基于“模型认知”的原电池教学启示

林霞

摘要：从电极反应物的性质认识模型、电极反应物和产物的转化关系认知模型以及综合电性规律三个角度构建原电池的认知模型。

关键字：模型认知;原电池;认知模型

“模型认知”是学生学习化学中要求形成的重要思路和方法，也是学科核心素养体系中的重要组成部分，普通高中化学课程标准的课程目标中要求学生在学习化学中“能认识化学现象与模型之间的联系，能运用多种认知模型来描述和解释物质结构、性质和变化，预测物质及其变化的可能结果，能依据物质及其变化的信息构建模型，建立解决复杂化学问题的思维框架” [1]。原电池的学习是学生接触电化学的基础入门，而运用好氧化还原反应原理知识是指导学生理解电学和化学的关键知识纽带，也体现了化学反应原理和应用的螺旋式进阶特点，丰富学生的化学认知体系，拓宽学生对学科知识的认识角度和思路，而且原电池的知识与生物、物理均有关联，体现学科交融的现实意义。学生在学习中常见的困难是：对电极反应物、电解质、电极反应、粒子流向等电化学的核心概念知识用相对割裂的方式认知;对产生电流与带电粒子的定向移动的相关性理解不够到位;对电极得失电子的对象来源的认知相对孤立单一;分析和解决电化学问题时缺乏明晰的认知思路和角度。本文结合教学实践，总结 “模型认知”在原电池认知模型构建中的应用。

1.從电极反应物的性质认知模型

原电池装置是将化学能转化为电能的装置，本质上是在两极分别发生氧化、还原反应，因此可以将电极反应物根据电子得失的能力分为氧化剂与还原剂。对于学生来说，同时分析两个电极，容易出现混乱，电子的产生本质上是由于还原剂失去电子，在此应当引导学生将重点放在负极反应物的分析，可以说对物质的还原性强弱顺序分析的认知建模是原电池教学的基础。因此，电极反应物的性质认识模型可以分为从负极反应物的一般和特殊性质两个角度来看。高中阶段常见的负极电极反应物可以分类如下：（1）两极均为活泼金属时较活泼金属做负极反应物;（2）两极为金属-非金属/化合物/惰性金属时金属做负极反应物;（3）燃料电池，燃料做负极反应物;（4）两极为惰性电极，溶液中的失电子能力强的微粒（分子或离子）做负极反应物。

此外，从电极反应物的特殊性质角度来看，有些金属具有两性，在不同电解质环境下能表现出不同性质。例如锌铝氢氧化钠原电池和锌铝稀硫酸原电池中负极材料并不相同。

2.从电极反应物和产物的转化关系认知模型

当反应物均为比较陌生的化合物时，往往需要进行综合比较后才能确定负极的还原剂，此时应从反应物和产物中的核心元素的化合价角度认识物质的性质。例如高效过氧化氢尿素电池。尿素和过氧化氢属于非金属化合物，直接利用电极反应物认知模型是无法直接判定。因此还需根据电极产物相应元素价态的升降才能作进一步判断。已知尿素最终转化为氮气，因此选择对其关键元素进行价态分析，即：N价态从-3价变为0价，化合价升高发生氧化反应，因此尿素为负极反应物。

常见的多价金属元素主要是过渡元素钪、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜;多价非金属主要是氮、磷、砷、氧、硫、氯、溴等。无论价态如何变化，把握好还原剂失电子价态升高。氧化剂得电子价态降低的规律，就能以不变应万变。

3.构建原电池认知模型

首先，系统的认识物质的氧化还原性，先按元素组成将电极反应物分类为金属与非金属、活泼金属与惰性金属;其次根据电极反应物用途分为燃料与供氧剂（氧气）;最后对于复杂的电极反应物按元素化合价进行分类。然后，理解物质发生氧化还原反应的转化规律，理论上是强制弱规律，但也并非绝对，也要注意区分不同电解质条件下强弱关系可能发生变化！

最后将物质的类别、价态认知角度和电性规律综合整理形成原电池的一般认知模型，如图2。

在物质价类认知模型的基础上，最后的点睛之笔就是电学的基本规律，即电子如何移动形成电流。在电池中负极电子经导线转移到正极上，由于电子带负电，因此负极材料缺电子带上正电荷;正极得到电子，正极材料带上负电荷，因此溶液中的带电微粒（离子），根据同性相斥，异性相吸的电性规律，阳离子往带上负电荷的正极移动，阴离子往带上正电荷的负极移动。若正极材料上的物质不能参与的电子，将由溶液中的微粒（指分子或离子）根据得电子能力的强弱在正极上得到电子，以保持溶液的电中性（电荷守恒定律），使得负极的电子可以源源不断的被转移到正极。而负极不断地失去电子，若电极材料为活泼金属将被不断消耗溶解成阳离子，若电极为惰性材料，则是溶液中的微粒根据失电子能力的强弱将电子转移到负极材料上，使得负极上的电子能够稳定的输出，也保持负极区的电中性，从而使得内外电路互联互通，形成闭合回路，使得电子可以持续定向流动，从而产生电流，实现将化学能转化为电能。基于以上两个认知模型的搭建，再到最后的电性规律的综合，最终实现较为系统完整的原电池的一般认知模型的建构。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）.北京：人民教育出版社，2020：6

注明：本文系广州教育学会教育科研课题《“模型认知”能力的培养行动研究—以电化学教学为例》科研成果，课题编号：KTLX1201930276