對“原電池”的教學研究

徐 昭

貴州

原電池是中學化學的重要內容，是氧化還原反應的重要應用，是高考的重要考點。原電池考查的核心在于電極的確定以及電極反應式的書寫，如何分析原電池，特別是分析陌生度很高的原電池，如何確定電極及正確寫出電極反應式既是教學和考試的重點，也是學生學習的難點。

眾所周知，現行人教版化學《必修2》第二章(化學反應與能量)第2節(化學能與電能)，實驗2-4科學探究和思考與交流分別做了Cu - 稀硫酸 - Zn原電池實驗，金屬(Mg、Cu、Fe)果汁(橙汁、蘋果汁、檸檬汁等)實驗及蘋果電池實驗。學到這里，學生手舞足蹈，表現出強烈的興趣。表面上看，電化學的學習有了良好的開始，但是學到《選修四》第4章“電化學基礎”時，半數以上的學生感到困難，電化學的知識并沒有剛接觸時那么好學，不會做題，反復遭遇失敗，信心受到重創。筆者通過不斷實踐、反思，找到了存在問題的原因在于氧化還原反應的概念教學中沒有到位。只有概念教學到位、對應練習到位、課前鋪墊到位、課后訓練到位，一鼓作氣，教學效果才會更棒。那么，怎樣操作才能使期望實現呢？解決問題的方法是什么呢？筆者通過以下方法對教學進行調整，取得了不錯的教學效果。

一、研究《考試大綱》要求

《考試大綱》中對氧化還原反應的要求是了解氧化還原反應的本質是電子的轉移，了解常見的氧化還原反應，掌握常見氧化還原反應的配平和相關計算，了解原電池和電解池的工作原理，能寫出電極反應和電池反應方程式，了解常見化學電源的種類及其工作原理。

二、研究考題規律

近年來，高考試題凸顯對主干知識的考查。統計發現，氧化還原反應、離子反應、電解質溶液、電化學……這些主干知識幾乎每年必考。事實說明，在新課程核心素養背景下的高考，呈現的是相對穩定的過渡和傳承。如：2010—2018年，全國卷Ⅰ、卷Ⅱ連續八年都考查了電化學的知識。2016—2018年全國卷Ⅲ第11題，分別考查了“鋅 - 空氣燃料電池”“固態鋰硫電池”“鋰 - 空氣電池”的電化學知識。

三、研究教學鋪墊

1.復習氧化還原反應相關概念

明確什么叫氧化反應？什么叫還原反應？什么叫氧化還原反應？氧化反應的實質是什么？還原反應的實質是什么？氧化還原反應的實質是什么？氧化反應與還原反應的關系是什么？以上概念在氧化還原反應的初次教學中講解到位，練習到位。根據艾賓浩斯對遺忘規律的研究，進入原電池內容之前，最好檢測復習氧化還原反應相關概念，使學生對概念爛熟于心。

2.復習“電流”這一概念，講清楚原電池的概念

我們知道，氧化還原反應的實質是電子的轉移，但是電子并沒有定向移動，也就是說，氧化還原反應中的電子轉移是自由移動的，那么如何將電子的自由移動變成電子的定向移動呢？借助一個裝置，就可以使氧化還原反應中電子的轉移(自由移動)轉變成電子的定向移動，這個裝置就是原電池。由于這個裝置形成了電流，所以就有了電能。能量守恒定律告訴我們，能量不會創生，也不會消失，只會從一種形式轉化成另一種形式，從一個物體轉移到另一個物體，在轉化和轉移的過程中，總量保持不變。化學反應會釋放化學能，毋庸置疑，化學能也可以轉化成其他形式的能。因此，從能量轉化的角度來看，這個裝置將化學能轉變成了電能。所以，原電池就是將化學能轉變成電能的裝置，如教材上的單池原電池、雙池原電池。這樣，學生就基本掌握了原電池的概念。

3.講清電極的概念和電極的分類

電極就是電子流入或流出的端口，如生活中的插頭、插座、插線板等都是電極。在原電池中，電子流出的電極叫負極，電子流出就是失去電子，所以負極發生氧化反應，帶正電，吸引陰離子移向負極。所以，在原電池中，負極可以定義為(1)失電子的電極叫負極；(2) 發生氧化反應的電極叫負極；(3)帶正電的電極叫負極；(4)陰離子移向的電極叫負極。講清楚負極，大多數學生就能自學領悟正極。

電子流入的電極叫正極，電子流入就會有粒子在正極上得到電子，所以正極發生還原反應，帶負電，吸引陽離子移向正極。所以，在原電池中，正極可以定義為(1)得電子(電極本身或其他粒子)的電極叫正極；(2) 發生還原反應的電極叫正極；(3)陽離子移向的電極叫正極。

4.講清電子與電流運動的路徑

突出核心素養中“宏觀辨識與微觀探析”這一要素。電子總是從負極出發，經過外電路到達正極，在內電路(介質為電解質溶液、熔融電解質或固體電解質)中，是陰陽離子移動導電，即陰離子移向負極，陽離子移向正極，電子運動方向與電流方向正好相反，根據電子運動方向可以判斷電流運動方向。所以，不論是知道電子運動方向、還是電流運動方向，都可以確定原電池的正負極。

5.講清原電池構成的條件

(1)有兩個電極(大多數不同，也可能相同，如氫氧燃料電池等)；(2)有電解質(電解質通常是溶液，也可能是熔融狀態或固體電解質)；(3)有閉合回路(首尾連通，教學時展示各種閉合回路)；(4)有自發的氧化還原反應。

筆者在授課時，用圖1強調原電池工作原理，抓住原電池工作原理本質，以不變的工作原理應對萬變的情景，突出核心素養中“證據推理與模型認知”這一要素。

圖1

用圖2、圖3介紹不同類型的原電池，從原電池工作原理的角度觸類旁通，達到舉一反三的效果。

圖2

圖3

6.講清原電池電極反應式書寫步驟

[列物質、標得失]→負極失電子，氧化反應；正極得電子，還原反應。

↓

[看環境、配守恒]→電極產物在電解質環境下，應穩定且大量存在。

↓

[兩相加、驗總式]→兩電極反應式相加，與總反應式對照驗證。

四、例題示范，變式強化

例1.以Pt為電極材料，KOH溶液為電解質溶液的氫 - 氧燃料電池。

變式1：以Pt為電極材料的H2- H2SO4(aq) - O2燃料電池。

變式2：一次電池，Mg - NaOH(aq) - Al電池。

變式3：CO燃料電池，熔融鹽(鉑為兩極，Li2CO3和Na2CO3的熔融鹽作電解質，CO為負極燃氣，空氣與CO2的混合氣為正極燃氣)。

五、直面新題、明確方向

例2.(2018·天津卷·10題節選)O2輔助的Al - CO2電池工作原理如圖所示。該電池電容量大，能有效利用CO2，電池反應產物Al2(C2O4)3是重要的化工原料。

電池的負極反應式：_______________________。

反應過程中O2的作用是_______________________。

該電池的總反應式：_______________________。

( )

B.充電時釋放CO2，放電時吸收CO2

【解析】原電池中負極失去電子，發生氧化反應，正極得到電子，發生還原反應，陽離子向正極移動，陰離子向負極移動，充電可以看作是放電的逆反應。

六、總結歸納

原電池正負極的判斷方法：

1.根據原電池反應的方程式判斷

原電池反應均為自發進行的氧化還原反應，在原電池反應方程式中，先判斷出元素化合價升降，元素化合價升高失電子是還原劑，還原劑所在的電極是負極。元素化合價降低得電子是氧化劑，氧化劑所在的電極是正極。

2.根據電流方向或電子移動方向判斷

在外電路中，電子總是由負極流向正極，電流由正極流向負極,電子移動方向與電流流動方向相反(內電路中，電流由負極流向正極)。

3.根據電解質溶液里離子的移動方向判斷

在原電池的電解質溶液里，陽離子移向的電極是正極，陰離子移向的電極是負極。

4.根據兩極發生的反應判斷

原電池的負極總是失去電子發生氧化反應，正極總是得到電子發生還原反應。

5.根據原電池的兩極判斷

一般情況下，較活潑的金屬為負極，較不活潑的金屬或導電的非金屬為正極，但也有特殊情況如：Mg - NaOH(aq) - Al原電池中，Al作負極、Mg作正極。

6.根據電極產生的現象判斷

一般情況下，質量減小的一極為負極，質量增大或有氣泡產生的一極為正極(如：Pb - H2SO4(aq) - PbO2蓄電池中，原電池工作時，負極Pb轉化為PbSO4，正極PbO2轉化為PbSO4，負極和正極質量均增加)。