直面異常現(xiàn)象，探究現(xiàn)實問題

陳瀟瀟

摘要：從化學必修2“化學能與電能”一節(jié)教學中出現(xiàn)的科學性問題和異常實驗現(xiàn)象出發(fā)進行了教學設計的反思與改進，對原電池的形成條件進行了細化的解讀，借助物理知識將原電池的形成條件修正為有氧化還原反應等電子轉移過程的反應、形成閉合回路、兩極形成電勢差。

關鍵詞：原電池;形成條件;異常現(xiàn)象;電勢差

文章編號：1008-0546（2019）05-0075-03

中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.05.023

人教版化學必修2“化學能與電能”一節(jié)的教學難點在于，讓學生從電子轉移的角度去理解化學能向電能轉化的本質，并學會設計簡單單液原電池的方法。在常規(guī)教學中，老師們總結的形成原電池的條件一般都是：（1）要有能自發(fā)進行的氧化還原反應;（2）兩個活潑性不同的電極;（3）電極與電解質溶液接觸;（4）形成閉合回路。而這四個條件經(jīng)過科學證實存在科學性錯誤，比如原則上任何氧化還原的半反應都可以設計成半電池，兩個半電池連通，都可以形成原電池。而兩個氧化還原半反應的總反應可能是氧化還原反應，也可能是非氧化還原反應;再比如：氫氧燃料電池中的兩極都為石墨棒，并不存在“活潑性不同的兩極”。徐敏主張將電極電勢的概念引入原電池教學，讓學生認識原電池中電子轉移的本質，使學生習得真實、科學的知識。基于此，本文站在科學性的角度，不回避實驗中產(chǎn)生的異常現(xiàn)象，對必修2“化學能與電能”一節(jié)第一課時的教學進行了反思與改進，總結原電池形成的條件為：有氧化還原反應等電子轉移過程的反應、形成閉合回路、兩極形成電勢差。

一、以氫氧燃料電池引入從能量轉化角度認識原電池

人教版必修2教材中以銅片、鋅片為素材引導學生設計的銅鋅原電池簡單易行，但容易給學生帶來以下迷思概念：（1）zn失去電子，Cu得到電子，是因為zn比cu活潑，而恰恰鋅片和銅片作為導體，直接將其作為兩極，所以學生產(chǎn)生了“用活潑性不同的兩極來設計原電池”的錯誤認知，導致學生在隨后設計原電池的過程中都在尋找“活潑性不同的兩極”;（2）zn為什么會失去電子？學生往往是從金屬活潑性的角度去思考，認為“活潑的金屬會失去電子，作負極”，而不是從氧化劑和還原劑的角度去考慮，當設計的原電池中不涉及有金屬單質參與的反應時，學生往往顯得無所適從;（3）銅鋅原電池中涉及到的是氧化還原反應，學生會以為“只有氧化還原反應才可以設計成為原電池”，不利于今后學習“濃差電池”等不存在氧化還原反應的電池。

基于此，在教學中我們可以通過2017年11月份“豐田研發(fā)的氫燃料電池車在中國開始實證實驗”這一新聞報道為情境線索，向學生介紹將氫氣和氧氣反應過程中產(chǎn)生的化學能轉化為電能不需要通過“化學能一熱能一機械能一電能”多個環(huán)節(jié)，借助氫氧燃料電池的巧妙設計可以實現(xiàn)化學能到電能的高效率轉化。再通過自制“簡易氫氧燃料電池”的小實驗，將新聞報道中高端的工業(yè)設計在課堂中變成看得見的實驗現(xiàn)象，激發(fā)起學生對原電池的研究興趣。

[演示實驗：自制“簡易氫氧燃料電池”]預先將兩根石墨棒淬火，后插入帶橡膠塞的u型管中電解硫酸鈉溶液，一段時間后石墨棒兩極儲存了氫氣和氧氣，將兩極與檢流計或小功率用電器相連，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了電流。

[引入階段的驅動性問題]（1）氫氧燃料電池中的能量轉化形式是怎樣的？相比火力發(fā)電有何優(yōu)點？（2）氫氧燃料電池中的電子從何而來？（3）能否將其他反應設計成原電池？

[學生認識發(fā)展脈絡]氫氣和氧氣只有點燃才能發(fā)生化學反應一不點燃氫氣和氧氣，也可以讓二者發(fā)生化學反應，實現(xiàn)化學能到電能的一步轉化一若一個反應中有電子轉移，可以嘗試依托該反應設計原電池。

二、聚焦銅鋅原電池中的錯誤設計與異常現(xiàn)象物理知識協(xié)同教學

經(jīng)過前面對氫氧燃料電池的認識，老師給學生拋出了一個原電池設計的任務：給定反應zn+H2SO4=ZnSO4+H2↑設計一個原電池。這個時候學生的設計未必完美，可能有方案一和方案二兩種錯誤設計（圖1、圖2）。

方案一與方案二的失敗設計中檢流計不能檢出電流，我們將問題回歸到電流產(chǎn)生的基本條件上來，人教版九年級物理第15章第二節(jié)中講到：“導線中電子的定向移動形成電流，”具體到原電池的設計，我們將問題聚焦到“從哪兒可以獲得電子？”和“如何讓電子定向移動？”兩個驅動性問題上來。學生很容易想到氧化還原反應中存在電子轉移，借助氧化還原反應可以獲得電子，同時，也有部分同學想到了物理中學習過的電子定向移動的條件——閉合回路中存在電勢差。就此引導學生得到了原電池形成的條件：有電子得失的過程、形成閉合回路、兩極有電勢差。這種從物理中“電流的產(chǎn)生條件”出發(fā)來探究原電池形成條件的設計看似難度比較大，但在實際教學中，我們發(fā)現(xiàn)學生其實是很容易接受的。反而是避而不談“電動勢”、“半反應”的問題，會讓學生對電子定向移動的“原動力”產(chǎn)生疑惑。

1.Zn-Zn-H2SO4（aq）原電池一定是失敗設計嗎？

有學生受到“形成閉合電路”的啟發(fā)，卻未考慮電勢差的問題，會設計出第三種方案（圖3），很多老師認為這種方案中不會檢測得到電流，是一種失敗設計。

事實上，如果兩側鋅片純度不同，是會形成濃差電池而產(chǎn)生電流的，學生在實驗中也發(fā)現(xiàn)檢流計的指針是可以發(fā)生輕微偏轉的（1mol/L稀硫酸，約為7mA）。如果此刻我們粗暴地斷定這種設計不可能成功，那學生在學習Ag，AgCll HCl（α1） HC1（α2） AgCl，Ag這種經(jīng)典溶液濃差電池時會產(chǎn)生相當大的困惑。在教學中我們可以不回避這個異常現(xiàn)象，而是讓學生討論產(chǎn)生電流的原因：在方案三中兩個電極處發(fā)生的半反應雖然相同，但鋅片不純等因素會導致在導線兩端產(chǎn)生電勢差，從而形成了微弱的電流。這種設計滿足了“有電子得失的過程”“形成閉合回路”“兩極有電勢差”的要求，但電流太小，說明這種電勢差并不大，化學能轉化為電能的效率并不高。老師借機拋出下一個驅動性問題：“如何增大兩側電極的電勢差？”學生經(jīng)過嘗試，給出了方案四（圖4）銅鋅原電池的設計，檢測出了比較大的電流。Zn-Zn-H2SO4（aq）原電池的成功看似是受實驗材料純度影響的一種失敗設計，但在課堂教學中，老師如果可以將其作為解決“電勢差較小，電流較小，如何獲得較大電流？”這一問題的一個過渡，將會加深學生對電勢差與原電池產(chǎn)生的電流強度之間關系的理解，為之后設計電勢差較大的銅鋅原電池做好鋪墊。

學生在方案四（圖4）中檢測到了比較大的電流，分析電子流向，我們發(fā)現(xiàn)得失電子不再是“同時同地”的，而是“同時異地”進行，這是增大導線兩端電勢差的關鍵方法。至此，很多老師在教學中會說“鋅片失去了電子，氫離子在銅片處得到了電子，所以在銅片處我們可以看到大量氣泡”。然而在實際教學中發(fā)現(xiàn)：不僅在銅片處產(chǎn)生了氣泡，在鋅片處也產(chǎn)生了非常大量的氣泡。鋅與稀硫酸直接接觸，除去鋅片不純的原因，氫離子在金屬鋅表面反應的電極電位為0.7V，而該反應的AE=E（H⁺/H2）-E（Zn²⁺/Zn）=0-（-0.76V）=0.76V，仍存在一定的電極電位差（0.76V-0.7V=0.06V），所以從理論上來講不管鋅片純凈與否，鋅片處產(chǎn)生氣泡都是非常正常的現(xiàn)象。很多老師避而不談這個實驗現(xiàn)象，或者簡言之是“鋅片與稀硫酸直接反應了，是因為鋅片不純的緣故”，實際上并沒有真正從科學性的角度打消學生心中的疑惑。

針對這個異常現(xiàn)象，老師在上課過程中不妨大大方方的拿出來探討，雖然不必介紹電極電位的相關理論，但卻可以理直氣壯地告訴學生：“鋅片上產(chǎn)生大量氣泡說明鋅并沒有將電子全部通過導線傳遞給H⁺，而是直接與其反應了。這是一個“副反應”或“我們不愿意其發(fā)生的反應”，但這個反應在這種設計中不可避免。我們該如何改良我們的設計，使電子轉移的效率更高，從而獲得更多的電能？”雙液雙池原電池剛好可以解決這個問題，我們在此處埋下伏筆，為學生在選修4中學習鹽橋和雙液雙池原電池打下了基礎，形成了關于原電池的整體設計。

[驅動性問題]（1）初中物理中所介紹的導線中形成電流的條件是什么？（2）方案三中，形成原電池的條件滿足了哪些？（3）電解質溶液為什么會導電？（4）電極兩側的電勢差是如何產(chǎn)生的？（5）如何使得方案三中原電池產(chǎn)生的電流更強？（6）方案四中較大的電勢差是如何形成的？

[學生認知發(fā)展脈絡]（1）結合物理知識，知道電子在導線中的定向移動會形成電流，電子可以來自于氧化還原反應;定向移動需要兩個條件：閉合回路和電勢差。

（2）如何形成閉合回路？內電路溶液中離子的移動起到傳遞電荷的作用，協(xié)助形成閉合回路，外部導線要與導體相連。

（3）如何形成電勢差？鋅片與稀硫酸反應時的兩個半反應的電極電位不同存在電勢差，但二者直接接觸時得失電子“同時同地”進行，沒有創(chuàng)設電子移動的條件，讓得失電子在不同區(qū)域“同時異地”進行，促使電子在導線中進行移動，電子在導線中定向移動，形成了電流。

三、回歸科學本質細化原電池的形成條件

借助物理知識，我們在分析方案一、二的失敗原因時已經(jīng)總結出原電池的形成條件為：有電子得失的過程、形成閉合回路、兩極有電勢差。再結合我們中學所學知識，我們將抽象的理論知識細化為操作性強的形成條件：（1）有電子得失的過程——可以依托氧化還原反應來設計原電池。雖然部分非氧化還原反應也可以設計成為原電池，但高中階段不予討論。（2）形成閉合回路——用可以導電的物質作電極、有電解質提供可移動的離子并創(chuàng)設離子定向移動的條件（水溶液或熔融狀態(tài)），用導線連接形成閉合回路。（3）兩極有電勢差——讓得失電子的過程在不同區(qū)域進行。本質是借助不同物質轉化時的電極電位不同形成電勢差，電子在定向移動過程中形成電流。

四、反思

課本當中的知識點和實驗有它的局限性，它僅僅是起到“拋磚引玉”的作用，老師備課應該站在更高的視角來分析簡單原理背后的深刻內涵，才能在教學中深入淺出。在涉及到交叉學科知識點時，更應該運用多學科知識協(xié)同教學，讓學生形成“理科綜合體”的意識。從必修到選修，課程內容上的升華也促使老師們認真解讀課本，形成關于知識體系的整體教學，必修階段的教學如果能夠串聯(lián)選修知識的學習，甚至激發(fā)起學生進一步深入研究大學化學的興趣來，才算真正實現(xiàn)了目前所提倡的深度學習。