電子守恒在化學(xué)方程式配平中的運(yùn)用研究

侯保林 宋秀麗 李鵬鴿

摘要：中學(xué)化學(xué)教學(xué)實踐發(fā)現(xiàn)，電子守恒用于氧化還原反應(yīng)方程式配平的教學(xué)環(huán)節(jié)，對于學(xué)生牢固掌握氧化還原反應(yīng)方程式配平具有非常重要的意義。在實際的操作過程中，基于守恒觀念的歷史演化過程，逐步演繹出電子守恒的概念，并針對電子守恒法在教學(xué)過程中難以操作的客觀事實，借鑒中文表達(dá)的音形意統(tǒng)一性原則，對氧化還原反應(yīng)方程式配平進(jìn)行格律化的推薦，有較強(qiáng)的理論指導(dǎo)意義和應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：氧化還原反應(yīng)? 化學(xué)方程式配平? 電子守恒法

引用格式：侯保林，宋秀麗，李鵬鴿.電子守恒在化學(xué)方程式配平中的運(yùn)用研究[J].教學(xué)與管理，2022（06）：97-99.

喬姆斯基認(rèn)為，大腦中存在著與生俱來的、普遍的語法結(jié)構(gòu)[1]。語法表征本來是語言學(xué)用來研究人類社會的交往符號，化學(xué)科學(xué)研究領(lǐng)域也有一套特定的符號。在化學(xué)科學(xué)教學(xué)時，我們不妨借鑒語言學(xué)的概念，將其恰當(dāng)適配。高中生學(xué)習(xí)化學(xué)是一種“既愛又恨”的表現(xiàn)?！皭邸被瘜W(xué)是因為物質(zhì)變化的奧妙帶來的無限樂趣，“恨”大致可以歸結(jié)為符號的表征與相關(guān)計算。筆者以為，如果能夠借鑒語言特點將電子守恒格律化，同時將電子守恒式提升至與物料守恒、電荷守恒和質(zhì)子守恒并列的位置，那么在教學(xué)中相關(guān)的電子守恒計算將不再困難。

一、電子守恒的地位和作用

電子守恒（Electron Balance Equation，EBE）是指在氧化還原反應(yīng)中，得電子數(shù)目與失電子數(shù)目（亦或偏離和偏向）存在等值關(guān)系，本應(yīng)與原子守恒（Atom Balance Equation，ABE）、電荷守恒（Charge Balance Equation，CBE）、物料守恒（Material Balance Equation，MBE，AEB的另一種表述）、質(zhì)子守恒（Proton Balance Equation，PBE）處于并置關(guān)系。但是作為隱藏的脈絡(luò)符號，EBE僅起到配合分子、離子或者原子等表象符號完成外顯表征的作用，旨在功能化表象符號在氧化還原反應(yīng)方程式中的形式表達(dá)。

1.EBE的地位

在2019年版高中化學(xué)選擇性必修《化學(xué)反應(yīng)原理》教材第三章的教學(xué)中，已經(jīng)明確提出了MBE、CBE、PBE的使用格式和使用對象，充分說明守恒思想在顯性符號表征中得到極大發(fā)揚(yáng)。因為缺乏特定的表達(dá)格式，與另外幾種守恒相比，EBE一直處于“配角”地位。在實際的教學(xué)中，EBE的“配角”地位會影響教學(xué)的推進(jìn)，尤其是在EBE顯化時電極反應(yīng)式的書寫上。因為缺乏有效的EBE格式，對中學(xué)化學(xué)學(xué)習(xí)的核心內(nèi)容之一——守恒觀的建立而言，學(xué)生使用遷移和泛化的學(xué)習(xí)方法將會使學(xué)習(xí)電子守恒變得事倍功半。

2.EBE作為符號表征的“支架”作用

“氧化—還原”這一對立統(tǒng)一概念的提出，體現(xiàn)了對化學(xué)學(xué)科知識的本源性、結(jié)構(gòu)化認(rèn)識的飛躍。借助盧瑟福原子模型，人們發(fā)現(xiàn)氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)是原子之間相互作用時的電子轉(zhuǎn)移[2]。從周期表來看，氧化還原反應(yīng)的結(jié)果趨向于實現(xiàn)雙方愈加穩(wěn)定。因此，中學(xué)化學(xué)教學(xué)中將這種原子與原子的“不穩(wěn)定見面”后得到的穩(wěn)定狀態(tài)，樸素地表達(dá)為“升、失、氧”和“降、得、還”，從這一層面來看，EBE在氧化還原反應(yīng)教學(xué)中具有重要“支架”作用。

（1）氧化還原反應(yīng)方程式的配平

這個作用是最主要的，也是最根本的。

從圖 1可以看出，EBE作為語義標(biāo)示的雙線橋是內(nèi)隱的，以“支架”的形式存在?；瘜W(xué)反應(yīng)方程式作為可呈現(xiàn)的文本符號，實現(xiàn)了具體物質(zhì)的變化表征。去掉這些“支架”后，化學(xué)反應(yīng)方程式顯得更加簡潔、齊整和直觀。但是面對概念認(rèn)知不足的高中生，EBE的支架作用不能是含蓄的，而應(yīng)是外顯的，更是必須掌握的一種方法和手段。正如孫帥杰等強(qiáng)調(diào)三重表征重要性時所表達(dá)的，“順利完成不同表征的轉(zhuǎn)換就是要實現(xiàn)宏觀、微觀與符號彼此間的有機(jī)聯(lián)系”[3]。這種有機(jī)聯(lián)系顯性化可以提高學(xué)生的語言運(yùn)用能力，培養(yǎng)合作探究的科學(xué)意識。

（2）物質(zhì)恒算

利用EBE的物質(zhì)恒算，不僅出現(xiàn)在教學(xué)中，還普及到生活的方方面面。在氧化還原反應(yīng)方程式配平時，利用電子轉(zhuǎn)移數(shù)目守恒，確定氧化劑等四個角色的系數(shù)。在生活中，電子產(chǎn)品電量使用情況直接反饋在表盤或者屏幕上，反饋的電量數(shù)據(jù)實際上代表了電子轉(zhuǎn)移摩爾數(shù)，有了這些數(shù)據(jù)，人們很容易分析電子產(chǎn)品的使用情況，選擇相應(yīng)的優(yōu)化策略。

（3）把握電子組態(tài)變化規(guī)律

既然物質(zhì)之間不穩(wěn)定的遇見一定會帶來穩(wěn)定狀態(tài)結(jié)果，那么依據(jù)量子化學(xué)理論，電子組態(tài)的穩(wěn)定性需求是電子轉(zhuǎn)移的根本原因，學(xué)生如果學(xué)會單個原子電子組態(tài)排布式，就可以根據(jù)EBE相對準(zhǔn)確快速地預(yù)測電子組態(tài)穩(wěn)定性變化的始末態(tài)（見表 1）。

二、電子守恒在氧化還原方程式配平中的直指表達(dá)

索緒爾認(rèn)為，任何語言符號皆由“能指”與“所指”構(gòu)成[4]。符號的“能指”具有不確定性。在描述物質(zhì)性質(zhì)的時候，發(fā)現(xiàn)同一個符號會反復(fù)出現(xiàn)在不同情境下和不同學(xué)科中，具有不同的意義。這些意義是具體的，而符號卻是抽象的。符號實現(xiàn)了語用學(xué)上的無意義表達(dá)，但卻實現(xiàn)了語義學(xué)上的有意義表達(dá)。在特定語境里，符號和物質(zhì)概念組成互相印證的對易關(guān)系巧妙存在。這就是所謂特定語境下符號“所指”的具體化，即直指。此時的符號“能指”范疇具有多重可能性，但是特定情境的直指表達(dá)具有唯一抽象性。當(dāng)然，可以通過創(chuàng)造出全新的符號，或者使用組合符號，實現(xiàn)對事物的表征[5]。

1.EBE與ABE、CBE直指表達(dá)的關(guān)系

在氧化還原離子反應(yīng)方程式中，作為外顯的ABE、CBE，既可以通過方程式獲得，也可以預(yù)先已知兩個守恒式，反向指導(dǎo)方程式的書寫。二者在明線上相互支持、互相成全。但是，這里隱藏的暗線EBE因格式表達(dá)的限制，往往將其當(dāng)成一種解題思路對待，沒有上升到守恒思想的統(tǒng)一高度。正因為有了EBE的參與，化學(xué)反應(yīng)方程式作為符號換算才有了明確的功能走向。而如果沒有EBE的參與，物質(zhì)變化的符號表征將會受到根本性的制約，所以EBE才是氧化還原方程式成立的靈魂。

2.EBE直指表達(dá)的三種格式

比較三種EBE格式，使得教學(xué)更具有層次性。在電子守恒法應(yīng)用方面，高中各個年級對應(yīng)的要求是不同的，必修課程和選擇性必修也是存在差異。差異化教學(xué)，需要注重層層遞進(jìn)的關(guān)系，把握層次的梯度和連續(xù)性。

（1）雙線橋法

雙線橋法的比較優(yōu)勢在于，在EBE初始掌握階段，雙線橋法具有根基作用。這種方法的一個好處是，初末態(tài)指向明確。學(xué)生學(xué)習(xí)氧化還原變化時，能準(zhǔn)確地標(biāo)注變價元素的態(tài)，并進(jìn)行橋連指向。另一個好處是，在氧化橋和還原橋上標(biāo)注電子數(shù)目，利用最小公倍數(shù)法迅速計算氧化劑—還原產(chǎn)物和還原劑—氧化產(chǎn)物的系數(shù)，從守恒觀念上對符號表征。關(guān)于氧化還原反應(yīng)的符號表征方面的高階應(yīng)用階段，教學(xué)中會遇到以下幾個問題：第一，方程式過長，需要換行書寫時，雙線橋法表達(dá)不適用。第二，考慮到學(xué)生學(xué)習(xí)時的書寫體驗，雙線橋占據(jù)較寬的上下留白，造成紙張浪費(fèi)。第三，在筆紙測量環(huán)節(jié)，考核雙線橋法的使用時，命卷一般在word文檔編輯時缺乏相應(yīng)的輸入指令符或者快捷鍵，不利于中學(xué)教師對原創(chuàng)性試卷的命制。第四，若出現(xiàn)分橋，不利于學(xué)生EBE恒算。

（2）單線橋法

2019年魯科版化學(xué)1給予方法引導(dǎo)時，對單線橋法做了介紹[6]，在2019年人教版化學(xué)1也用單線橋表達(dá)電子轉(zhuǎn)移[7]。雖然兩個版本的教科書編排順序不同，但是均對單線橋法的使用做出推薦說明，卻都存在一個邏輯悖論。從方法傳授的教學(xué)順序上看，單線橋法基于已經(jīng)配平的方程式，它的目的是對電子轉(zhuǎn)移數(shù)目和方向進(jìn)行標(biāo)注，識別氧化劑和還原劑的身份。但初學(xué)者對氧化還原方程式配平的一般策略是，先利用雙線橋法，對反應(yīng)物和產(chǎn)物的四個角色（氧化劑和還原產(chǎn)物，還原劑氧和化產(chǎn)物）同時識別，然后完成配平，即“氧化橋”和“還原橋”在方程式兩側(cè)的EBE對稱性表達(dá)。方程式既然是依據(jù)雙線橋法配平的，那必然對四個角色是認(rèn)知的，因此單線橋的使用顯得多此一舉。

（3）標(biāo)價法

基于雙線橋法的簡化，標(biāo)價法使用起來簡潔便利。其使用的一般方法：始末變價標(biāo)清楚，箭頭旁邊寫示數(shù);最小倍數(shù)常使用，各項系數(shù)自動出。需要特別說明的是，同一元素的始末價差算出之后，乘以標(biāo)注箭頭的原子數(shù)，乘積數(shù)值寫在箭頭右邊，由EBE算出的數(shù)字與心算的乘積數(shù)值構(gòu)成乘積關(guān)系式，該數(shù)字即為箭頭所示原子所在項的系數(shù)，最后由ABE、CBE完成整個方程式的配平（見表2）。

3.配平氧化還原離子反應(yīng)方程式的一般思路

從教學(xué)實踐技術(shù)層面講，教師們在課堂教學(xué)中關(guān)于如何配平氧化還原離子反應(yīng)方程式大致可以分為兩種思路。以Fe2+被稀HNO3氧化的離子反應(yīng)方程式配平為例，兩種配平思路的流程展示如圖2所示。第一種思路如圖2A，Step 1利用EBE確定反應(yīng)方程式前后Fe元素項和N元素項等變價元素項的系數(shù)分別為3、3、1、1;Step 2利用CBE確定H+的系數(shù)為4;Step 3根據(jù)ABE得知H2O的系數(shù)為2，至此完成方程式的配平。第二種思路如圖2B，其中Step 1與圖2A中無異，不同的地方是Step 2和Step 3與圖2A的后兩步對調(diào)，亦實現(xiàn)配平。無論哪種思路，通過圖2中A和B對比可知，EBE的優(yōu)先地位是確定無疑的。

在一些特殊類別氧化還原反應(yīng)方程式中，解決的方法也可以靈活多變。筆者從漢語語言習(xí)慣出發(fā)，處理這類氧化還原反應(yīng)的配平時將其格律化，應(yīng)用分類大致如下：①同種物質(zhì)不同元素化合價升降的配平：同一物質(zhì)多變價，要以此物作為靶（Target）。②同種元素不同物質(zhì)化合價升降的配平：為靶遇到歸中或歧化，配平不看中間價。③酸體現(xiàn)多重性時的配平：若是酸根顯重性（Multiplicity），配平要以變價定。④出現(xiàn)分橋或變價金屬元素前后角標(biāo)不一致：角標(biāo)看大不看小，遇見分橋看總橋。⑤同種物質(zhì)同種元素化合價升降配平：雙同異價要變化，系數(shù)跟小不跟大。

化學(xué)三重表征進(jìn)一步探索，既要回顧化學(xué)史上的謬誤和真理，因其往往以糾纏的姿態(tài)在不斷否定中肯定，以獲取發(fā)展的變化身份和角色轉(zhuǎn)換，也要借助語言指涉的可能，把模型建構(gòu)所要牽扯的映射符號抽象化。借助中文表達(dá)的音形意統(tǒng)一性原則，在氧化還原反應(yīng)方程式配平過程中，相比ABE和CBE而言，需要強(qiáng)調(diào)的是，EBE更應(yīng)被優(yōu)先考慮。

參考文獻(xiàn)

[1] 喬姆斯基.句法結(jié)構(gòu)[M].邢公畹，等譯.北京：中國社會科學(xué)出版社，1979：1-5.

[2] 呂志芳，陳國松.復(fù)雜氧化還原滴定結(jié)果計算的總電子得失守恒法[J].化學(xué)教育（中英文），2020，41（14），107-109.

[3] 孫帥杰，鄧陽.化學(xué)知識三重表征的話語意義探析[J].化學(xué)教育：中英文，2020，41（07）：38-43.

[4] 馬藝銘.索緒爾語言符號任意性及其挑戰(zhàn)[J].海外英語，2019（15）：237-238.

[5] 潘長春.索緒爾符號學(xué)說中能指和所指概念的思想意義[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報：社會科學(xué)版，2002（04）：90-94.

[6] 王磊.普通高中教科書：化學(xué)1（必修）[M].濟(jì)南：山東科學(xué)技術(shù)出版社，2019：65.

[7] 王晶，畢華林.普通高中教科書：化學(xué)1（必修）[M].北京：人民教育出版社，2019：23.

[作者：侯保林（1989-），男，甘肅文縣人，太原師范學(xué)院教育學(xué)院，碩士生;宋秀麗（1973-），女，山西長治人，太原師范學(xué)院化學(xué)系，副教授，碩士生導(dǎo)師，博士;李鵬鴿（1963-），女，山西絳縣人，太原師范學(xué)院化學(xué)系，教授，碩士生導(dǎo)師。]

該文為2020年山西省高等學(xué)校教學(xué)改革創(chuàng)新項目“基于‘學(xué)生為中心’的教學(xué)模式在分析化學(xué)實驗課堂中的應(yīng)用研究”（J2020278）的研究成果

T：通訊作者