電化學問題中的模型建構與解構

◇ 江西 呂良艷

王軍翔老師在“以‘思維發展’為核心構建中學化學教學的‘理’與‘實’”一文中強調：“思維發展”是化學教學的核心.學生的思維發展包括學科內思維和學科間思維兩個部分，運用學科內思維解決問題，學生更容易理解，由于“學科本位”導致的學科知識間的隔閡、高中階段化學知識特點等原因，學生不善于運用其他學科知識解決化學問題.例如，學生在解決與物理中電學知識相關的化學問題時，往往只會從化學學科的角度去分析問題、解決問題.實際上，運用物理學中的電學知識分析某些化學問題，可使邏輯更嚴密，思維更清晰.“證據推理與模型認知”是高中化學課程標準修訂組提出的化學核心素養之一.“證據推理與模型認知”素養包括能運用模型解釋化學現象，揭示現象的本質和規律.化學學習過程應以化學知識作為構建假設的基礎，依據物質及其變化的相關信息建構模型，運用模型對化學現象進行解構，達到認知物質世界的基本目標.

在教學過程中，判斷離子半徑的大小、原電池為什么能加快化學反應速率、分子構型的判斷、電化學中離子移動的方向等是中學化學中的疑難問題，學生很容易出錯.本文嘗試通過建構物理模型，從宏觀和微觀相結合的視角對以上問題進行分析探討，使抽象的問題具體化、復雜的問題簡單化，加深學生對知識的理解，同時培養學生“證據推理與模型認知”和“宏觀辨識與微觀探析”素養.

1 離子半徑的比較類模型

對電子層數相同的簡單離子半徑進行比較時，教師通常采取定性的方式進行解釋：電子層數相同，微粒所帶電荷數越多，原子核對最外層電子引力越大，離子半徑越小.這樣會讓學生混淆離子半徑和原子半徑，如認為r（Na+）＞r（O2-）.

圖1為離子半徑比較的模型.q1 代表原子核所帶的正電荷，q2代表離子最外層的電子.原子核和最外層電子之間距離為r，原子核對最外層電子的靜電作用為F，由庫侖定律可知對于相同電子層的微粒而言，F 與q1成正比，F 越大，對最外層電子的吸引力越大，微粒半徑就越小.Na+原子核內有11個正電荷，O2-原子核內有8 個正電荷，由于F（Na+）＞F（O2-），最外層電子被吸得更緊，故r（Na+）＜r（O2-）.同理可快速判斷出：r（N3-）＞r（O2-）＞r（F-）＞r（Na+）＞r（Mg2+）.

圖1 微粒半徑比較的物理模型

2 原電池加快化學反應速率模型

為什么原電池可以加快化學反應速率呢？將Zn棒插入稀硫酸溶液符合金屬的“溶解—析出”平衡：由于極性水分子和離子的相互吸引，Zn將電子留在鋅棒上，鋅以［Zn（H2O）6］2+形 式 進 入 溶 液 中，當［Zn（H2O）6］2+慢慢擴散后，受到同種電荷排斥的影響，溶液中H3O+慢慢進入鋅棒得到電子變成H2.1889年，德國化學家能斯特（H.W.Nernst）提出了雙電層理論，用以說明金屬及其鹽溶液之間電勢差的形成和原電池產生電流的機理.在Zn-Cu-硫酸組成的原電池中，Zn在鋅棒上失去電子變成Zn2+，Zn2+與極性水分子結合進入溶液中，電子留在鋅棒上，其物理模型如圖2.Zn棒上的電勢ψ＜0，Cu棒上的電勢ψ=0，電子由低電勢流向高電勢，由Zn棒經外電路流向Cu棒.受Zn2+排斥和正極電子吸引的影響，H3O+移到Cu 棒上得電子產成H2逸出.形成原電池后，H3O+在正極與電子結合的阻力遠小于直接在鋅棒上的電子的阻力，所以原電池可以起到加快化學反應速率的作用.

圖2 Zn—Cu原電池原理物理模型

3 分子構型判斷模型

學生在學習判斷分子的形狀時，通常是采用死記硬背的方式識別分子的形狀，如CH4為正四面體形、NH3為三角錐形、H2O 為角形或V 形.在共價微粒中，中心原子周圍電子對所占的空間盡可能采用使其本身受到的靜電排斥最小的構型，即盡可能地使中心原子周圍的各電子對的距離達到最大，這樣電子對的排斥力會更小，微粒更穩定.

例如，當氧族元素作為配位原子時，可以理解為形成的是配位鍵，不提供電子.如中心原子有4對電子，4對電子到中心原子的距離相等，排斥力最小的理想構型為正四面體形，建構模型如圖3.當其中有1對孤電子對時，其理想構型演變為三角錐形；如果有2 對孤電子對時，其理想構型演變為V 形；如果有3對孤電子對時，其理想構型演變為直線形.如CH4中4 個C—H 鍵完全相同，即甲烷為正四面體形分子，共用電子對排斥力最小，H—C—H 的夾角都為109°28′.由于NH3中N 原子有1對孤電子對，孤電子對和成鍵電子對之間的排斥力大于成鍵電子對和成鍵電子對之間的排斥力，受孤電子對影響，因此NH3的空間構型為三角錐形，測得 H—N—H 的夾角減小到107°18′.H2O 分子 含有2 對孤電子 對，因此H2O 的空間構型為V 形，測得H—O—H 的夾角為104°30′.電子對之間的排斥力大小順序為：孤電子對和孤電子對＞孤電子對和成鍵電子對＞成鍵電子對和成鍵電子對，導致H—C—H 的夾角＞H—N—H 的夾角＞H—O—H 的夾角.

圖3 4對電子排斥的理想模型

4 電化學離子移動模型

電化學裝置主要有電解池和原電池兩種裝置，電化學溶液中陽離子、陰離子的移動問題是學生理解的難點，學生容易混淆原電池中的離子移動和電解池中的離子移動.

4.1 電解池離子移動模型

接電源正極的為陽極，接電源負極的為陰極.電解過程中，電子由電源負極流向陰極，陰極上帶有大量的負電荷，電子由陽極流向正極，陽極帶有大量的正電荷（如圖4）.陽極帶正電，陰極帶負電，把陽極和陰極看成電容器的兩個電極板，兩極板之間形成了一個電容器，存在電勢差，陽離子向陰極移動，陰離子向陽極移動.如電解CuCl2溶液，溶液中的Cu2+、H+、Cl-、OH-處于電容器的中間，受到電勢差的影響，Cu2+、H+向陰極移動，Cl-、OH-向陽極移動.

圖4 電解池離子移動的物理模型

4.2 原電池離子移動模型

在原電池裝置中，負極失電子后產生的陽離子會進入負極附近溶液，負極產生的電子會經外電路流向正極，正極帶有較多的負電荷（如圖5）.將正極和負極看成電容器的兩個電極板，兩極板之間形成了一個電容器，存在電勢差，陽離子向正極移動，陰離子向負極移動.如Zn-Cu-硫酸組成的原電池中，產生的Zn2+在負極附近，和正極形成一個電容器，溶液中的離子受電勢影響，Zn2+和H+向正極移動，和OH-向負極移動.

圖5 原電池離子移動的物理模型

物理知識與化學知識的相互滲透與融合，能有效拓展學生觀察事物的視角和思考問題的空間，提升學生的思維品質和科學素養.依據物質變化的內在規律作出模型假設和模型建構的能力能幫助學生建立解決化學問題的基本框架，由此實現“從化學視角認識事物和解決問題的思想、方法、觀點”的化學學科價值.運用物理思維解決化學問題是一種具有創造性的思維模式.通過建構恰當的物理模型，建立化學重難點和物理模型之間的關聯，引導和鼓勵學生把所學物理知識用于解決化學問題，有利于促進學生自身的科學知識體系全面發展，使其更好地適應現代社會發展的需求.