基于“模型認(rèn)知”的原電池教學(xué)啟示

林霞

摘要：從電極反應(yīng)物的性質(zhì)認(rèn)識(shí)模型、電極反應(yīng)物和產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化關(guān)系認(rèn)知模型以及綜合電性規(guī)律三個(gè)角度構(gòu)建原電池的認(rèn)知模型。

關(guān)鍵字：模型認(rèn)知;原電池;認(rèn)知模型

“模型認(rèn)知”是學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)中要求形成的重要思路和方法，也是學(xué)科核心素養(yǎng)體系中的重要組成部分，普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)的課程目標(biāo)中要求學(xué)生在學(xué)習(xí)化學(xué)中“能認(rèn)識(shí)化學(xué)現(xiàn)象與模型之間的聯(lián)系，能運(yùn)用多種認(rèn)知模型來(lái)描述和解釋物質(zhì)結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和變化，預(yù)測(cè)物質(zhì)及其變化的可能結(jié)果，能依據(jù)物質(zhì)及其變化的信息構(gòu)建模型，建立解決復(fù)雜化學(xué)問(wèn)題的思維框架” [1]。原電池的學(xué)習(xí)是學(xué)生接觸電化學(xué)的基礎(chǔ)入門，而運(yùn)用好氧化還原反應(yīng)原理知識(shí)是指導(dǎo)學(xué)生理解電學(xué)和化學(xué)的關(guān)鍵知識(shí)紐帶，也體現(xiàn)了化學(xué)反應(yīng)原理和應(yīng)用的螺旋式進(jìn)階特點(diǎn)，豐富學(xué)生的化學(xué)認(rèn)知體系，拓寬學(xué)生對(duì)學(xué)科知識(shí)的認(rèn)識(shí)角度和思路，而且原電池的知識(shí)與生物、物理均有關(guān)聯(lián)，體現(xiàn)學(xué)科交融的現(xiàn)實(shí)意義。學(xué)生在學(xué)習(xí)中常見(jiàn)的困難是：對(duì)電極反應(yīng)物、電解質(zhì)、電極反應(yīng)、粒子流向等電化學(xué)的核心概念知識(shí)用相對(duì)割裂的方式認(rèn)知;對(duì)產(chǎn)生電流與帶電粒子的定向移動(dòng)的相關(guān)性理解不夠到位;對(duì)電極得失電子的對(duì)象來(lái)源的認(rèn)知相對(duì)孤立單一;分析和解決電化學(xué)問(wèn)題時(shí)缺乏明晰的認(rèn)知思路和角度。本文結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，總結(jié) “模型認(rèn)知”在原電池認(rèn)知模型構(gòu)建中的應(yīng)用。

1.從電極反應(yīng)物的性質(zhì)認(rèn)知模型

原電池裝置是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，本質(zhì)上是在兩極分別發(fā)生氧化、還原反應(yīng)，因此可以將電極反應(yīng)物根據(jù)電子得失的能力分為氧化劑與還原劑。對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)，同時(shí)分析兩個(gè)電極，容易出現(xiàn)混亂，電子的產(chǎn)生本質(zhì)上是由于還原劑失去電子，在此應(yīng)當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生將重點(diǎn)放在負(fù)極反應(yīng)物的分析，可以說(shuō)對(duì)物質(zhì)的還原性強(qiáng)弱順序分析的認(rèn)知建模是原電池教學(xué)的基礎(chǔ)。因此，電極反應(yīng)物的性質(zhì)認(rèn)識(shí)模型可以分為從負(fù)極反應(yīng)物的一般和特殊性質(zhì)兩個(gè)角度來(lái)看。高中階段常見(jiàn)的負(fù)極電極反應(yīng)物可以分類如下：（1）兩極均為活潑金屬時(shí)較活潑金屬做負(fù)極反應(yīng)物;（2）兩極為金屬-非金屬/化合物/惰性金屬時(shí)金屬做負(fù)極反應(yīng)物;（3）燃料電池，燃料做負(fù)極反應(yīng)物;（4）兩極為惰性電極，溶液中的失電子能力強(qiáng)的微粒（分子或離子）做負(fù)極反應(yīng)物。

此外，從電極反應(yīng)物的特殊性質(zhì)角度來(lái)看，有些金屬具有兩性，在不同電解質(zhì)環(huán)境下能表現(xiàn)出不同性質(zhì)。例如鋅鋁氫氧化鈉原電池和鋅鋁稀硫酸原電池中負(fù)極材料并不相同。

2.從電極反應(yīng)物和產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化關(guān)系認(rèn)知模型

當(dāng)反應(yīng)物均為比較陌生的化合物時(shí)，往往需要進(jìn)行綜合比較后才能確定負(fù)極的還原劑，此時(shí)應(yīng)從反應(yīng)物和產(chǎn)物中的核心元素的化合價(jià)角度認(rèn)識(shí)物質(zhì)的性質(zhì)。例如高效過(guò)氧化氫尿素電池。尿素和過(guò)氧化氫屬于非金屬化合物，直接利用電極反應(yīng)物認(rèn)知模型是無(wú)法直接判定。因此還需根據(jù)電極產(chǎn)物相應(yīng)元素價(jià)態(tài)的升降才能作進(jìn)一步判斷。已知尿素最終轉(zhuǎn)化為氮?dú)?，因此選擇對(duì)其關(guān)鍵元素進(jìn)行價(jià)態(tài)分析，即：N價(jià)態(tài)從-3價(jià)變?yōu)?價(jià)，化合價(jià)升高發(fā)生氧化反應(yīng)，因此尿素為負(fù)極反應(yīng)物。

常見(jiàn)的多價(jià)金屬元素主要是過(guò)渡元素鈧、鈦、釩、鉻、錳、鐵、鈷、鎳、銅;多價(jià)非金屬主要是氮、磷、砷、氧、硫、氯、溴等。無(wú)論價(jià)態(tài)如何變化，把握好還原劑失電子價(jià)態(tài)升高。氧化劑得電子價(jià)態(tài)降低的規(guī)律，就能以不變應(yīng)萬(wàn)變。

3.構(gòu)建原電池認(rèn)知模型

首先，系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)物質(zhì)的氧化還原性，先按元素組成將電極反應(yīng)物分類為金屬與非金屬、活潑金屬與惰性金屬;其次根據(jù)電極反應(yīng)物用途分為燃料與供氧劑（氧氣）;最后對(duì)于復(fù)雜的電極反應(yīng)物按元素化合價(jià)進(jìn)行分類。然后，理解物質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)的轉(zhuǎn)化規(guī)律，理論上是強(qiáng)制弱規(guī)律，但也并非絕對(duì)，也要注意區(qū)分不同電解質(zhì)條件下強(qiáng)弱關(guān)系可能發(fā)生變化！

最后將物質(zhì)的類別、價(jià)態(tài)認(rèn)知角度和電性規(guī)律綜合整理形成原電池的一般認(rèn)知模型，如圖2。

在物質(zhì)價(jià)類認(rèn)知模型的基礎(chǔ)上，最后的點(diǎn)睛之筆就是電學(xué)的基本規(guī)律，即電子如何移動(dòng)形成電流。在電池中負(fù)極電子經(jīng)導(dǎo)線轉(zhuǎn)移到正極上，由于電子帶負(fù)電，因此負(fù)極材料缺電子帶上正電荷;正極得到電子，正極材料帶上負(fù)電荷，因此溶液中的帶電微粒（離子），根據(jù)同性相斥，異性相吸的電性規(guī)律，陽(yáng)離子往帶上負(fù)電荷的正極移動(dòng)，陰離子往帶上正電荷的負(fù)極移動(dòng)。若正極材料上的物質(zhì)不能參與的電子，將由溶液中的微粒（指分子或離子）根據(jù)得電子能力的強(qiáng)弱在正極上得到電子，以保持溶液的電中性（電荷守恒定律），使得負(fù)極的電子可以源源不斷的被轉(zhuǎn)移到正極。而負(fù)極不斷地失去電子，若電極材料為活潑金屬將被不斷消耗溶解成陽(yáng)離子，若電極為惰性材料，則是溶液中的微粒根據(jù)失電子能力的強(qiáng)弱將電子轉(zhuǎn)移到負(fù)極材料上，使得負(fù)極上的電子能夠穩(wěn)定的輸出，也保持負(fù)極區(qū)的電中性，從而使得內(nèi)外電路互聯(lián)互通，形成閉合回路，使得電子可以持續(xù)定向流動(dòng)，從而產(chǎn)生電流，實(shí)現(xiàn)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能?；谝陨蟽蓚€(gè)認(rèn)知模型的搭建，再到最后的電性規(guī)律的綜合，最終實(shí)現(xiàn)較為系統(tǒng)完整的原電池的一般認(rèn)知模型的建構(gòu)。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）.北京：人民教育出版社，2020：6

注明：本文系廣州教育學(xué)會(huì)教育科研課題《“模型認(rèn)知”能力的培養(yǎng)行動(dòng)研究—以電化學(xué)教學(xué)為例》科研成果，課題編號(hào)：KTLX1201930276