模型認知在原電池復習中的實踐應用

張泉

【摘 要】模型認知是化學學科核心素養(yǎng)的一個重要方面，教師在引導學生復習電化學時，可以采用模型思想，對原電池和電解池進行解析，總結出一般模型，應用于各種復雜的化學電源和新型的電解設備的解題教學中。

【關鍵詞】模型認知；電化學；氧化還原反應

【中圖分類號】G633.8? 【文獻標識碼】A? 【文章編號】1671-8437（2020）34-0089-02

“模型認知”是教育部頒布的《普通高中化學課程標準（2017年版）》中提出的化學學科核心素養(yǎng)的一個方面，在高三化學復習方面具有指導性意義。電化學考題中的對象往往形式多變，這會給學生的解題增加難度，原因在于教材中呈現(xiàn)的電化學裝置過于基礎，對理解工作原理有幫助，但直接應用于解決包含各種復雜電化學裝置的題型又有一定的局限性。因此，教師在引導學生復習這部分內容時，可以采用模型思想，對裝置進行剖析，總結出一般規(guī)律，應用于各種復雜的化學電源和新型的電解設備的解題教學中。

1? ?“模型認知”的概念

模型既是對原型的抽象化，也是對理論的具體化，是將復雜的研究對象和抽象的科學理論聯(lián)系在一起的紐帶。通過將對象模型化，總結出一般規(guī)律，能達到突破難點的目的。模型認知是指利用模型認識事物，通過構建模型促進問題解決的能力。在高中化學教學中，利用模型認知的例子隨處可見。除了物質模型，人們也常用思維模型認知很多微觀且晦澀難懂的內容，如用元素符號、結構式、電子式、熱化學方程式表征物質及其變化的規(guī)律。模型認知作為高中化學學科核心素養(yǎng)的重要組成部分，對于解決化學學習中的難點有著不可替代的作用。

2? ?模型在原電池復習中的建立與應用

2.1? 模型的建立

復習原電池要把握好本質，構建正確的模型。蘇教版《化學 必修2》（2014年第5版）和《化學反應原理》（2014年第5版）分別采用了圖1和圖2（已簡化）兩種模型。

圖1中，該模型簡潔直觀，適用于一些簡單金屬電極單液原電池。該模型的缺點：表述還不夠清晰，易使學生產生諸多誤解。如對電流方向和特點（既可通過導線又可通過溶液）、電子流動方向和特點（只可通過導線不可通過溶液）、離子遷移方向和特點（只可通過溶液不可通過導線）、電極與電極上的反應無法合理區(qū)別。產生這些問題的最根本原因在于學生并不能根據原模型真正理解原電池的本質內涵。

雖然后續(xù)版本的教材在圖1模型的基礎上加設了鹽橋，但學生對于原電池的認知大體相同。筆者認為原電池的復習中可以將自發(fā)的氧化還原反應具體化為還原性最強的微粒和氧化性最強的微粒之間的反應，從而為學生鋪設一條尋找反應對象的道路，且與氧化還原反應的規(guī)律結合得更加密切。如圖2的思維模型所示，電極是電子交換場所，突破不同電極材料的原電池；外電路是電子通道，突破外電路材料的變化不影響原電池的氧化還原本質；內電路是離子通道，突破不同電解質組合或混合的本質；強弱律突破自發(fā)的氧化還原反應和多裝置組合的判斷；守恒律突破計算；平衡律突破電解質離子移動的本質，解決各類鹽橋或膜型原電池。

2.2? 模型在有關原電池解題中的應用

例1（2018年浙江4月選考，17）：鋰（Li）—空氣電池的工作原理如圖3所示。下列說法不正確的是（? ）。

A.金屬鋰作負極，發(fā)生氧化反應

B.Li+通過有機電解質向水溶液處移動

C.正極的電極反應：O2+4e-=2O2-

D.電池總反應：4Li+O2+2H2O=4LiOH

[分析]將這個鋰—空氣電池與總結的模型結合起來，該自發(fā)的氧化還原反應是4Li+O2+2H2O=4LiOH。金屬鋰作負極，通氧氣的一極是正極，外電路電子由負極到正極，形成電流，內電路Li+由負極到正極，也就是通過有機電解質向水溶液處移動。電子和離子的定向移動，使兩極的電荷保持平衡。

例2（2018年浙江11月選考，17）：最近，科學家研發(fā)了“全氫電池”，其工作原理如圖4所示。下列說法不正確的是（? ）。

A.右邊吸附層中發(fā)生了還原反應

B.負極的電極反應式是H2-2e-+2OH-=2H2O

C.電池的總反應是2H2+O2=2H2O

D．電解質溶液中Na+向右移動，ClO4-向左移動

[分析]全氫電池不同于常見電池，其本質是電池中兩極存在的電勢差促使兩極得失電子。本例題若套用上述研究模式可以輕松解決。根據電子移動方向判斷正負極和離子移動方向，電極反應式書寫的部分，按照列物質、標得失、選離子和水配電荷守恒和原子守恒這幾步來解決。

例3：某原電池裝置如圖5所示，電池總反應為2Ag

+Cl2=2AgCl。下列說法正確的是（? ）。

A．正極反應AgCl+e-=Ag+Cl-

B．放電時，交換膜右側溶液中有大量白色沉淀生成

C．若用NaCl溶液代替鹽酸，則電池總反應隨之改變

D．當電路中轉移0.01??mole-時，交換膜左側溶液中約減少0.02??mol離子

[分析]該題中，根據總反應式和兩極電極材料，可判斷AgCl/Ag為負極，Ag-e-+Cl-=AgCl；Pt為正極，Cl2+2e-=2Cl-。陽離子通過交換膜H+使兩極室保持電中性，當電路中轉移0.01??mole-時，負極室減少了0.02??mol負電荷（失去了0.01??mole-和0.01??molCl-）。為了保持電中性，需要減少0.02??mol正電荷，因此就有0.02??molH+轉移到正極室。再看正極室，生成了0.02??molCl-，即增加了0.02??mol負電荷，加上從負極遷移來的0.02??molH+，也就使正極保持了電中性。

3? ?教學啟示與反思

對原電池和電解池進行解析，總結出一般模型，能使學生以后遇到原電池問題時，積極利用模型，分解與概括復雜的問題，并在知識建構與模型認知中培養(yǎng)化學核心素養(yǎng)。這樣，學生在解決化學問題中形成的建模能力是建立在正確表征化學問題的基礎上的，有助于他們運用數理方法或邏輯方法將化學實際問題抽象成用化學語言表述的模型，并將之運用于對模型進行檢驗，提升解決相關化學實際問題的能力［1］。

【參考文獻】

[1]袁野.什么是高中生化學問題解決中的建模能力[J].化學教與學,2010(3).