培養(yǎng)學(xué)生模型認(rèn)知核心素養(yǎng)的教學(xué)實(shí)踐研究

劉志剛 李淑敏

摘 ?要：模型認(rèn)知是在深入學(xué)習(xí)和探索化學(xué)問題時(shí)，逐步培養(yǎng)起來(lái)的一種系統(tǒng)性思維方法。在氧化還原方程式配平的學(xué)習(xí)過程中，部分學(xué)生存在一些理解上的誤區(qū)，無(wú)法準(zhǔn)確描述電子得失的過程，這主要源于對(duì)氧化還原方程式中電子轉(zhuǎn)移守恒理解不夠深入。通過詳細(xì)解析“雙線橋”配平氧化還原方程式的步驟，可以構(gòu)建一個(gè)系統(tǒng)化的氧化還原方程式配平認(rèn)知模型。同時(shí)，這個(gè)模型也可適用于特殊情況的修正，并可擴(kuò)展應(yīng)用于電極方程式的書寫，從而進(jìn)一步提升學(xué)生的模型認(rèn)知素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：模型認(rèn)知;氧化還原方程式;電極方程式;核心素養(yǎng)

一、氧化還原方程式配平的模型構(gòu)建

氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)特征是電子轉(zhuǎn)移守恒，在模型構(gòu)建的過程中要始終抓住這一點(diǎn)，以更好地幫助學(xué)生理解氧化還原方程式的配平過程。

以+Cl→Cl2+2↑配平為例，教師可以把氧化還原方程式配平全過程分解成六個(gè)步驟，構(gòu)建氧化還原方程式配平模型。

第一步：標(biāo)出反應(yīng)物和生成物中化合價(jià)有變化的元素價(jià)態(tài)。標(biāo)價(jià)態(tài)時(shí)，教師只需要標(biāo)出化合價(jià)有變化的元素，化合價(jià)沒有變化的元素不需要標(biāo)出。

+Cl→Cl2+2↑

第二步：畫出雙線橋。把反應(yīng)物和生成物中同一元素的不同價(jià)態(tài)用線橋連接起來(lái)。具體而言，用一條線橋連接0價(jià)和+2價(jià)的鋅元素，用另一條線橋連接+1價(jià)和0價(jià)的氫元素。

[+Cl→Cl2+2↑]

第三步：選變價(jià)物質(zhì)，計(jì)算1mol變價(jià)物質(zhì)得失電子數(shù)目。每一條線橋連接一個(gè)反應(yīng)物和一個(gè)生成物，選擇其中一個(gè)物質(zhì)，計(jì)算1mol該物質(zhì)得到或失去電子數(shù)目。計(jì)算的方法是用該線橋變價(jià)元素（高價(jià)態(tài)-低價(jià)態(tài)）×變價(jià)原子個(gè)數(shù)，計(jì)算結(jié)果寫在選定物質(zhì)正下方。在線橋上標(biāo)出1mol變價(jià)物質(zhì)得到或失去電子數(shù)目。鋅元素線橋失去2mole-，氫元素線橋得到2mole-。

[（+1-0）×2=2][（+2-0）×1=2][失去2e-][+Cl→Cl2+2↑][得到2e-]

第四步：求出兩條線橋上得到和失去電子數(shù)目的最小公倍數(shù)。兩條線橋上得到和失去電子數(shù)目都是2，最小公倍數(shù)也是2，即轉(zhuǎn)移的電子總數(shù)守恒?！啊痢焙竺娴?，分別是Zn和H2的系數(shù)。將每條線橋上“×”后面的數(shù)寫在選定物質(zhì)前，作為選定物質(zhì)的系數(shù)。

[（+1-0）×2=2][（+2-0）×1=2][失去2e- ×1][+Cl→Cl2+12↑][得到2e- ×1]

第五步：根據(jù)原子守恒，仔細(xì)觀察反應(yīng)前后各元素原子個(gè)數(shù)，配平其他物質(zhì)系數(shù)。根據(jù)原子守恒，HCl的系數(shù)應(yīng)該配成2，ZnCl2的系數(shù)配成1。

+2Cl=Cl2+12↑

第六步：檢查化學(xué)方程式，確保方程式正確。配平中沒有使用到的元素，要檢查其左右兩邊原子個(gè)數(shù)是否相等。本例中用氯原子來(lái)檢查，左右各為2個(gè)氯原子，“=”左右的各元素原子個(gè)數(shù)是相等的，說明配平是正確的。

氧化還原化學(xué)方程式配平的難點(diǎn)和關(guān)鍵在第三、四兩個(gè)步驟。第三步中，計(jì)算電子得失數(shù)目前一定要明確是選擇線橋連接的哪個(gè)物質(zhì)來(lái)計(jì)算，這決定了第四步中求出的最小公倍數(shù)“×”后面的數(shù)字寫在該物質(zhì)前面，即“×”后面的數(shù)字是所選取物質(zhì)的系數(shù)。在第三步中，計(jì)算1mol變價(jià)物質(zhì)得失電子數(shù)目特意寫在選取物質(zhì)的正下方，就是為了避免第四步中“×”后面的數(shù)字寫錯(cuò)位置。

二、氧化還原方程式配平的模型修正

針對(duì)復(fù)雜氧化還原方程式的配平，難點(diǎn)還是在于第三步，如何選取變價(jià)物質(zhì)，可以把上述模型進(jìn)一步修正。

（一）歸中反應(yīng)可以采用正向配平法

歸中反應(yīng)中同一元素的不同價(jià)態(tài)之間發(fā)生反應(yīng)得到同一價(jià)態(tài)的生成物，可以采用正向配平法。正向配平法是指兩條線橋都要選擇反應(yīng)物來(lái)計(jì)算電子得失，不能選擇生成物，如H2+O2→H2O+。本例中H2→，O2→，只能選取反應(yīng)物H2S和SO2，而不能選擇S來(lái)計(jì)算電子得失。“×”后面的數(shù)應(yīng)寫在反應(yīng)物H2S和SO2的前面做系數(shù)。其余物質(zhì)系數(shù)根據(jù)原子守恒配平，可得到正確的方程2H2+1O2=2H2O+3。

[（+4-0）×1=4][（+2-0）×1=2][2H2+1O2→H2O+][失去2e- ×2][得到4e- ×1]

其余物質(zhì)系數(shù)根據(jù)原子守恒配平，可得到正確的方程2H2+1O2→H2O+。

（二）歧化反應(yīng)和部分氧化還原反應(yīng)可采用逆向配平法

歧化反應(yīng)同一元素部分價(jià)態(tài)升高，部分價(jià)態(tài)降低，可以采用逆向配平法。逆向配平法是指兩條線橋都要選擇生成物來(lái)計(jì)算電子得失，不能選擇反應(yīng)物。如2+OH→O3++H2O本例中2→O3，2→，只能選取生成物ClO3和Cl而不能選擇Cl2來(lái)計(jì)算電子得失?！啊痢焙竺娴臄?shù)應(yīng)寫在生成物ClO3和Cl的前面做系數(shù)。其余物質(zhì)系數(shù)根據(jù)原子守恒，電荷守恒配平，可得到正確的方程32+6OH=1O3+5+3H2O。

部分氧化還原反應(yīng)中，某些元素一部分價(jià)態(tài)變化，另一部分價(jià)態(tài)不變，也要采用逆向配平法。如+HO3→（O3）2+O↑+H2O，在配平過程中，氮元素的線橋中要選擇NO，計(jì)算1mol NO得到的電子數(shù)，不能選擇HNO3計(jì)算。

[[0-（-1）]×1=1][（+5-0）×1=5][得到1e- ×5][2+OH→1O3+5+H2O][失去5e- ×1]

（三）整體歸一法

某些氧化還原反應(yīng)中有兩種以上的價(jià)態(tài)變化，其中一種物質(zhì)中有多種元素價(jià)態(tài)發(fā)生變化，用常規(guī)的雙線橋模型已經(jīng)配不平該方程，需要把有多種價(jià)態(tài)變化的物質(zhì)作為一個(gè)整體計(jì)算電子得失數(shù)目。例如2+2→23+2。本例中共有三種價(jià)態(tài)變化，→，→，→，其中FeS2含有二種價(jià)態(tài)變化→，→，在配平過程中要選擇FeS2，計(jì)算1mol FeS2失去的電子總數(shù)，O2的價(jià)態(tài)變化只有一種，但O2的降價(jià)產(chǎn)物有2種，需要計(jì)算1mol O2得到的電子總數(shù)。

[[0-（-2）]×2=4][[+3-2+（+4-（-1））×2]=11][失去11e- ×4][2+112→23+2][得到4e- ×11]

整體歸一法模型修正是要選擇含多種價(jià)態(tài)變化的物質(zhì)做為一個(gè)整體來(lái)計(jì)算1mol該物質(zhì)得到或失去電子的總數(shù)。某物質(zhì)元素只有一種價(jià)態(tài)變化但有多種產(chǎn)物的情況，也需要選擇該物質(zhì)來(lái)計(jì)算1mol該物質(zhì)得到或失去電子的總數(shù)，而不是把價(jià)態(tài)升高（或降低）的元素價(jià)態(tài)加起來(lái)計(jì)算電子總數(shù)。

三、綜合應(yīng)用各種修正模型

一些有更加復(fù)雜化合價(jià)變化的氧化還原反應(yīng)，需要綜合應(yīng)用上述方法。例如：

[（+5-0）=5][[（+2-1）×3+0-（-3）]=6][得6e- ×5][（SO4）++H2O→3+H2SO4+6H3O4][失5e- ×6]

本例中應(yīng)用了整體歸一法和逆向配平法。計(jì)算1mol 3和1mol H3O4得失電子總數(shù)，其他物質(zhì)系數(shù)用觀察法配平。

15（SO4）+11+24H2O=53+6H3O4+15H2SO4

上述復(fù)雜氧化還原方程式的模型構(gòu)建可以繼續(xù)再修正，進(jìn)一步提升學(xué)生模型認(rèn)知核心素養(yǎng)。以H2+O2→H2O+配平法為例。

[+4-0=4][[0-（-2）]=2][失2e- ×2][2H2+O2→H2O++1][得4e- ×1]

把歸中反應(yīng)不同價(jià)態(tài)反應(yīng)物得到的同一價(jià)態(tài)產(chǎn)物拆開寫成兩部分，可以區(qū)分同一元素不同價(jià)態(tài)變化得到的氧化產(chǎn)物和還原產(chǎn)物，再用觀察法配平其他系數(shù)，進(jìn)一步提升學(xué)生的模型構(gòu)建能力。

2H2+O2=2H2O+2+1 即 2H2+1O2=2H2O+3

四、氧化還原方程式配平的模型應(yīng)用

（一）原電池電極方程式書寫

以（-）Zn│HCl│Cu（+）原電池為例，電池總反應(yīng)為：1Zn+2Cl=Cl2+1H2↑，離子方程式為：Zn+2H+=Zn2++H2↑。雙線橋表示如下：

[1 + 2+ = 2+ + 12↑][失去2e-][得到2e-]

原電池裝置把氧化還原反應(yīng)分開在兩個(gè)電極分別進(jìn)行氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)，在兩個(gè)電極反應(yīng)中得到的電子總數(shù)和失去的電子總數(shù)仍然相等，遵循電子守恒規(guī)律。負(fù)極反應(yīng)物化合價(jià)升高，發(fā)生氧化反應(yīng)，負(fù)極電極方程式為：Zn-2e-=Zn2+。正極反應(yīng)物化合價(jià)降低，發(fā)生還原反應(yīng)，方程式為：2H++2e-=H2↑。氧化還原方程式的兩條線橋分別對(duì)應(yīng)著負(fù)極和正極的電極方程式。對(duì)復(fù)雜一些的原電池裝置，也可以用配平模型直接書寫正負(fù)極電極方程式。例如堿性甲烷燃料電池的負(fù)極電極方程式書寫。甲烷在負(fù)極上發(fā)生反應(yīng)，堿性環(huán)境中CH4→CO32-。應(yīng)用模型配平過程如下：

負(fù)極：H4→O32-。化合價(jià)升高+4-（-4）=8價(jià)，1mol CH4失去8mol e-，H4-8e-→O32-。根據(jù)電荷守恒，左邊8個(gè)正電荷，右邊2個(gè)負(fù)電荷，在堿性環(huán)境中，左邊應(yīng)該加10個(gè)OH。再根據(jù)H、O原子守恒，配平其他物質(zhì)系數(shù)。

H4-8e-+10OH=O32-+7H2O

（二）電解池電極方程式書寫

鉛蓄電池：（-）Pb│H2SO4│PbO2（+）二次電池，電池總反應(yīng)方程式為：

Pb+PbO2+2H2SO4 [放電

充電] 2PbSO4+2H2O

放電過程是原電池反應(yīng)，充電過程是電解池反應(yīng)，用雙線橋畫出電子得失。

[失去2e-][得到2e-][+O2+2H2SO4 [放電

充電] 2SO4+2H2O]

寫充電的電極方程式，要從右往左看，反應(yīng)物在右邊，生成物在左邊。電解池中陽(yáng)極反應(yīng)失電子，陰極反應(yīng)的電子。陰極：PbSO4+2e-→Pb，補(bǔ)齊原子和電荷，就可以得出正確的電極方程式。陰極：PbSO4+2e-=Pb+SO42-。陽(yáng)極的電極方程式可以采用同樣的方法得到。

陽(yáng)極：PbSO4-2e-+2H2O=PbO2+SO42-+4H+

模型構(gòu)建是需要對(duì)某一類問題進(jìn)行“舉三反一”的分析歸納，找出這一類問題的共同之處，總結(jié)出一定模式。這是一個(gè)對(duì)某一類問題的研究從特殊到一般的深化的過程，形成系統(tǒng)思路和相對(duì)固定的模式。模型構(gòu)建的目的是要能夠應(yīng)用構(gòu)建好的模型解決實(shí)際問題。同時(shí)，教師要引導(dǎo)學(xué)生在模型應(yīng)用過程中還要不斷修正完善模型，從而提高學(xué)生的模型認(rèn)知素養(yǎng)。

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（責(zé)任編輯：張涵淋）