從原理和事實出發建立正確的模型認知，防止教學中的過度歸納——以微粒在陰、陽極上的放電為例

重慶

以高考題為背景論述高中教學過程中的過度歸納，根據事實和原理出發，建立電解池中離子放電的正確認知模型——“陰離子可以在陰極放電，陽離子可以在陽極放電，含氧酸根離子甚至分子均可以參加電極反應”。教會學生以積極的心態認識和接受新知識、新情景。

1.問題的提出

分析電解放電，書寫電極反應式時，為了讓學生快速找到放電離子，老師通常帶領學生共同參考各種資料進行歸納總結，以便得出這類題目的認知模型。如惰性電極電解溶液時，陽離子在陰極放電，陰離子在陽極放電，含氧酸根離子由于還原性弱于OH-，水溶液中通常不在陽極上放電。此經驗規則在以后的習題訓練和考試中不斷被強化，形成思維定勢導致學生解決此類問題時，審題不清，忽略題干的描述和信息，直接套用上述模型進行證據推理，得出答案。

為驗證經驗規律的準確性查閱相關資料并分析近些年的高考試題，發現上述經驗總結是典型的“過度歸納”。很多真實情景下的電極反應與上述經驗規則相違背，下面以高考題中涉及的真實情景為例簡單論述。

2.原理及案例分析

2.1 陰離子能在陰極放電嗎？

(1)鋼制品應接電源的________極，已知電鍍過程中不產生其他離子且有機陽離子不參與電極反應，陰極電極反應式為____________________。若改用AlCl3水溶液作電解液，則陰極產物為________。

【例2】(2016·江蘇卷·20·節選)鐵炭混合物(鐵屑和活性炭的混合物)、納米鐵粉均可用于處理水中污染物。

2.2 陽離子能在陽極放電嗎？

陽極發生失電子的氧化反應，本質是放電離子還原性的體現，某些處于較低價態陽離子具有較強的還原性，可以在陽極放電發生氧化反應。

【例3】(2014·全國卷Ⅱ·27·節選)鉛及其化合物可用于蓄電池、耐酸設備及X-射線防護材料。回答下列問題：

(3)PbO2也可以通過石墨為電極，Pb(NO3)2和Cu(NO3)2的混合溶液為電解液電解制取。陽極發生反應的電極反應式為____________________，陰極上觀察到的現象是__________________________；若電解液中不加入Cu(NO3)2，陰極發生的電極反應式為______________，這樣做的主要缺點是____________________。

【例4】(2014·北京卷·28·改編)用FeCl3酸性溶液脫除H2S后的廢液，通過控制電壓電解得以再生。某同學使用石墨電極，在不同電壓(x)下電解pH=1的0.1 mol/L FeCl2溶液，研究廢液再生機理。記錄如下(a、b、c代表電壓值)

序號電壓/V陽極現象檢驗陽極產物Ⅰx≥a電極附近出現黃色,有氣泡產生有Fe3+、有Cl2Ⅱa>x≥b電極附近出現黃色,無氣泡產生有Fe3+、無Cl2Ⅲb>x>0無明顯變化無Fe3+、無Cl2

(1)甲同學由Ⅰ推測：Fe2+在陽極放電產生Fe3+。這種推測是否正確，并說明原因：______________。

(2)乙同學由Ⅱ推測，Fe3+產生的原因還可能是Fe2+在陽極放電，其電極反應式為______________。

(3)Ⅱ中雖未檢測出Cl2，但Cl-在陽極是否放電仍需進一步驗證。電解pH=1的NaCl溶液做對照實驗，記錄如下：

序號電壓/V陽極現象檢驗陽極產物Ⅳa>x≥c無明顯變化有Cl2Ⅴc>x≥b無明顯變化無Cl2

與Ⅱ對比，通過控制電壓驗證了Fe2+________(填“先于”“后于”或“同時”)Cl-放電。

分析高考題我們發現，陽離子可以在陽極放電，有些還原性較強的離子(如Fe2+)甚至可能先于陰離子反應。而這恰好是符合氧化還原反應規律的(還原性：Fe2+>Cl-)。

2.3 含氧酸根離子會參與電極反應嗎？

【例5】(2012·北京卷·2·節選、改編)直接排放含SO2的煙氣會形成酸雨，危害環境。利用鈉堿循環法可脫除煙氣中的SO2。

n(SO2-3)∶n(HSO-3)91∶91∶11∶91pH8.27.26.2

(2)混合溶液pH降至約為6時，送至電解槽再生。再生示意圖如下：

【例6】(2016·全國卷Ⅰ·36·節選)高錳酸鉀(KMnO4)是一種常用氧化劑，主要用于化工、防腐及制藥工業等。以軟錳礦(主要成分為MnO2)為原料生產高錳酸鉀的工藝路線如下：

回答下列問題：

(4)將K2MnO4轉化為KMnO4的生產有兩種工藝。

①“CO2歧化法”是傳統工藝，即在K2MnO4溶液中通入CO2氣體，使體系呈中性或弱堿性，K2MnO4發生歧化反應，反應中生成KMnO4、MnO2和________(寫化學式)。

②“電解法”為現代工藝，即電解K2MnO4水溶液，電解槽中陽極發生的電極反應為____________________，陰極逸出的氣體是________。

【例7】(2018·全國卷Ⅰ·27·節選、改編)制備Na2S2O5也可采用三室膜電解技術，裝置如圖所示，其中SO2堿吸收液中含有NaHSO3和Na2SO3。

(1)陽極的電極反應式為______________。

(2)電解后，________室的NaHSO3濃度增加。

(3)b室的________(填“NaHSO3”或“Na2SO3”)濃度增加，原因是______________(用電極反應式說明)。

2.4 分子有可能參與電極反應嗎？

當條件合適的情況下，電中性的分子也有可能參與電極反應。

【例8】(2014·北京卷·26·節選)

(4)Ⅳ中，電解NO制備NH4NO3，其工作原理如圖所示，為使電解產物全部轉化為NH4NO3，需補充物質A，A是________，說明理由：______________。

【答案】NH3觀察圖示轉化中應通入NH3把多余的HNO3轉變為NH4NO3

【例9】(2018·清華大學領軍計劃暨自主招生化學試題)利用電解產生的H2O2處理含氨廢水(電解前用酸調pH=5)的裝置如圖，下列判斷錯誤的是

( )

A.可用硫酸調節廢水的pH

B.陰極的電解產物之一是N2

C.陰極O2的消耗與陽極O2的產生量相同

D.電路中通過3 mol電子時除去廢水中17 g NH3

【答案】C

3.中學教學中的應對方法

電解過程的本質可以認為是氧化還原反應，影響微粒的氧化性或還原性的外界條件有很多，如濃度、溫度、溶液酸堿性、電極電勢等。高中學生由于知識水平所限，一些原理和方法不能講解，避免增加學生的學習負擔。為了解決中學教學中的實際問題避免過度歸納，教師在電化學教學中應牢記以下三點。

3.1 從電解反應的本質：氧化還原反應入手分析

不從原理本身出發而只進行片面的規則總結，不但不是學習知識和解決問題的萬能鑰匙，還會束縛學生的思維，阻礙學生對知識本質的探求。電解池中，電極反應式是微粒氧化性和還原性的體現，而不能簡單歸納為“陰離子在陽極放電，陽離子在陰極放電，含氧酸根離子通常不參與電極反應”。

3.2 避免過度歸納，形成“先入為主”的定勢思維

適當歸納總結是必要的，有利于知識的形成初步，學生可以利用經驗規律解決常見的簡單問題。但在高中學習的后期，更應該帶領學生從原理和事實出發體驗不一樣的電極反應。過度歸納容易形成心理學上的“首因效應”，學生牢牢抓住錯誤的認知模型進行證據推理當然不能得出正確答案。教學中教師應該教會學生辯證地看待問題，感受高中知識的局限，為以后的學習埋下種子。

3.3 題目的信息比“天大”，高考題中尤其如此