基于“模型認知”的原電池教學啟示

林霞

摘要：從電極反應物的性質認識模型、電極反應物和產物的轉化關系認知模型以及綜合電性規律三個角度構建原電池的認知模型。

關鍵字：模型認知;原電池;認知模型

“模型認知”是學生學習化學中要求形成的重要思路和方法，也是學科核心素養體系中的重要組成部分，普通高中化學課程標準的課程目標中要求學生在學習化學中“能認識化學現象與模型之間的聯系，能運用多種認知模型來描述和解釋物質結構、性質和變化，預測物質及其變化的可能結果，能依據物質及其變化的信息構建模型，建立解決復雜化學問題的思維框架” [1]。原電池的學習是學生接觸電化學的基礎入門，而運用好氧化還原反應原理知識是指導學生理解電學和化學的關鍵知識紐帶，也體現了化學反應原理和應用的螺旋式進階特點，豐富學生的化學認知體系，拓寬學生對學科知識的認識角度和思路，而且原電池的知識與生物、物理均有關聯，體現學科交融的現實意義。學生在學習中常見的困難是：對電極反應物、電解質、電極反應、粒子流向等電化學的核心概念知識用相對割裂的方式認知;對產生電流與帶電粒子的定向移動的相關性理解不夠到位;對電極得失電子的對象來源的認知相對孤立單一;分析和解決電化學問題時缺乏明晰的認知思路和角度。本文結合教學實踐，總結 “模型認知”在原電池認知模型構建中的應用。

1.從電極反應物的性質認知模型

原電池裝置是將化學能轉化為電能的裝置，本質上是在兩極分別發生氧化、還原反應，因此可以將電極反應物根據電子得失的能力分為氧化劑與還原劑。對于學生來說，同時分析兩個電極，容易出現混亂，電子的產生本質上是由于還原劑失去電子，在此應當引導學生將重點放在負極反應物的分析，可以說對物質的還原性強弱順序分析的認知建模是原電池教學的基礎。因此，電極反應物的性質認識模型可以分為從負極反應物的一般和特殊性質兩個角度來看。高中階段常見的負極電極反應物可以分類如下：（1）兩極均為活潑金屬時較活潑金屬做負極反應物;（2）兩極為金屬-非金屬/化合物/惰性金屬時金屬做負極反應物;（3）燃料電池，燃料做負極反應物;（4）兩極為惰性電極，溶液中的失電子能力強的微粒（分子或離子）做負極反應物。

此外，從電極反應物的特殊性質角度來看，有些金屬具有兩性，在不同電解質環境下能表現出不同性質。例如鋅鋁氫氧化鈉原電池和鋅鋁稀硫酸原電池中負極材料并不相同。

2.從電極反應物和產物的轉化關系認知模型

當反應物均為比較陌生的化合物時，往往需要進行綜合比較后才能確定負極的還原劑，此時應從反應物和產物中的核心元素的化合價角度認識物質的性質。例如高效過氧化氫尿素電池。尿素和過氧化氫屬于非金屬化合物，直接利用電極反應物認知模型是無法直接判定。因此還需根據電極產物相應元素價態的升降才能作進一步判斷。已知尿素最終轉化為氮氣，因此選擇對其關鍵元素進行價態分析，即：N價態從-3價變為0價，化合價升高發生氧化反應，因此尿素為負極反應物。

常見的多價金屬元素主要是過渡元素鈧、鈦、釩、鉻、錳、鐵、鈷、鎳、銅;多價非金屬主要是氮、磷、砷、氧、硫、氯、溴等。無論價態如何變化，把握好還原劑失電子價態升高。氧化劑得電子價態降低的規律，就能以不變應萬變。

3.構建原電池認知模型

首先，系統的認識物質的氧化還原性，先按元素組成將電極反應物分類為金屬與非金屬、活潑金屬與惰性金屬;其次根據電極反應物用途分為燃料與供氧劑（氧氣）;最后對于復雜的電極反應物按元素化合價進行分類。然后，理解物質發生氧化還原反應的轉化規律，理論上是強制弱規律，但也并非絕對，也要注意區分不同電解質條件下強弱關系可能發生變化！

最后將物質的類別、價態認知角度和電性規律綜合整理形成原電池的一般認知模型，如圖2。

在物質價類認知模型的基礎上，最后的點睛之筆就是電學的基本規律，即電子如何移動形成電流。在電池中負極電子經導線轉移到正極上，由于電子帶負電，因此負極材料缺電子帶上正電荷;正極得到電子，正極材料帶上負電荷，因此溶液中的帶電微粒（離子），根據同性相斥，異性相吸的電性規律，陽離子往帶上負電荷的正極移動，陰離子往帶上正電荷的負極移動。若正極材料上的物質不能參與的電子，將由溶液中的微粒（指分子或離子）根據得電子能力的強弱在正極上得到電子，以保持溶液的電中性（電荷守恒定律），使得負極的電子可以源源不斷的被轉移到正極。而負極不斷地失去電子，若電極材料為活潑金屬將被不斷消耗溶解成陽離子，若電極為惰性材料，則是溶液中的微粒根據失電子能力的強弱將電子轉移到負極材料上，使得負極上的電子能夠穩定的輸出，也保持負極區的電中性，從而使得內外電路互聯互通，形成閉合回路，使得電子可以持續定向流動，從而產生電流，實現將化學能轉化為電能?；谝陨蟽蓚€認知模型的搭建，再到最后的電性規律的綜合，最終實現較為系統完整的原電池的一般認知模型的建構。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）.北京：人民教育出版社，2020：6

注明：本文系廣州教育學會教育科研課題《“模型認知”能力的培養行動研究—以電化學教學為例》科研成果，課題編號：KTLX1201930276