電化學內容涉及電解質的電離等水溶液問題，如果放在水溶液之前講，知識有斷層、跳躍性大，不利于學生自主建構電化學的認知模型。所以，筆者認為將電化學內容放在水溶液的離子平衡之后講解更合適，水溶液中的離子平衡更有利于建立微粒觀。電化學是對微粒觀的深化和應用，也就是說，人教版教材的編排更符合學生的認知順序。

對于電解池和原電池的先后順序，人教版、蘇教版實驗教材是原電池在前電解池在后，而魯科版實驗教材則相反，但2019魯科版新教材樣書修訂了這一順序，也是原電池在前電解池在后。對比國外教材發(fā)現，美國《化學： 概念與應用》[4]將電解池放在原電池之前。為什么會有這些順序的差異，其思考的依據是什么值得我們去深思。從科學發(fā)展的歷史看，確實是原電池

發(fā)明在前電解池在后，這可能是國內教材編排的思考之一。從學生的認知基礎看，學生在初中、必修模塊中知道電解水、電解熔融氯化鈉制備鈉、電解熔融氧化鋁制備鋁等事實，學生所不知道的是如何從微觀角度分析。對于原電池，學生在必修階段已經學習了Zn|稀H2SO4|Cu單液原電池原理，所以，無論是原電池還是電解池，學生都是有認知基礎的。從知識的難度看，學生知道的電解事實容易幫助學生建構電解的概念，學生比較容易分析電解質溶液中微粒的來源和種類，在電流的作用下，結合氧化還原知識，較容易進行微觀的、動態(tài)的分析。電解的模型類型只有惰性電極和活性電極兩種類型，而原電池，從單液電池→雙液原電池→燃料電池→二次電池等，模型類型比較多，學習過程中容易產生迷思概念，很多學生對“氧化劑和還原劑不接觸就能自發(fā)反應”始終心存疑惑，不利于建構電化學的模型和分析思路，也就是說，電解池原理和模型比原電池更簡單，更容易建構電化學的認知模型，更適合建立“分析電化學問題的思路和方法”。在一標（課標）多本（教材）的今天，教師要有整合教材的意識，建議電解池放在原電池之前講解更合適。另外，在化學電源中需要介紹二次電池，而二次電池的充電過程就是電解原理，學生只有掌握了電解原理，才能充分理解二次電池的充電原理，這也是建議電解池放在原電池之前的重要原因。

2? 離子放電順序及電解問題的解釋

一般來說，常見陽離子的放電順序是： Ag+>Hg2+>Fe3+>Cu2+>H+>Pb2+>Sn2+>Fe2+>Zn2+>Al3+>Mg2+>Na+>Ca2+>K+。這個順序是怎么來的？這個順序是根據電極電勢數據的大小排列出來的，即： 上述金屬陽離子的放電順序與金屬的活動性順序相反，從左到右電極電勢的代數值逐漸減小，得電子能力逐漸減弱。需要注意的是，由于電極電勢是在溶液中測定的，所以金屬活動性順序僅適用于金屬和溶液間的反應，不適用于高溫和干態(tài)。比如： 工業(yè)上可用Na與KCl發(fā)生置換反應制取金屬K，因為K的沸點比Na、 NaCl、 KCl的沸點都低，且高于Na、 NaCl、 KCl的熔點，Na不揮發(fā)而K達到沸點而揮發(fā)，以蒸氣的形式離開反應體系，這樣反應就有利于向右進行。

當然，上述順序并不是一成不變的，由于超電勢的存在有可能使電解時電極上的放電順序發(fā)生改變。對于靠近H+且排在H+后的Pb2+、Sn2+、Fe2+、Zn2+等離子，當溶液中只有H+和這些金屬離子時，氫離子先放電，陰極上析出氫，由于氫有較大的超電壓（超電勢），而使其析出電位（電勢）更負，能使位于氫前面不遠的金屬（如Zn、 Fe等）離子放電，而得到相應金屬[5]。這樣，金屬離子的放電順序變?yōu)椋?Ag+>Hg2+>Fe3+>Cu2+>Pb2+>Sn2+>Fe2+>Zn2+>H+>Al3+>Mg2+>Na+>Ca2+>K+，這個順序比理論順序更符合實際。有了這個順序，就能解釋為什么電解ZnSO4溶液陰極可得到Zn，電鍍鋅時，陰極為什么是Zn2+放電而不是H+。

電極電勢的代數值越小，微粒越容易失去電子，所以，根據電極電勢數據得到的陰離子放電順序是： S2->OH->I->Br->Cl->含氧酸根離子，由于O2的超電勢較大，所以實際析出電勢增大，因此，實際放電順序常常是： S2->I->Br->Cl->OH->含氧酸根離子。這個順序與中學教師介紹給學生的順序是一致的，用這個順序才能解釋電解飽和氯化鈉溶液時Cl-優(yōu)于OH-放電。嚴宣申先生在《化學反應原理選講》中寫道： 電解NaCl溶液，Cl-、 OH-均可在陽極上被氧化，兩者的電極電勢： Cl2+2e-2Cl-? Eθ=1.36V; O2+2H2O+4e-4OH-? E=0.82V（NaCl液中[OH-]=10-7mol/L）。按說由電勢看，應該是OH-放電先于Cl-，但由于O2在石墨電極上的超電勢比Cl2大了許多，如I=1000A/m2（298K）時，Cl2在石墨電極上的超電勢為0.25V，而O2的超電勢為1.09V，所以石墨電極上Cl-優(yōu)于OH-放電[6]。但這個順序并不是永遠保持不變的，比如以石墨電極電解氯化鈉溶液，當c（Cl-）濃度變小、ECl2/Cl-數據變得更大，大于EO2/4OH-時，OH-先于Cl-放電，即存在OH-、 Cl-競爭放電。當然，離子放電能力與離子濃度、電流密度、電極材料的超電勢等多因素有關，所以，離子的放電順序是可變的。教師只有自己先科學地全面地理解上述學科知識，才可能準確地教授學科知識。建議在講解放電順序時，應該告知學生放電順序在不同條件下是不同的，切不可將知識講“死”了。比如，新課教學時通過電解飽和食鹽水的實驗事實得出了失電子能力是Cl->OH-，但在復習課的教學中，應該告知學生存在OH-、 Cl-競爭放電的事實，使學生的認識有進階地發(fā)展。

3? 如何書寫有水參與電解的電極反應

惰性電解H2SO4、 NaOH、 Na2SO4等溶液，相當于電解水，電解硫酸時陽極的電極反應可以寫成2H2O-4e-O2↑+4H+或4OH--4e-O2↑+2H2O。電解NaOH溶液的陰極反應可以寫成電解2H2O+2e-H2↑+2OH-或2H++2e-H2↑，中學教師多年來就是這樣教的。到底哪種寫法更符合邏輯和本質呢？從以往各版本教材和中學各類教輔看，凡是水中的H+或OH-放電的，都是直接寫成2H++2e-H2↑、 4OH--4e-O2↑+2H2O，如2019年以前的人教版[7]、魯科版[8]實驗教材中電解NaCl的陰極反應，均寫成2H++2e-H2↑。

在書寫有水參與電解的電極反應時，無論是教材還是大多數教輔材料，都存在人為規(guī)定的不足，造成學生前后認知的不統(tǒng)一，無形中給教學帶來了困難。不足主要體現在以下幾方面：

（1） 與離子反應的書寫原則造成矛盾。電極反應式是用來表示電解質溶液中的粒子（離子或分子）在兩極發(fā)生氧化還原反應生成新物質過程中的化學用語，應該與離子反應書寫的原則基本一致。離子反應是用參加反應的物質在水中的主要存在形式來表示化學反應的式子，因此教材提出“把易溶于水、易電離的物質寫成離子的形式，把難溶的物質、氣體和水（隨著學習的深入，拓展為難電離的物質）等仍用化學式表示”。按此原則，H+表示的是易溶于水、易電離的物質——強酸，而電解飽和食鹽水時，根據放電順序，陰極是水電離的H+獲得電子生成H2。水是一種極弱的電解質，發(fā)生微弱電離，根據“難電離的物質仍用化學式表示”這一原則，在書寫離子反應時只能寫成H2O這種化學式而不能寫成H+這種離子的形式，那么，電極反應書寫應該是： 2H2O+2e-H2↑+2OH-，而不應該寫成2H++2e-H2↑這種形式。這樣，用一個標準將離子反應的書寫和電極反應的書寫有機統(tǒng)一起來，既能讓教師在教的過程中有理有據，也不至于引起學生思維的混亂。

（2） 陰陽兩極的反應加和不能得出總的離子方程式。我們知道，無論是原電池原理還是電解原理，只是將氧化還原反應分開在兩極上進行，因此，將正、負（或陰、陽）兩極的電極反應加和，應該能得到總反應的離子方程式（或化學方程式），原電池原理的正、負兩極電極反應加和確實能得出總方程式，而電解原理中，陰、陽兩極反應加和有的不能得出總的離子方程式（比如電解食鹽水等），這給學生的認知造成很大的混亂，善于思考的學生經常會在教師講完電解后提出這個尖銳的問題。再如，電解鹽酸溶液的反應實質與電解飽和食鹽水是不同的，但陰極、陽極書寫的電極反應卻完全相同，這是人為規(guī)定的標準不統(tǒng)一造成的矛盾。

傅獻彩等《物理化學》教科書[9]的標準電極電勢表中表達： 酸性介質中，陽極： 2H2O-4e-O2↑+4H+，陰極： 4H++4e-2H2↑;在堿性溶液中，陽極： 4OH--4e-O2↑+2H2O，陰極2H2O+2e-H2↑+2OH-。

基于上述分析，無論是從離子反應的原則，還是從學生認知的發(fā)展來看，以往高中化學教材表達“水參與電解的電極反應”時存在與書寫離子反應相矛盾的瑕疵，所以應該改變原有的思維定勢，將電極反應的書寫習慣與離子反應的書寫原則統(tǒng)一標準，修改沿用了很多年而不符合學生認知的某些電極反應的書寫。中學教材中涉及到的主要是電解飽和食鹽水，應該按下式書寫更符合邏輯和學生認知： 陰極： 2H2O+2e-H2↑+2OH-;陽極： 2Cl--2e-Cl2↑;將陰、陽極反應加和，可得總的離子方程式： 2Cl-+2H2O電解2OH-+H2↑+Cl2↑。從上面的電極反應就能看出，陰極產物有H2和堿兩種，無需教師做更多的解釋，學生就能理解陰極產生強堿這一過去難以理解的知識點，可見，這樣的書寫既直觀地反映科學事實，又能與離子反應的書寫原則保持一致，何樂而不為呢？對于電解硫酸、硫酸鈉、氫氧化鈉等溶液，宏觀看都是電解水，按照教材的書寫習慣陽極都是OH-放電，陰極都是H+放電，但這種寫法卻不能反映OH-、 H+的來源，而用離子反應的標準來書寫，電極反應式能清楚地將參與電極反應的粒子（離子或水分子）的來源及各極的產物準確地表示出來，給學生一目了然的感覺?？上驳氖?，2019年人教版教材已經將電解飽和食鹽水的陰極反應寫成2H2O+2e-H2↑+2OH-[10]，這種修正，更加貼近溶液的微觀本質，符合學生的認知。

4? 電化學中的化學史內容

我國著名教育家、化學家傅鷹教授曾多次講過：“一門科學的歷史是那門科學中最寶貴的一部分，因為科學只能給我們知識，而歷史卻能給我們智慧?！闭绶▏茖W家朗之萬所說：“在科學教育中，加入歷史的觀點是有百利而無一弊的?！被瘜W史的教育功能已被越來越多的化學教師所領悟并應用到教學中?；瘜W史是化學學科孕育、形成、發(fā)展及其演變規(guī)律的歷史。化學教學中引入化學史，可以對學生進行正確的理論思想和研究方法的教育。通過化學史教學，學生不僅能掌握化學發(fā)展的規(guī)律，提高他們發(fā)現問題、分析問題、解決問題的能力，也能學習科學家思考問題的方式方法，對學生正確認識主觀與客觀、理論與實踐、個人與社會、人類與自然的關系等一系列的問題具有重要的意義。

中學電化學內容中蘊含哪些化學史，如何在該主題中滲透化學史教育，這是值得探討和思考的問題。盡管教學中一些教師會涉及一點，但對于電化學整體的發(fā)展史，很多教師還是不清楚的，非常有必要做個簡單梳理。1786年，意大利解剖學家伽伐尼（Galvani）發(fā)現金屬片接觸青蛙肌肉時發(fā)生抽搐現象，可以認為是電化學的起源，到現在電化學的發(fā)展經歷了200多年，在這個過程中，眾多科學家對電化學的發(fā)展起到了推動作用。1799年，意大利化學家伏特（伏打）用不同金屬夾濕紙組成了能維持一定電流的電堆，即伏打電堆。1800年，英國化學家尼克爾森和卡利斯爾電解了水。從1807年，英國化學家戴維用自制的強大電池組，通過電解的方法制得了金屬鉀、鈉、鎂、鈣、鍶、鋇和非金屬元素硼和硅（硅： 貝采里烏斯最先發(fā)現），成為化學史上發(fā)現新元素最多的人[11]。1836年丹尼爾電池誕生;1859年鉛蓄電池發(fā)明;1883年發(fā)明了氧化銀電池，1888年實現了電池的商品化;1899年發(fā)明了鎳-鎘電池。1942年英國科學家葛洛夫制造了第一個燃料電池，進入20世紀70年代，不同類型的燃料電池陸續(xù)面世。鋅錳電池與人們的生活息息相關，鋅錳電池也是較早進入人們生活的電池，它的發(fā)展經歷了漫長的演變，直到1950年代前后，在鋅錳干電池的基礎上成功研制出堿性鋅錳電池。1990年前后發(fā)明了鋰離子電池，很快實現了鋰離子電池的商品化?？梢哉f，電池的改進和種類探索仍在進行中。

上述電池的發(fā)展史，伏打電池、丹尼爾電池、燃料電池等在建構原電池模型中起著重要作用，這或許是教材選擇它們的原因之一。在必修原電池構成條件的探索中，可以讓學生經歷伏打電池的發(fā)現過程，自主探索構成原電池的條件，尋找合適的電極材料和電解質溶液，明確學生的探索過程也是伏打對電池的探索過程。在選擇性必修模塊1的原電池教學中，結合銅-鋅單液原電池、銅-鋅雙液原電池、燃料電池，簡單介紹電池的發(fā)展歷史及新型電池的開發(fā)。在電解池教學中，則重點介紹戴維、法拉第等多位科學家的貢獻，法拉第明確了電解質、電極、陰極、陽極、離子、陰離子、陽離子等概念，歸納了法拉第定律。盡管是簡單的介紹，但對于學生思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，無疑是有積極作用的。

總之，電化學科學的發(fā)展，推動了世界科學的進步，促進了社會經濟的發(fā)展，對解決人類社會面臨的能源、交通、材料、環(huán)保、信息、生命等方面，已經作出并正在作出巨大的貢獻。作為中學化學經典內容的電化學知識，要發(fā)揮其培養(yǎng)學生學科核心素養(yǎng)的載體作用，則必須建立在教師對相關知識的深刻理解和準確把握上。

（注： 本文是參加“北京教育學院中學化學卓越工作室”期間完成的成果。）

參考文獻：

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[4]（美）菲利普等. 王祖浩譯. 化學： 概念與應用[M]. 杭州： 浙江教育出版社， 2008.

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[6]嚴宣申. 化學原理選講[M]. 北京： 北京大學出版社， 2012.

[9]傅獻彩等. 物理化學（下冊）（第4版）[M]. 北京： 高等教育出版社. 1990.

[10]王晶主編. 普通高中課程標準實驗教科書·化學反應原理[M]. 北京： 人民教育出版社， 2019.

[11]白建娥， 劉聰明.化學史點亮新課程[M]. 北京： 清華大學出版社， 2012.