宏微结合突破电化学学习中的思维定势

冯洪明

摘 要化学能与电能相互转化是化学教学中的重点和难点知识，学生学习普遍存在一定难度，分析原因主要受一些思维定势的禁锢。通过宏微结合的思想，运用电荷守恒可巧妙地突破这些思维定势。

宏微结合 电化学 思维定势 电荷守恒

电化学是高中化学教学中的重点知识，特别是“化学能与电能相互转化”更是学生学习电化学的难点知识，尤其是对含有离子交换膜的电化学装置的分析与理解许多学生无从入手，难以突破。究其原因，是因为学生对这类装置的工作原理在理解上存在一些思维定势。笔者选择了教学中几个典型的装置，试图通过宏微结合的思想，依据微粒电荷守恒原则突破这类思维定势，帮助学生顺利掌握电化学知识。

一、思维定势一：阴离子不会向阴极迁移

1.例证习题

【2013浙江卷11题】电解装置如图1所示，电解槽内装有KI及淀粉溶液，中间用阴离子交换膜隔开。在一定的电压下通电，发现左侧溶液变蓝色，一段时间后，蓝色逐渐变浅。已知：

3I2+6OH-=IO3-+5I-+3H2O。

下列说法不正确的是（ ）。

A.右侧发生的电极方程式：

2H2O+2e-=H2↑+2OH-

B.电解结束时，右侧溶液中含有IO3-

C.电解槽内发生反应的总化学方程式：

KI+3H2O=KIO3+3H2↑

D.如果用阳离子交换膜代替阴离子交换膜，电解槽内发生的总化学方程式不变

2.突破定势

通电后左侧溶液变蓝色，说明装置中左极室发生的电极反应为：2I--2e-=I2，淀粉遇碘变蓝色，所以左侧应为阳极。右侧为阴极室，电极反应式可表示为：2H2O+2e-=H2+2OH-。根据电解池工作中阴阳离子迁移的一般规律：阳离子向阴极迁移，阴离子向阳极迁移。因此，I-、OH-等阴离子不断向阳极（左侧）迁移，I-持续在阳极被氧化并发生反应：3I2+6OH-=IO3-+5I-+3H2O。根据这样的分析，许多同学坚定地认为选项B错误：IO3-在阳极产生且阴离子不可能进入阴极室（右侧）。然而B恰恰是正确的选项。那么，阳极生成的IO3-到底会不会进入阴极室呢？

“宏观辨识与微观探析”是高中化学学科核心素养之一。如果借助宏微结合的思想重新分析电解池两极室中电解质溶液的组成，不难作出这样的判断：随着电解的进行，阴离子持续向阳极迁移，阴离子浓度减小，阴离子所带的电荷将会小于阳离子所带的电荷，这将导致右侧电解质溶液不呈电中性。因此，为维持离子所带电荷守恒，有部分IO3-进入阴极室就不难理解了。阴离子向阳极迁移是由于受到静电吸引，而电解质溶液中的溶质总有从高浓度向低浓度扩散的趋势，所以阴离子完全可能因为自由扩散而进入阴极室，这样“阴离子不可能向阴极迁移”的思维定势顺利得以突破。

“宏观辨识与微观探析”这一核心素养体现了化学学科特点，因此，在教学中有必要培养学生的微粒观，让学生学会从原子、分子水平认识物质的组成及变化，养成从宏观和微观相结合视角分析并解决实际问题的习惯，真正实现学生核心素养的提升。

二、思维定势二：离子量的变化可以根据电极方程式进行计算

1.例证习题

【2014福建卷11题】某原电池装置如图2所示，电池总反应为2Ag++Cl2=2AgCl。下列说法正确的是（ ）。

A.正极反应为AgCl+e-=Ag+Cl-

B.放电时，交换膜右侧溶液中有大量白色沉淀生成

C.若用NaCl溶液代替盐酸，则电池总反应随之改变

D.当电路中转移0.01mole-时，交换膜左侧溶液中约减少0.02mol离子

2.突破定势

本题最难理解的是D選项。解答时学生一般都作如下分析：电池放电时左侧通入的Cl2被还原，左侧装置应该是负极室，发生的电极反应为：Ag+Cl--e-=AgCl。因此，当电路中转移0.01mole-时，左侧消耗了0.01molCl-，溶液中离子减少了0.01mol，故D项错误。然而正确答案恰恰是D，这又作何解释？

出现上述错误认识的原因是分析电池工作原理时没有做到“宏微结合”。按一般解题习惯，根据电极方程式可以方便地计算得出左侧溶液中Cl-确实减少了0.01mol，但这将导致左侧电解质溶液不呈电中性，负电荷减少了0.01mol，为保证负极室中阴阳离子所带的电荷相等，中间又是用阳离子交换膜进行分隔的，必须同时有0.01molH+向正极（右侧）迁移，因此总共减少离子应为0.02mol。

事实上，电极方程式中离子的变化量只是电极室溶液中离子变化量的一部分，还有一部分的离子会因为要保持电极室电解质溶液呈电中性而变化。特别需要提醒的是“宏微结合”分析溶液中的电荷守恒时不能将电子所带电量计算在内，电子只能在导线中作定向移动。

电化学中不同极室中离子变化量的计算可作下面小结：

①│n（转移离子所带电荷）│=│n（e-）│，若为±1价离子，则为n（e-）=n（转移的离子）。

②正极室、负极室或阳极室、阴极室中电解质溶液始终呈电中性。

③△n（某离子）=n（反应的离子）+n（转移的离子）。如下表所示。其中，反应的离子是指参加电极反应消耗或生成的离子，若消耗记为负，则生成记为正；而转移的离子指的是电解过程为使电极室中溶液呈电中性而发生迁移的离子，若离子流入记为正，则流出记为负。

三、思维定势三：“电解水型”电解池电解后电解质浓度不可能降低

1.例证习题

【2013浙江省竞赛第7题】用惰性电极电解某溶液时，发现两极只有H2和O2生成，则电解一段时间后，下列有关该溶液（与电解前同温度）的说法中，正确的有（ ）。

（1）该溶液的pH可能增大；（2）該溶液的pH可能减小；（3）该溶液的pH可能不变；（4）该溶液的浓度可能增大；（5）该溶液的浓度可能不变；（6）该溶液的浓度可能减小。

A.三种 B.四种 C.五种 D.六种

2.突破定势

本题所述电解池是用惰性电极进行电解，两极产物只有H2和O2，因此，电解实质为用惰性电极电解水。题中所述的前四种情况一般学生都能根据已学电解原理相关知识自行分析得出：电解质为NaOH等强碱时，通电后溶液浓度增大pH将增大；电解质为H2SO4等含氧强酸时，浓度增大pH将减小；电解质为Na2SO4等含氧强酸强碱盐时，通电后溶液浓度增大pH保持不变。当然，第五种情况也易分析，只要电解质溶液为饱和溶液时通电后溶液浓度不变。因此，答案确定为C，而事实上，本题正确答案为D。这又作何解释呢？

如果在解答题时也能运用“宏微结合”的方法，充分考虑电解过程中阴阳离子应作必要的迁移使得电解时任何一个电极室中的电解质溶液都始终保持电中性，（6）这种特殊情况也就变得可以理解和接受了。其实在苏教版《化学与技术》P14“电渗析法”淡化海水中就有相关问题的讨论（如图3）：采用双膜电解槽（用阴、阳离子交换膜将电解池隔成三室的电解槽）电解海水，电解的结果可以实现海水的淡化，电解质溶液的浓度确实是减小了[1]。只要将上述双膜电解槽中的海水换成硫酸钠溶液，通电后就可以实现两极只有H2和O2生成，电解质（硫酸钠）溶液的浓度减小。

思维定势指的是由一定的心理活动所形成的倾向性准备状态[1]。要打破这种思维定势，培养学生的分辨能力，可以采用变式的方法进行习题讲评，即将知识点相似习题进行归类，通过分析与比较，使学生深刻领会基本概念，抓住本质，得出异同。同时，在巩固训练时注意问题的变换，力求一题多问，一题多变，真正达到精讲、精练，走出题海战术[2]。要引导学生走出思维定势的禁锢，还需要要注意“度”的控制，即教学中要严把知识深度与广度关，只有这样才可能在教学中有意识地去激发学生的创造性思维，培养学生的创造精神。

参考文献

[1] 王祖浩.化学与技术[M].南京：江苏教育出版社，2009.

[2] 潘庄严.浅谈思维定势与中学化学教学[J].无锡教育学院院报，2003（1）.

【责任编辑 郭振玲】