高中电化学的教学问题探讨及建议

莘赞梅

摘要： 电化学是中学化学教学的重点和难点，有很多值得深入思考和探讨的问题。电化学主题是放在选择性必修模块“化学反应原理”第一章（单独成章），离子的放电顺序如何、怎样书写有水参与电解的电极反应、电化学主题中的化学史内容有哪些？针对教学中比较突出的几个问题作深入探讨。

关键词： 电化学; 电极反应; 放电顺序; 化学史

文章编号： 1005-6629（2020）03-0041-04

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

电化学一直以来都是中学化学教学的重点和难点，该内容主要分布在必修、选择性必修模块“化学反应原理”中。对于电化学这样一个经典的核心专题，实践中存在一些普遍性问题： 很多教师一般只能就教材而教，没有整合教材内容的意识;一些教师不能全面地科学地理解学科知识，因而不能灵活地运用知识;有些问题涉及到教材的科学编写，但也与任课教师对内容的准确把握息息相关，所以厘清电化学教学中存在的常见问题很有必要。下面针对教学中比较突出的几个问题进行探讨并给出教学建议。

1  电化学主题放在哪里更合适？电解池和原电池的顺序如何安排更好？

电化学内容从知识分类看，属于化学基本概念和原理内容，是氧化还原反应理论的延伸和具体应用。从主题分类看，电化学属于选择性必修模块“化学反应原理”三大主题之一——化学反应与能量，因而鲁科版[1]、苏教版[2]实验教材均按主题呈现电化学内容，将电化学内容放在教材第一章，而人教版[3]实验教材则将电化学内容单独编排，位于教材的最后一章。从主题逻辑看，鲁科版、苏教版实验教材的编排似乎更符合逻辑，但从学生的认知基础和实践效果看，由于电化学内容涉及电解质的电离等水溶液问题，如果放在水溶液之前讲，知识有断层、跳跃性大，不利于学生自主建构电化学的认知模型。所以，笔者认为将电化学内容放在水溶液的离子平衡之后讲解更合适，水溶液中的离子平衡更有利于建立微粒观。电化学是对微粒观的深化和应用，也就是说，人教版教材的编排更符合学生的认知顺序。

对于电解池和原电池的先后顺序，人教版、苏教版实验教材是原电池在前电解池在后，而鲁科版实验教材则相反，但2019鲁科版新教材样书修订了这一顺序，也是原电池在前电解池在后。对比国外教材发现，美国《化学： 概念与应用》[4]将电解池放在原电池之前。为什么会有这些顺序的差异，其思考的依据是什么值得我们去深思。从科学发展的历史看，确实是原电池

发明在前电解池在后，这可能是国内教材编排的思考之一。从学生的认知基础看，学生在初中、必修模块中知道电解水、电解熔融氯化钠制备钠、电解熔融氧化铝制备铝等事实，学生所不知道的是如何从微观角度分析。对于原电池，学生在必修阶段已经学习了Zn|稀H2SO4|Cu单液原电池原理，所以，无论是原电池还是电解池，学生都是有认知基础的。从知识的难度看，学生知道的电解事实容易帮助学生建构电解的概念，學生比较容易分析电解质溶液中微粒的来源和种类，在电流的作用下，结合氧化还原知识，较容易进行微观的、动态的分析。电解的模型类型只有惰性电极和活性电极两种类型，而原电池，从单液电池→双液原电池→燃料电池→二次电池等，模型类型比较多，学习过程中容易产生迷思概念，很多学生对“氧化剂和还原剂不接触就能自发反应”始终心存疑惑，不利于建构电化学的模型和分析思路，也就是说，电解池原理和模型比原电池更简单，更容易建构电化学的认知模型，更适合建立“分析电化学问题的思路和方法”。在一标（课标）多本（教材）的今天，教师要有整合教材的意识，建议电解池放在原电池之前讲解更合适。另外，在化学电源中需要介绍二次电池，而二次电池的充电过程就是电解原理，学生只有掌握了电解原理，才能充分理解二次电池的充电原理，这也是建议电解池放在原电池之前的重要原因。

2  离子放电顺序及电解问题的解释

一般来说，常见阳离子的放电顺序是： Ag+>Hg2+>Fe3+>Cu2+>H+>Pb2+>Sn2+>Fe2+>Zn2+>Al3+>Mg2+>Na+>Ca2+>K+。这个顺序是怎么来的？这个顺序是根据电极电势数据的大小排列出来的，即： 上述金属阳离子的放电顺序与金属的活动性顺序相反，从左到右电极电势的代数值逐渐减小，得电子能力逐渐减弱。需要注意的是，由于电极电势是在溶液中测定的，所以金属活动性顺序仅适用于金属和溶液间的反应，不适用于高温和干态。比如： 工业上可用Na与KCl发生置换反应制取金属K，因为K的沸点比Na、 NaCl、 KCl的沸点都低，且高于Na、 NaCl、 KCl的熔点，Na不挥发而K达到沸点而挥发，以蒸气的形式离开反应体系，这样反应就有利于向右进行。

当然，上述顺序并不是一成不变的，由于超电势的存在有可能使电解时电极上的放电顺序发生改变。对于靠近H+且排在H+后的Pb2+、Sn2+、Fe2+、Zn2+等离子，当溶液中只有H+和这些金属离子时，氢离子先放电，阴极上析出氢，由于氢有较大的超电压（超电势），而使其析出电位（电势）更负，能使位于氢前面不远的金属（如Zn、 Fe等）离子放电，而得到相应金属[5]。这样，金属离子的放电顺序变为： Ag+>Hg2+>Fe3+>Cu2+>Pb2+>Sn2+>Fe2+>Zn2+>H+>Al3+>Mg2+>Na+>Ca2+>K+，这个顺序比理论顺序更符合实际。有了这个顺序，就能解释为什么电解ZnSO4溶液阴极可得到Zn，电镀锌时，阴极为什么是Zn2+放电而不是H+。

电极电势的代数值越小，微粒越容易失去电子，所以，根据电极电势数据得到的阴离子放电顺序是： S2->OH->I->Br->Cl->含氧酸根离子，由于O2的超电势较大，所以实际析出电势增大，因此，实际放电顺序常常是： S2->I->Br->Cl->OH->含氧酸根离子。这个顺序与中学教师介绍给学生的顺序是一致的，用这个顺序才能解释电解饱和氯化钠溶液时Cl-优于OH-放电。严宣申先生在《化学反应原理选讲》中写道： 电解NaCl溶液，Cl-、 OH-均可在阳极上被氧化，两者的电极电势： Cl2+2e-2Cl-  Eθ=1.36V; O2+2H2O+4e-4OH-  E=0.82V（NaCl液中[OH-]=10-7mol/L）。按说由电势看，应该是OH-放电先于Cl-，但由于O2在石墨电极上的超电势比Cl2大了许多，如I=1000A/m2（298K）时，Cl2在石墨电极上的超电势为0.25V，而O2的超电势为1.09V，所以石墨电极上Cl-优于OH-放电[6]。但这个顺序并不是永远保持不变的，比如以石墨电极电解氯化钠溶液，当c（Cl-）浓度变小、ECl2/Cl-数据变得更大，大于EO2/4OH-时，OH-先于Cl-放电，即存在OH-、 Cl-竞争放电。当然，离子放电能力与离子浓度、电流密度、电极材料的超电势等多因素有关，所以，离子的放电顺序是可变的。教师只有自己先科学地全面地理解上述学科知识，才可能准确地教授学科知识。建议在讲解放电顺序时，应该告知学生放电顺序在不同条件下是不同的，切不可将知识讲“死”了。比如，新课教学时通过电解饱和食盐水的实验事实得出了失电子能力是Cl->OH-，但在复习课的教学中，应该告知学生存在OH-、 Cl-竞争放电的事实，使学生的认识有进阶地发展。

3  如何书写有水参与电解的电极反应

惰性电解H2SO4、 NaOH、 Na2SO4等溶液，相当于电解水，电解硫酸时阳极的电极反应可以写成2H2O-4e-O2↑+4H+或4OH--4e-O2↑+2H2O。电解NaOH溶液的阴极反应可以写成电解2H2O+2e-H2↑+2OH-或2H++2e-H2↑，中学教师多年来就是这样教的。到底哪种写法更符合逻辑和本质呢？从以往各版本教材和中学各类教辅看，凡是水中的H+或OH-放电的，都是直接写成2H++2e-H2↑、 4OH--4e-O2↑+2H2O，如2019年以前的人教版[7]、鲁科版[8]实验教材中电解NaCl的阴极反应，均写成2H++2e-H2↑。

在书写有水参与电解的电极反应时，无论是教材还是大多数教辅材料，都存在人为规定的不足，造成学生前后认知的不统一，无形中给教学带来了困难。不足主要体现在以下几方面：

（1） 与离子反应的书写原则造成矛盾。电极反应式是用来表示电解质溶液中的粒子（离子或分子）在两极发生氧化还原反应生成新物质过程中的化学用语，应该与离子反应书写的原则基本一致。离子反应是用参加反应的物质在水中的主要存在形式来表示化学反应的式子，因此教材提出“把易溶于水、易电离的物质写成离子的形式，把难溶的物质、气体和水（随着学习的深入，拓展为难电离的物质）等仍用化学式表示”。按此原则，H+表示的是易溶于水、易电离的物质——强酸，而电解饱和食盐水时，根据放电顺序，阴极是水电离的H+获得电子生成H2。水是一种极弱的电解质，发生微弱电离，根据“难电离的物质仍用化学式表示”这一原则，在书写离子反应时只能写成H2O这种化学式而不能写成H+这种离子的形式，那么，电极反应书写应该是： 2H2O+2e-H2↑+2OH-，而不应该写成2H++2e-H2↑这种形式。这样，用一个标准将离子反应的书写和电极反应的书写有机统一起来，既能让教师在教的过程中有理有据，也不至于引起学生思维的混乱。

（2） 阴阳两极的反应加和不能得出总的离子方程式。我们知道，无论是原电池原理还是电解原理，只是将氧化还原反应分开在两极上进行，因此，将正、负（或阴、阳）两极的电极反应加和，应该能得到总反应的离子方程式（或化学方程式），原电池原理的正、负两极电极反应加和确实能得出总方程式，而电解原理中，阴、阳两极反应加和有的不能得出总的离子方程式（比如电解食盐水等），这给学生的认知造成很大的混乱，善于思考的学生经常会在教师讲完电解后提出这个尖锐的问题。再如，电解盐酸溶液的反应实质与电解饱和食盐水是不同的，但阴极、阳极书写的电极反应却完全相同，这是人为规定的标准不统一造成的矛盾。

傅献彩等《物理化學》教科书[9]的标准电极电势表中表达： 酸性介质中，阳极： 2H2O-4e-O2↑+4H+，阴极： 4H++4e-2H2↑;在碱性溶液中，阳极： 4OH--4e-O2↑+2H2O，阴极2H2O+2e-H2↑+2OH-。

基于上述分析，无论是从离子反应的原则，还是从学生认知的发展来看，以往高中化学教材表达“水参与电解的电极反应”时存在与书写离子反应相矛盾的瑕疵，所以应该改变原有的思维定势，将电极反应的书写习惯与离子反应的书写原则统一标准，修改沿用了很多年而不符合学生认知的某些电极反应的书写。中学教材中涉及到的主要是电解饱和食盐水，应该按下式书写更符合逻辑和学生认知： 阴极： 2H2O+2e-H2↑+2OH-;阳极： 2Cl--2e-Cl2↑;将阴、阳极反应加和，可得总的离子方程式： 2Cl-+2H2O电解2OH-+H2↑+Cl2↑。从上面的电极反应就能看出，阴极产物有H2和碱两种，无需教师做更多的解释，学生就能理解阴极产生强碱这一过去难以理解的知识点，可见，这样的书写既直观地反映科学事实，又能与离子反应的书写原则保持一致，何乐而不为呢？对于电解硫酸、硫酸钠、氢氧化钠等溶液，宏观看都是电解水，按照教材的书写习惯阳极都是OH-放电，阴极都是H+放电，但这种写法却不能反映OH-、 H+的来源，而用离子反应的标准来书写，电极反应式能清楚地将参与电极反应的粒子（离子或水分子）的来源及各极的产物准确地表示出来，给学生一目了然的感觉。可喜的是，2019年人教版教材已经将电解饱和食盐水的阴极反应写成2H2O+2e-H2↑+2OH-[10]，这种修正，更加贴近溶液的微观本质，符合学生的认知。

4  电化学中的化学史内容

我国著名教育家、化学家傅鹰教授曾多次讲过：“一门科学的历史是那门科学中最宝贵的一部分，因为科学只能给我们知识，而历史却能给我们智慧。”正如法国著名科学家朗之万所说：“在科学教育中，加入历史的观点是有百利而无一弊的。”化学史的教育功能已被越来越多的化学教师所领悟并应用到教学中。化学史是化学学科孕育、形成、发展及其演变规律的历史。化学教学中引入化学史，可以对学生进行正确的理论思想和研究方法的教育。通过化学史教学，学生不仅能掌握化学发展的规律，提高他们发现问题、分析问题、解决问题的能力，也能学习科学家思考问题的方式方法，对学生正确认识主观与客观、理论与实践、个人与社会、人类与自然的关系等一系列的问题具有重要的意义。

中学电化学内容中蕴含哪些化学史，如何在该主题中渗透化学史教育，这是值得探讨和思考的问题。尽管教学中一些教师会涉及一点，但对于电化学整体的发展史，很多教师还是不清楚的，非常有必要做个简单梳理。1786年，意大利解剖学家伽伐尼（Galvani）发现金属片接触青蛙肌肉时发生抽搐现象，可以认为是电化学的起源，到现在电化学的发展经历了200多年，在这个过程中，众多科学家对电化学的发展起到了推动作用。1799年，意大利化学家伏特（伏打）用不同金属夹湿纸组成了能维持一定电流的电堆，即伏打电堆。1800年，英国化学家尼克尔森和卡利斯尔电解了水。从1807年，英国化学家戴维用自制的强大电池组，通过电解的方法制得了金属钾、钠、镁、钙、锶、钡和非金属元素硼和硅（硅： 贝采里乌斯最先发现），成为化学史上发现新元素最多的人[11]。1836年丹尼尔电池诞生;1859年铅蓄电池发明;1883年发明了氧化银电池，1888年实现了电池的商品化;1899年发明了镍-镉电池。1942年英国科学家葛洛夫制造了第一个燃料电池，进入20世纪70年代，不同类型的燃料电池陆续面世。锌锰电池与人们的生活息息相关，锌锰电池也是较早进入人们生活的电池，它的发展经历了漫长的演变，直到1950年代前后，在锌锰干电池的基础上成功研制出碱性锌锰电池。1990年前后发明了锂离子电池，很快实现了锂离子电池的商品化。可以说，电池的改进和种类探索仍在进行中。

上述电池的发展史，伏打电池、丹尼尔电池、燃料电池等在建构原电池模型中起着重要作用，这或许是教材选择它们的原因之一。在必修原电池构成条件的探索中，可以让学生经历伏打电池的发现过程，自主探索构成原电池的条件，寻找合适的电极材料和电解质溶液，明确学生的探索过程也是伏打对电池的探索过程。在选择性必修模块1的原电池教学中，结合铜-锌单液原电池、铜-锌双液原电池、燃料电池，简单介绍电池的发展历史及新型电池的开发。在电解池教学中，则重点介绍戴维、法拉第等多位科学家的贡献，法拉第明确了电解质、电极、阴极、阳极、离子、阴离子、阳离子等概念，归纳了法拉第定律。尽管是简单的介绍，但对于学生思维和创新能力的培养，无疑是有积极作用的。

总之，电化学科学的发展，推动了世界科学的进步，促进了社会经济的发展，对解决人类社会面临的能源、交通、材料、环保、信息、生命等方面，已经作出并正在作出巨大的贡献。作为中学化学经典内容的电化学知识，要发挥其培养学生学科核心素养的载体作用，则必须建立在教师对相关知识的深刻理解和准确把握上。

（注： 本文是参加“北京教育学院中学化学卓越工作室”期间完成的成果。）

参考文献：

[1][8]王明召， 高盘良， 王磊. 普通高中课程标准实验教科书·化学反应原理[M]. 济南： 山东科学技术出版社， 2011.

[2]王祖浩主编. 普通高中课程标准实验教科书·化学反应原理[M]. 南京： 江苏教育出版社， 2012.

[3][7]宋心琦主编. 普通高中课程标准实验教科书·化学反应原理[M]. 北京： 人民教育出版社， 2007.

[4]（美）菲利普等. 王祖浩译. 化学： 概念与应用[M]. 杭州： 浙江教育出版社， 2008.

[5]陈宝吉等. 物理化学概念在中学化学中的應用[M]. 济南： 山东教育出版社， 1986.

[6]严宣申. 化学原理选讲[M]. 北京： 北京大学出版社， 2012.

[9]傅献彩等. 物理化学（下册）（第4版）[M]. 北京： 高等教育出版社. 1990.

[10]王晶主编. 普通高中课程标准实验教科书·化学反应原理[M]. 北京： 人民教育出版社， 2019.

[11]白建娥， 刘聪明.化学史点亮新课程[M]. 北京： 清华大学出版社， 2012.