以試拓視，思維火花迸濺

劉建廷 班德利

摘要：利用學(xué)生對(duì)一道高考題的質(zhì)疑進(jìn)行了課堂教學(xué)的設(shè)計(jì)，以電化學(xué)原理為線索，進(jìn)行了以微生物燃料電池和微生物電解池的原理分析，并對(duì)微生物制氫、微生物脫鹽海水淡化等一系列科學(xué)前沿問題進(jìn)行了科普。

關(guān)鍵詞：電化學(xué);山東高考化學(xué);微生物;脫鹽;海水淡化

文章編號(hào)：1008-0546（2022）03-0056-04???? 中圖分類號(hào)：G632.41???? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.03.012

問題是課堂教學(xué)的重要線索，而一個(gè)好的線索則可以極大地提升學(xué)生的學(xué)科興趣，進(jìn)而起到事半功倍的課堂效果。在一次月度測試中，試卷使用了2020年山東高考化學(xué)試卷選擇題（10）的題目，學(xué)生提出了問題，是一條好線索。我借助這一線索進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)，成功地完成了一節(jié)視野拓展與思維火花迸濺的課例。

一、問題的由來

2020山東高考化學(xué)（10）微生物脫鹽電池是一種高效、經(jīng)濟(jì)的能源裝置，利用微生物處理有機(jī)廢水獲得電能，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)海水淡化?，F(xiàn)以NaCl溶液模擬海水，采用惰性電極，用圖1 裝置處理有機(jī)廢水（以含 CH3COO-的溶液為例）。下列說法錯(cuò)誤的是

A.負(fù)極反應(yīng)為CH3COO-+2H2O-8e-=2CO2+7H+

B.隔膜1 為陽離子交換膜，隔膜2 為陰離子交換膜

C.當(dāng)電路中轉(zhuǎn)移1mol 電子時(shí)，模擬海水理論上除鹽58.5 g

D.電池工作一段時(shí)間后，正、負(fù)極產(chǎn)生氣體的物質(zhì)的量之比為2∶1

據(jù)圖可知a極上CH3COO-轉(zhuǎn)化為CO2和H+，C元素被氧化，所以 a極為該原電池的負(fù)極，則b極為正極。 A項(xiàng) a極為負(fù)極，CH3COO-失電子被氧化成 CO2和 H+，結(jié)合電荷守恒可得電極反應(yīng)式為 CH3COO-+2H2O-8e-=2CO2↑ +7H+，故 A 正確;B 項(xiàng)為了實(shí)現(xiàn)海水的淡化，模擬海水中的氯離子需要移向負(fù)極，即a極，則隔膜 1為陰離子交換膜，鈉離子需要移向正極，即b極，則隔膜2 為陽離子交換膜，故 B 錯(cuò)誤;C 項(xiàng)當(dāng)電路中轉(zhuǎn)移1 mol 電子時(shí)，根據(jù)電荷守恒可知，海水中會(huì)有1 mol Cl-移向負(fù)極，同時(shí)有1 mol Na+移向正極，即除去1 mol NaCl，質(zhì)量為58.5 g，故C正確;D項(xiàng)b極為正極，水溶液為酸性，所以氫離子得電子產(chǎn)生氫氣，電極反應(yīng)式為2H++2e-=H2↑ ，所以當(dāng)轉(zhuǎn)移8 mol 電子時(shí)，正極產(chǎn)生4 mol氣體，根據(jù)負(fù)極反應(yīng)式可知負(fù)極產(chǎn)生2 mol氣體，物質(zhì)的量之比為4 ∶2=2∶1，故 D 正確;故答案為 B。由分析可知，本題是以生物脫鹽電池為情境考查了原電池原理，同時(shí)利用離子交換膜淡化海水又拓展了學(xué)生的視野。然而一同學(xué)課后找到我說，他和部分同學(xué)們對(duì)該電池的正極反應(yīng)有疑問，正極為何放出 H2，而不是吸收O2呢？對(duì)??！為何不是O2參與正極的燃料電池呢？問題碰撞出我的思維火花。于是我進(jìn)行了文獻(xiàn)查閱，果然發(fā)現(xiàn)了一些非常有意思的問題。我便根據(jù)這一線索進(jìn)行了一系列問題的設(shè)計(jì)，并完成了一節(jié)專題課。

二、案例教學(xué)（實(shí)錄）

1.自發(fā)的氧化還原反應(yīng)與原電池

PPT展示：請(qǐng)同學(xué)根據(jù)如下反應(yīng)，求CH3COOH（l）+2H2O（l）=2CO2（g）+4H2（g）ΔH=?? kJ/mol。

①CH3COOH（g）=2CO（g）+2H2（g）ΔH=+213.7 kJ/mol

②CO（g）+H2O（g）=CO2（g）+H2（g）ΔH=-41.2 kJ/mol

③CH3COOH（g）=CH3COOH（l）ΔH=-51.7 kJ/mol 生：通過計(jì)算得出ΔH=+183.0 kJ/mol。

師：由于冰醋酸的溶解是放熱的，且放出的熱值遠(yuǎn)大于冰醋酸的電離熱。所以

CH3COO-（aq）+H+（aq）+2H2O（l）=2CO2（g）+4H2（g）ΔH 值比183.0要大，由此計(jì)算結(jié)合我們前面做過的山東高考題（10），同學(xué)們想到了什么？

生：（氣氛瞬時(shí)熱烈起來）此高考題錯(cuò)了……，不太可能吧?。崃疫^后是沉思）

生：我認(rèn)為題目的反應(yīng)可以發(fā)生，因?yàn)橛猩锬?，有能量提供。（不少同學(xué)也附和）

師：很好，我們同學(xué)考慮到了環(huán)境（微生物）的供能情況。 所以，如果該題沒有微生物的外部環(huán)境，是一個(gè)封閉體系，那么它一定不可以設(shè)計(jì)成原電池。那么是不是有了微生物這個(gè)題目就沒有問題了呢？ 接下來我們?cè)龠M(jìn)行具體的研究看看如何？

2.微生物燃料電池

PPT 展示：（雙室微生物燃料電池）見圖2

師：在微生物燃料電池中，微生物為了獲得生長所必需的碳源和能量，就需要降解陽極室（負(fù)極區(qū)）中的（底物）有機(jī)物，將從有機(jī)物中釋放出來的電子傳遞給陰極室（正極區(qū)）可以獲得電子的氧化劑，從而產(chǎn)生電流。請(qǐng)同學(xué)以底物（乙酸為例）寫出該微生物燃料電池的電極反應(yīng)。

生：負(fù)極：CH3COOH+2H2O-8e-=2CO2+8H+

正極：O2+4H++4e-=2H2O

師：篩選高效微生物菌株是該電池的關(guān)鍵，其實(shí)質(zhì)相當(dāng)于生物催化過程，目前，科學(xué)家已經(jīng)篩選出許多高效的微生物并應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。

展示：三室微生物脫鹽電池用于海水淡化（以乙酸為例）見圖3。

請(qǐng)同學(xué)分析電池的電極反應(yīng)，并指出膜1 和膜2的性質(zhì)。

生：正負(fù)極反應(yīng)和剛才的微生物燃料電池沒有區(qū)別

負(fù)極：CH3COOH+2H2O-8e-=2CO2+ 8H+正極：O2+ 4H++4e-=2H2O;海水中的陰離子（Cl-）通過陰離子交換膜（膜1）移向負(fù)極區(qū);陽離子（Na+）通過陽離子交換膜（膜2）移向正極區(qū)，從而達(dá)到海水淡化的目的。

師：總結(jié)，利用微生物燃料電池原理，負(fù)極（陽極）為微生物吸附涂膜，正極（陰極）為空氣陰極。 目前該技術(shù)已被應(yīng)用于污水處理等方面，相信隨技術(shù)不斷成熟，未來可以大規(guī)模海水淡化處理。

3.產(chǎn)氫菌電化學(xué)工作原理

師：1942年 Gaffrom 和 Rubin 發(fā)現(xiàn)了一株具有產(chǎn)氫能力的真核綠藻，它不僅能在光照的條件下產(chǎn)氫也可以在黑暗厭氧的條件下發(fā)酵產(chǎn)氫[1]。 由此，產(chǎn)氫菌的研究進(jìn)入科學(xué)家的視野。

PPT 展示：一種利用光和細(xì)菌處理有機(jī)廢物，同時(shí)制取 H2的裝置如圖4 所示，寫出電極反應(yīng)，描述工作原理。

生：負(fù)極：CH3COOH+2H2O-8e-=2CO2+8H+

正極：N2+ 8H++6e-=2NH ;2H++2e-=H2? ↑，負(fù)極 CH3COOH 在太陽能和鐵氧蛋白酶作用下被氧化為 CO2 和 H+，H+通過質(zhì)子交換膜，在正極一部分 H+和被還原的 N2生成 NH ，而一部分 H+直接得到電子被還原為 H2。

師：根據(jù)文獻(xiàn)檢索，微生物電解池（MEC）技術(shù)巧妙地結(jié)合了原電池和電解池的工作原理，利用電活性微生物作為催化劑，通過電能的中間形式將燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為氫能。在用于產(chǎn)生電能的過程中，質(zhì)子和電子在陰極與氧氣等電子受體結(jié)合形成水。 而在用于產(chǎn)氫的過程中，陰極維持在無氧和其它電子受體的狀態(tài)，同時(shí)外加電壓使陰陽極的電勢差越過熱力學(xué)能壘，質(zhì)子和電子就可以在陰極直接結(jié)合生成氫氣。由乙酸產(chǎn)氫的理論外加電壓在0.14 V，而實(shí)際外加電壓需要高于0.22 V 才能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)氫[2]。

PPT 展示：利用微生物燃料電池和微生物電解池串聯(lián)，一邊處理有機(jī)物污水，一邊產(chǎn)氫原理如圖5，請(qǐng)同學(xué)進(jìn)行機(jī)理分析，標(biāo)出外電路電子流向和內(nèi)電路電子流向。

生：（興致盎然）討論得出結(jié)論，如圖6 所示：

師：可見若想實(shí)現(xiàn)既產(chǎn)生氫氣又產(chǎn)電，能量的來源問題一定要解決，目前看最為廉價(jià)和可行的能源就是太陽能。

PPT 展示：微生物三室電解脫鹽產(chǎn)氫池如圖7，請(qǐng)同學(xué)觀察并對(duì)照山東高考題進(jìn)行思考。

生：該池和山東高考題非常相似，不同之處是外加了電源，這個(gè)是電解池。

師：該池是利用電解可以達(dá)到處理廢水，同時(shí)淡化海水的目的，但是它的陽極區(qū)隨著反應(yīng)的進(jìn)行，產(chǎn)生大量的離子，使得溶液 PH 降低，對(duì)微生物的生存環(huán)境發(fā)生改變，微生物工作效率下降，實(shí)際生產(chǎn)中要進(jìn)行陽極 PH 值的調(diào)節(jié)控制。

PPT 展示：微生物四室產(chǎn)酸產(chǎn)堿脫鹽電池進(jìn)行海水淡化如圖8 所示，其中使用的雙極膜亦稱雙極性膜，是特種離子交換膜，它是由一張陽膜和一張陰膜復(fù)合制成的陰、陽復(fù)合膜。該膜的特點(diǎn)是在直流電場的作用下，陰、陽膜復(fù)合層間的 H2O 解離成 H+和 OH-并分別通過陰膜和陽膜，作為 H+和 OH-離子源，請(qǐng)同學(xué)根據(jù)信息分析其工作原理，指出雙極膜釋放 H+和 OH-的 方向，并同時(shí)指出產(chǎn)酸和產(chǎn)堿的區(qū)域。

生：（熱烈討論）雙極膜向陽極區(qū)釋放 OH-離子，向產(chǎn)品室釋放 H+離子，同時(shí)海水中的 Cl-離子通過陰離子交換膜進(jìn)入產(chǎn)品室生成鹽酸，海水中的 Na+離子進(jìn)入陰極區(qū)生成堿 NaOH。

師：分析得很好，這個(gè)四室產(chǎn)酸產(chǎn)堿脫鹽電池進(jìn)行海水淡化時(shí)由于使用了雙極膜，在陽極區(qū)微生物雖然不斷分解乙酸產(chǎn)生 H+離子，但和雙極膜產(chǎn)生的 OH-離子發(fā)生中和，所以陽極區(qū) pH 值可以穩(wěn)定不變，有效地保障了微生物的生存工作效率。

師：本節(jié)課的問題是我班 L等同學(xué)對(duì)高考題目的質(zhì)疑而引發(fā)的討論，至此，本節(jié)課對(duì)這一質(zhì)疑給予了證實(shí)。（此處掌聲響起）

三、小結(jié)與反思

本節(jié)課源于一個(gè)偶然的思考性問題，但正是這個(gè)問題迸濺出了思維的火花，我在查閱文獻(xiàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)了微生物電池的有趣性，遂萌生科普的想法，然又想到一般說教的誤區(qū)，就產(chǎn)生了做一節(jié)電化學(xué)小專題課的想法，進(jìn)行整理后進(jìn)入課堂，與學(xué)生一同討論、分析、研究，既復(fù)習(xí)了學(xué)生知識(shí)性的問題，又拓展了微生物電池、微生物電解池、膜技術(shù)、污水處理、海水淡化及生物制氫等科學(xué)前沿知識(shí)，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

本節(jié)課學(xué)生的興奮度非常的高，我想主要是因?yàn)橐皇菃栴}本身來源于學(xué)生自己的生成，他們感觸較深;二是問題的生成源是對(duì)一條高考題的質(zhì)疑，質(zhì)疑權(quán)威本身就是一種具有興奮度的挑戰(zhàn)，而我在設(shè)計(jì)本節(jié)課時(shí)也處處圍繞這個(gè)質(zhì)疑展開，并且一步一步走向真相。質(zhì)疑是科學(xué)的基本精神之一，本節(jié)課看似一節(jié)對(duì) L等同學(xué)質(zhì)疑的證實(shí)，其實(shí)更重要的是鼓勵(lì)和倡導(dǎo)了這種精神，使學(xué)生的質(zhì)疑的思維火花不斷迸濺。

最后對(duì)于考試命題的思考，考試命題應(yīng)與社會(huì)、生產(chǎn)、生活、科學(xué)技術(shù)緊密聯(lián)系，這樣試題命制才不會(huì)單調(diào)、呆板。在考試中應(yīng)試者閱讀材料、理解新情境，與已有知識(shí)聯(lián)系、重組，通過合理的想象、推理或論證然后解決問題。這樣對(duì)命題者的要求就更高了，要求命題的素材不但要具有新穎性、前沿性，還能夠?qū)⑺夭暮喕⒆罨径植荒苁д娴哪Ｐ汀?/p>

參考文獻(xiàn)

[1] 李宇亮.高效產(chǎn)氫菌的篩選及污泥減量的可行性研究[D].長沙：湖南大學(xué)，2008.

[2] 孫敏.微生物燃料電池的功能拓展和機(jī)理解析[D].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2009.

[3] 吳義誠，王澤杰，傅海燕，趙峰.光合細(xì)菌在微生物燃料電池中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].微生物學(xué)通報(bào)，2016，43（12）：2707-2713.

[4] 王娟.微生物燃料電池的性能研究[D].南昌：南昌航空大學(xué)，2014.

[5] 曹學(xué)龍，張寶剛，王志俊，周順桂，施春紅.微生物脫鹽池性能提升及應(yīng)用的研究進(jìn)展[J].水處理技術(shù)，2015，41（7）：7-10+16.

[6] 華濤，李勝男，周啟星，李鳳祥，李亞寧.生物電化學(xué)系統(tǒng)3種典型構(gòu)型及其應(yīng)用研究進(jìn)展[J].應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào)，2018，24（3）：663-670.