工程化学电化学教学的思考

2018-04-04赵桂花

山东化工 2018年5期

赵桂花

(南通理工学院，江苏南通　226002)

《工程化学》是高等院校非化学专业学习的一门公共基础必修课，教学目的主要旨在培养工程类学生具备必要的化学基本理论，基本知识和基本技能，从而更好地学习其专业课程；其次是扩充学生的知识面。

本校使用的是周祖新主编的《工程化学》。该教材内容比较宽泛，涉及到了化学热力学、水溶液中的化学、电化学基础、物质结构基础、化学与材料科学。其中电化学基础是较重要的章节。在此章节中有个重要的关系式是能斯特方程，这也是学生的薄弱环节，在书写时会出现各种各样的问题，本人对这些问题进行总结并提出了解决措施。

1　能斯特方程

1.1　能斯特方程的意义

标准电极电势[1]是在标准状态下测定的，所谓的标准状态指的是温度为298.15 K，溶液中离子浓度为1.0 mol·L-1，若为气体，气体压力为100kPa。而氧化还原反应不一定都是在标准状态下进行的。对于任意状态下，原电池中电极电势的大小除了与电极材料本身的性质(体现为标准电极电势)有关外，还与系统的温度、参加电极反应的各物种的浓度(严格地说应为活度)密切相关[2]。德国化学家能斯特(Nernst)从理论上推导出了电极电势与溶液中离子浓度、温度、标准电极电势的关系。

1.2　能斯特方程的型式

本教材[1]中对能斯特方程进行如下表述。

对于一般的化学反应：

其电极电势E与标准电极电势E⊖间的关系可用Nernst方程表示为：

(1)

式中，E为电对中离子在某一浓度(气体为某一分压)时的电极电势；E⊖为该电极的标准电极电势；n为电极反应的得失电子数；F称为法拉第常数，其值为96500C·mol-1；R为通用气体常数，其值为8.31 Pa·m3·mol-1·K-1；T为开尔文温度；c(氧化态)、c(还原态)分别为电对中氧化态物质和还原态物质的相对浓度c/c (或相对分压p/p );a、b分别为电极反应中氧化态物质和还原态物质的计量系数。

在298.15K时，将上述三个常数F、R、T的值代入式(1)中，并进行对数换底计算，则式(1)可简化为：

(2)

在应用Nernst方程式时，应注意以下几点：

①电极反应中各物质的计量系数为其相对浓度或相对分压的指数。

②电极反应中的纯固体或纯液体，不列入Nernst方程式中。由于反应常在稀的水溶液中进行，H2O也可作为纯物质看待而不列入式中。

③若在电极反应中有H+或OH-参加反应，则这些离子的相对浓度应根据反应式计入Nernst方程式中。

2　学生理解误区及示例

实际计算中，大多是用公式(2)来计算在298.15K下的电极电势。在该公式的应用中，初学者往往受到公式表面形式的影响，形成思维定势，甚至照葫芦画瓢也会出现错误。主要体现在以下几个方面。

2.1　有H+或OH-参与电极反应的情况

由于c⊖数值上等于1，所以在Nernst方程中常可省略[3]。因此正确的Nernst方程表达式应该是：

在课堂上会要求学生练习写出298.15K上述电极反应式中电对的Nernst方程表达式，根据学生容易出现的错误总结如下：

(1)c(氧化态)、c(还原态)不能正确的理解。虽然教材公式(2)下面的注意事项中强调“若在电极反应中有H+或OH-参加反应，则这些离子的相对浓度应根据反应式计入Nernst方程式中”，但学生还会仅从字面上来理解，认为对数相中的“氧化态”、“ 还原态”只是与氧化数发生变化的物质有关，因此参与反应的其它物质，例如H+或OH-等常常被忽略。表现为：

(2)浓度的指数常忘记(浓度项的指数是相应的电极反应式中的计量系数)。还有一种情况是c(氧化态)、c(还原态)的指数正确的书写了，但是参与反应的其它物质浓度的指数却又忘记。如：

2.2　有气体参与或固体存在的电极反应

对于此类型的反应，学生在书写时常常会出现如下问题：

(1)对于气体不清楚如何列入方程式中。有的同学还会使用浓度来表示，或者写成了实际压力而不是相对压力p/p⊖。

本教材在讲述时说明“c(氧化态)、c(还原态)分别为电对中氧化态物质和还原态物质的相对浓度c/c⊖(或相对分压p/p⊖)”;其中相对分压p/p⊖就是针对气体来说的。上述电极反应式中电对的Nernst方程表达式应该是：

而学生经常会写成下列形式：

由于c⊖数值上等于1，所以在Nernst方程中常可省略。但是由于p⊖数值上等于100kPa，是不可以省略的。

(2)对“电极反应中的纯固体或纯液体，不列入Nernst方程式中”这句话的理解有误。

正确的Nernst方程表达式应该是：

而学生经常会写出下列形式：

这就是因为误解了“电极反应中的纯固体或纯液体[4]，不列入Nernst方程式中”这句话，实际上并非不列入，而是看成“1”，需要根据分子、分母的实际情况掌握“1”是否需要写，像上述例题，分子上只有“1”，如果不写的话结果就是错的。

2.3　电极反应方程式形式改变

3　教学中的改进

3.1　电极电势的符号问题

我们使用的教材[1]中电极电势和电动势都是用“E”来表示的。对于初学者而言，很容易混淆。虽然文中有相应的解说，也采用增加电对的型式加以区分，比如E(Zn2+/Zn)表示电对Zn2+/Zn的电极电势。但是有些学生在书写时往往忽略书写电对，所以造成教师批改时难以理解其真正要表达的意思。

为了加以区分，在教学过程中可以参考教材《无机化学》的表示方法[5]，用“φ”来表示电极电势，用“E”来表示电动势。本文以下内容用“φ”来表示电极电势，用“E”来表示电动势。

3.2　统一书写电极反应式

3.3　正确理解“氧化态”和“还原态”

在写Nernst方程时常常出现参与反应的其它物质，例如H+或OH-等被忽略的主要原因是没有正确的理解“氧化态”和“还原态”这几个汉字的意义。教材中解释“c(氧化态)、c(还原态)分别为电对中氧化态物质和还原态物质的相对浓度c/c⊖(或相对分压p/p⊖)”，让学生会误解为仅是指氧化数发生改变的物质。虽然在注意事项说明“若在电极反应中有H+或OH-参加反应，则这些离子的相对浓度应根据反应式计入Nernst方程式中”，然而很多学生并不去理解说明的文字，仅从公式表面去理解。再加上此句解释并没有提及浓度指数，所以在写Nernst方程时容易出现2.1节所说的错误。

在讲解时可以参考教材[5]引入Nernst方程的另一种表达方式来解释。