化學學科核心素養在高中化學教學中的具體體現
——以原電池的電極判斷及電極反應式書寫的再認識及應用為例

鄭志明，范艷玲，劉龍海

(云南省下關第一中學，云南 大理 671000)

電化學是新課程標準中“化學反應與能量”部分的知識，是化學學科“宏觀辨識與微觀探析，變化觀念與平衡思想，證據推理與模型認知，實驗探究與創新意識，科學精神與社會責任[1]”五大核心素養的具體體現之一。近年來高考題目中對電化學的考察頻率非常之高，試題題目常考常新，通常以新型電源為知識背景，這類題目高起點，低落點，往往是圍繞電化學基本原理命題，其中電極判斷以及電極反應式的書寫及正誤判斷幾乎是必考內容。本文將圍繞五大化學核心素養和大家一起探討電化學中原電池的電極判斷及電極反應式的書寫等相關知識。

1 變化觀念與平衡思想的載體——原電池電極的判斷

傳統教學中，教師通常沒有從根本上解釋何為正、負極，而是直接將結論或現象拋給學生，從而使學生容易出現一聽就懂，一做就錯的問題，核心素養中的“變化觀念與平衡思想”所指向的是物質轉化層面的相關內容，含物理變化、化學變化以及化學變化過程中的平衡問題、變化的規律和變化的守恒、能量等問題，屬于物質的動態層面[2]。原電池的電極判斷過程中涉及到在電勢差的作用下電子的定向移動從而產生電能以及電極上所發生的氧化、還原反應等內容正是“變化觀念與平衡思想”的具體體現方式。

1.1 電極的得名

電極的概念是M.法拉第進行系統電解實驗后在1834年提出的，原意只指構成電池的插在電液中的金屬棒，在現代電化學中電極其實是原電池的基本組成部分[2]。利用自發氧化還原反應產生電流的裝置叫原電池，一個原電池必須由兩個基本部分組成：兩個電極和電解質溶液，給出電子發生氧化反應的電極，如丹尼爾電池(圖1所示)中的Zn極，由于其電勢較低，被稱為負極(negative electrode)；而接受電子發生還原反應的一極，如Cu極，由于其電勢較高，而稱作正極(positive electrode)[3]。

圖1 丹尼爾電池

1.2 電極的判斷

從上述分析可知，判斷電極的實質是電勢的相對高低，電勢較高的為正極，電勢較低的為負極，從物理學我們還知道，在外電路中電子將自發的從電勢較低的一極向電勢較高的一極移動，電流的流向與電子的流向相反，即：電流將從正極流向負極，如果用化學語言描述即：失去電子的一極是負極，得到電子的一極是正極。可以推導原電池的工作原理見圖2。

圖2 原電池的工作原理

為方便掌握，將電極的一些常見判斷依據以表格的形式總結，詳見表1。

表1 常見的電極判斷依據

2 宏觀辨識與微觀探析的介質——電極反應式的書寫

化學方程式是描述化學反應的語言，是連接宏觀物質和微觀粒子的紐帶，原電池反應的實質是氧化還原反應，與普通的氧化還原反應不同的是，原電池中的氧化反應和還原反應通常分別在兩極發生，因此對于初學者而言電極反應式的書寫，尤其是燃料電池中電極反應式的書寫顯得比較困難。筆者將電極反應式的書寫方法總結為順口溜如下：

負極氧化正還原，外界環境要體現。三個守恒記心間，正負之和總不變。即：負極發生氧化反應，正極發生還原反應，這是電極反應式書寫的核心依據；外界環境是指電解質溶液的酸堿性、使用何種離子交換膜、熔融金屬氧化物或碳酸鹽等條件；三個守恒包括電荷守恒、質量守恒、電子守恒；正、負兩極的電極反應式之和應與總反應相同。

例1：CH3OH和O2在KOH溶液中組成燃料電池，請寫出該電池的電極反應式及總方程式。

第三步：依據電荷守恒原理配平以上電極反應式，缺少的物質可從介質中尋找。負極左邊有 6 mol 正電荷，右邊有 2 mol 負電荷，因為該電池為堿性電池，所以應該在左邊添加 8 mol OH-，正極左邊有 4 mol 負電荷，右邊應有 4 mol OH-。

電極反應的實質是微觀粒子在負極發生氧化反應、正極發生還原反應的過程，電極反應式架起了微觀粒子與宏觀物質聯系的橋梁，將無法用肉眼觀察的化學反應變得更加直觀，讓生澀而枯燥的化學知識變得有血有肉。

3 實驗探究與創新意識的體現——高考實戰演練

高考試題是檢驗學科核心素養是否達成的重要依據，電化學部分是近年高考的必考內容之一，該部分內容通常以新型電池和燃料電池為載體，圍繞原電池的工作原理尤其是電極判斷及電極反應式的書寫等知識進行命題，題目源于教材中的傳統電池模型，落腳點卻通常高于教材知識，而這正是學科核心素養中實驗探究與創新意識的具體體現。

例2：(2023·廣東卷，6)負載有Pt和Ag的活性炭，可選擇性去除Cl-實現廢酸的純化，其工作原理如圖3。下列說法正確的是

圖3 電池的工作原理

A.Ag作原電池正極

B.電子由Ag經活性炭流向Pt

D.每消耗標準狀況下 11.2 L 的O2，最多去除 1 mol Cl-

圖4 水性電解液

A.Ⅱ區的K+通過隔膜向Ⅲ區遷移

判斷電極的物理依據是電勢的相對高低，由于電勢差的存在，電子從負極流向正極，即：負極失電子、正極得電子，進而可以推知一系列的化學現象、實驗特征；電極反應的實質是氧化還原反應。

4 結語

電極判斷及電極反應式書寫的學習過程促進了宏觀辨識與微觀探析，變化觀念與平衡思想，實驗探究與創新意識的化學學科核心素養的養成，化學學科核心素養的培養應貫穿于高中化學教學的始終。