計(jì)從斌 林建芬 周育妹

摘 要：銅鋅單液和雙液原電池模型是高中學(xué)生學(xué)習(xí)“原電池”概念與工作原理的經(jīng)典模型，學(xué)生可根據(jù)原電池三大要素（電極反應(yīng)、電極材料、離子導(dǎo)體）來分析單液和雙液原電池工作原理。將原電池類型分為水溶液型、固態(tài)型和熔融鹽型離子導(dǎo)體原電池三類，分別就此三類建構(gòu)原電池半反應(yīng)分析的思維模型并提出相關(guān)建議。教師在教學(xué)中可以設(shè)置問題梯度澄清和糾正以往的迷思概念，從原理和裝置出發(fā)的核心認(rèn)識(shí)角度，系統(tǒng)理解原電池工作原理和構(gòu)成條件，明確原理和裝置的關(guān)系，提高對(duì)于陌生原電池的分析能力，建立比較清晰的依據(jù)已知的氧化還原反應(yīng)設(shè)計(jì)電池裝置的主要思路和方法。

關(guān)鍵詞：原電池；認(rèn)知模型建構(gòu)；半反應(yīng)；電極方程式

原電池的知識(shí)內(nèi)容在必修和選修模塊中以一定的層級(jí)發(fā)展關(guān)系呈現(xiàn)。從學(xué)業(yè)要求來看，使學(xué)生能分析、解釋原電池的工作原理，能設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的原電池[1]。必修2以經(jīng)典“銅鋅單液原電池”為教學(xué)模型，闡述原電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，體現(xiàn)能量觀；選修4以“銅鋅雙液電池”為教學(xué)模型，發(fā)展學(xué)生對(duì)原電池工作原理的認(rèn)識(shí)，轉(zhuǎn)變偏差認(rèn)識(shí)，促使學(xué)生認(rèn)識(shí)到電極反應(yīng)、電極材料、離子導(dǎo)體是電化學(xué)體系的基本要素，提高對(duì)電化學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。

一、基于原電池工作原理的三大要素分析

（一）區(qū)分“電極材料”與“電極反應(yīng)物”

原電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，電極材料作為原電池結(jié)構(gòu)的裝置要素是得失電子的重要場(chǎng)所。教材利用銅鋅原電池作為教學(xué)模型，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)原電池且進(jìn)一步理解原電池的工作原理，利用雙液電池幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)原電池產(chǎn)生電流的本質(zhì)，但這些內(nèi)容無法內(nèi)化學(xué)生對(duì)原電池工作原理及裝置的認(rèn)識(shí)，也無法深度認(rèn)識(shí)電極的功能及作用。而基于自發(fā)氧化還原反應(yīng)尋找電極材料是認(rèn)識(shí)和理解電極反應(yīng)的基本思維，在教學(xué)過程中設(shè)置“根據(jù)方程式設(shè)計(jì)原電池”教學(xué)活動(dòng)時(shí)優(yōu)先處理“電極材料”及“電極反應(yīng)物”概念，以防止相應(yīng)迷思概念的產(chǎn)生。

以“銅鋅原電池”為例，該教學(xué)模型能清晰地展示原電池基本組成，建立原電池概念，可以有效達(dá)成三維教學(xué)目標(biāo)，但是對(duì)原電池的電極材料概念認(rèn)識(shí)不能使學(xué)生深入理解[1]。通過其他自發(fā)氧化還原反應(yīng)設(shè)計(jì)變式原電池模型，如反應(yīng)2Fe3++2I-=2Fe2++I2中在電極上參與反應(yīng)的物質(zhì)容易找出，但是電極材料認(rèn)識(shí)與銅鋅原電池就產(chǎn)生了認(rèn)知沖突，進(jìn)而可以內(nèi)化原電池原理及其裝置的認(rèn)識(shí)，提升對(duì)電極認(rèn)識(shí)的深度，見圖1。電極材料參與反應(yīng)時(shí)，電極材料與電極反應(yīng)物是同一物質(zhì)，否則就需要不參與反應(yīng)的惰性材料（如石墨、鉑）做電極材料。

（二）認(rèn)識(shí)“離子導(dǎo)體”是確定電極反應(yīng)式的重要環(huán)節(jié)

一般地，化學(xué)電池按電解質(zhì)形態(tài)可分為溶液、熔融態(tài)和固態(tài)。電解質(zhì)稱為“離子導(dǎo)體”，是原電池的重要構(gòu)成要素。還原劑或氧化劑在電極上參與反應(yīng)后生成的“中間體離子”經(jīng)由離子導(dǎo)體朝相反電極方向運(yùn)動(dòng)。“中間體離子”在離子導(dǎo)體中遇到不共存的微粒則繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)，最終成為穩(wěn)定存在于電解質(zhì)中的氧化產(chǎn)物或還原產(chǎn)物。

（三）遵循氧化還原反應(yīng)原理，構(gòu)建半反應(yīng)基本骨架

學(xué)生在必修模塊對(duì)氧化還原反應(yīng)的概念與原理理解比較深刻，對(duì)氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)等半反應(yīng)掌握得較好，因此教師在選修模塊教學(xué)中可從學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)出發(fā)，從原電池裝置與氧化還原反應(yīng)方程式原理進(jìn)行分析，分別確定還原劑和氧化產(chǎn)物、氧化劑與還原產(chǎn)物，進(jìn)而根據(jù)選取合適的電極材料并完成半反應(yīng)方程式的基本骨架，根據(jù)電子得失情況確定電極反應(yīng)與對(duì)應(yīng)方程式，根據(jù)氧化還原反應(yīng)原理書寫原電池半反應(yīng)的基本骨架的流程，見圖2。

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圖2 原電池半反應(yīng)基本骨架

二、原電池半反應(yīng)分析的思維模型建構(gòu)

（一）“水溶液”型原電池

水溶液作為離子導(dǎo)體是原電池教學(xué)裝置模型中最常見的導(dǎo)體，通常介質(zhì)分為酸性、中性和堿性，不同酸堿性的介質(zhì)對(duì)電極反應(yīng)結(jié)果有較大影響。電極上參與反應(yīng)的還原劑或者氧化劑通過得失電子后形成的中間體離子有可能在介質(zhì)中繼續(xù)反應(yīng)直至以最穩(wěn)定的微粒形式存在。如2012年江蘇卷20題（見表1）有關(guān)新型鋁電池的反應(yīng)。根據(jù)原電池工作原理及電反應(yīng)本質(zhì)分析可知，Al既是電極材料又參與電極反應(yīng)，Al失電子后得到Al3+，而Al3+不能在含有氫氧化鈉的水溶液中穩(wěn)定存在，最終以偏鋁酸根離子的形式存在成為最終產(chǎn)物。

根據(jù)“還原劑+ne-→氧化產(chǎn)物”電極反應(yīng)式書寫要求完成電極方程式的初步書寫。下一步考慮的是電荷守恒問題，在初步書寫的電極方程式中分析等式兩邊的電荷數(shù)相差的多少，利用介質(zhì)離子（如酸性為氫離子，堿性為氫氧根離子）的電荷進(jìn)行平衡。電極式“Al-3e-=AlO2-”中，等式左邊3個(gè)正電荷，右邊1個(gè)負(fù)電荷，這就需要在左邊加上4個(gè)氫氧根負(fù)離子進(jìn)行電荷平衡，即為“Al-3e-+4OH-=AlO2-”。最后考慮的是元素守恒，通過等式左右兩邊元素的個(gè)數(shù)相差的元素組成新的物質(zhì)列入電極式即可，“Al-3e-+4OH-=AlO2-”式中左邊多出4個(gè)H和2個(gè)O，將多出的原子重新組合成2個(gè)H2O，寫出完整的電極反應(yīng)式：Al-3e-+4OH-=AlO2-+2H2O。

（二）“固態(tài)”型離子導(dǎo)體原電池

固態(tài)型離子導(dǎo)體相對(duì)水溶液離子導(dǎo)體而言比較惰性，電極反應(yīng)物生成的中間體離子能穩(wěn)定存在于該類離子導(dǎo)體中，因此學(xué)生知道此類離子導(dǎo)體的性質(zhì)就能降低對(duì)此類電池電極方程式的畏懼感。離子導(dǎo)體是否參與反應(yīng)是能否快速準(zhǔn)確書寫電極式的關(guān)鍵所在，也是電極反應(yīng)式教學(xué)中的難點(diǎn)。如2013年北京卷26題，要求分析并書寫負(fù)極電極反應(yīng)式，依據(jù)原電池電極反應(yīng)式書寫的思維模型，抓住原電池的三大核心要素，可快速準(zhǔn)確書寫反應(yīng)式，過程如表2所示。從提供的原電池示意圖可以快速找出正負(fù)電極、氧化劑、還原劑及對(duì)應(yīng)的產(chǎn)物，依據(jù)氧化還原反應(yīng)原理，NO進(jìn)入電池經(jīng)反應(yīng)生成NO2，故NO為還原劑，NO2為氧化產(chǎn)物，負(fù)極電極式的基本骨架為NO-2e-=NO2，利用離子導(dǎo)體中的O2-處理電荷守恒，即得NO-2e-+O2-=NO2。正極參與反應(yīng)的O2失電子形成O2-，在惰性固體電解質(zhì)中供負(fù)極參與反應(yīng)。

（三）“熔融鹽”型離子導(dǎo)體原電池

“熔融鹽”型離子導(dǎo)體與“水溶液”型離子導(dǎo)體類似，需結(jié)合實(shí)際情況考慮電極生成物在離子導(dǎo)體環(huán)境中繼續(xù)反應(yīng)與否的問題，常見于燃料電池中。以熔融碳酸鉀電解質(zhì)為例，丁烷在負(fù)極反應(yīng)生成CO2，根據(jù)變價(jià)元素碳失電子數(shù)目初步寫出負(fù)極電極式，再利用熔融鹽的陰離子處理電荷守恒，根據(jù)元素守恒完善負(fù)極電極式；正極參與反應(yīng)的O2生成O2-與負(fù)極產(chǎn)生的CO2形成熔融鹽的陰離子CO32-，根據(jù)電極反應(yīng)式書寫的思維模型確定電極式，如表3所示。

三、教學(xué)反思

在原電池的教學(xué)中發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)于電極反應(yīng)式的書寫總是存在著許多的問題，問題產(chǎn)生的根源是多方面的[3]：有來自教材本身的問題，如不同版本教材對(duì)同一原電池電極反應(yīng)式呈現(xiàn)不同；對(duì)概念辨析不清楚，受電解池的教學(xué)影響，自發(fā)反應(yīng)和受迫反應(yīng)沒有仔細(xì)區(qū)分；電極反應(yīng)的最終產(chǎn)物微粒存在形式不清楚；理論上的爭(zhēng)議造成的多種電極方程式的寫法混亂等。以上問題在教學(xué)中對(duì)電化學(xué)體系的基本要素（電極反應(yīng)、電極材料、離子導(dǎo)體）教學(xué)處理要到位，尤其是利用原電池教學(xué)模型對(duì)電化學(xué)反應(yīng)原理進(jìn)行內(nèi)化，建構(gòu)電化學(xué)認(rèn)識(shí)模型。設(shè)置問題梯度澄清和糾正以往的迷思概念，從原理和裝置出發(fā)的核心認(rèn)識(shí)角度，系統(tǒng)理解原電池工作原理和構(gòu)成條件，明確原理和裝置的關(guān)系，提高對(duì)于陌生原電池的分析能力，建立比較清晰的依據(jù)已知的氧化還原反應(yīng)設(shè)計(jì)電池裝置的主要思路和方法。

模型認(rèn)知與建構(gòu)屬于化學(xué)核心素養(yǎng)之一，利用模型呈現(xiàn)解釋抽象的化學(xué)概念和原理，可以使之變得易理解。在化學(xué)基本概念和理論的教學(xué)中，重視學(xué)生“雙基”認(rèn)知模型的建構(gòu)，并根據(jù)不同學(xué)段，對(duì)學(xué)生模型認(rèn)知的水平進(jìn)行不同要求，有助于學(xué)生感受、理解概念和理論的產(chǎn)生和發(fā)展過程，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生知識(shí)的掌握、思維能力的提升、核心素養(yǎng)的發(fā)展有極大幫助。

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