电子守恒在化学方程式配平中的运用研究

侯保林 宋秀丽 李鹏鸽

摘要：中学化学教学实践发现，电子守恒用于氧化还原反应方程式配平的教学环节，对于学生牢固掌握氧化还原反应方程式配平具有非常重要的意义。在实际的操作过程中，基于守恒观念的历史演化过程，逐步演绎出电子守恒的概念，并针对电子守恒法在教学过程中难以操作的客观事实，借鉴中文表达的音形意统一性原则，对氧化还原反应方程式配平进行格律化的推荐，有较强的理论指导意义和应用价值。

关键词：氧化还原反应  化学方程式配平  电子守恒法

引用格式：侯保林，宋秀丽，李鹏鸽.电子守恒在化学方程式配平中的运用研究[J].教学与管理，2022（06）：97-99.

乔姆斯基认为，大脑中存在着与生俱来的、普遍的语法结构[1]。语法表征本来是语言学用来研究人类社会的交往符号，化学科学研究领域也有一套特定的符号。在化学科学教学时，我们不妨借鉴语言学的概念，将其恰当适配。高中生学习化学是一种“既爱又恨”的表现。“爱”化学是因为物质变化的奥妙带来的无限乐趣，“恨”大致可以归结为符号的表征与相关计算。笔者以为，如果能够借鉴语言特点将电子守恒格律化，同时将电子守恒式提升至与物料守恒、电荷守恒和质子守恒并列的位置，那么在教学中相关的电子守恒计算将不再困难。

一、电子守恒的地位和作用

电子守恒（Electron Balance Equation，EBE）是指在氧化還原反应中，得电子数目与失电子数目（亦或偏离和偏向）存在等值关系，本应与原子守恒（Atom Balance Equation，ABE）、电荷守恒（Charge Balance Equation，CBE）、物料守恒（Material Balance Equation，MBE，AEB的另一种表述）、质子守恒（Proton Balance Equation，PBE）处于并置关系。但是作为隐藏的脉络符号，EBE仅起到配合分子、离子或者原子等表象符号完成外显表征的作用，旨在功能化表象符号在氧化还原反应方程式中的形式表达。

1.EBE的地位

在2019年版高中化学选择性必修《化学反应原理》教材第三章的教学中，已经明确提出了MBE、CBE、PBE的使用格式和使用对象，充分说明守恒思想在显性符号表征中得到极大发扬。因为缺乏特定的表达格式，与另外几种守恒相比，EBE一直处于“配角”地位。在实际的教学中，EBE的“配角”地位会影响教学的推进，尤其是在EBE显化时电极反应式的书写上。因为缺乏有效的EBE格式，对中学化学学习的核心内容之一——守恒观的建立而言，学生使用迁移和泛化的学习方法将会使学习电子守恒变得事倍功半。

2.EBE作为符号表征的“支架”作用

“氧化—还原”这一对立统一概念的提出，体现了对化学学科知识的本源性、结构化认识的飞跃。借助卢瑟福原子模型，人们发现氧化还原反应的本质是原子之间相互作用时的电子转移[2]。从周期表来看，氧化还原反应的结果趋向于实现双方愈加稳定。因此，中学化学教学中将这种原子与原子的“不稳定见面”后得到的稳定状态，朴素地表达为“升、失、氧”和“降、得、还”，从这一层面来看，EBE在氧化还原反应教学中具有重要“支架”作用。

（1）氧化还原反应方程式的配平

这个作用是最主要的，也是最根本的。

从图 1可以看出，EBE作为语义标示的双线桥是内隐的，以“支架”的形式存在。化学反应方程式作为可呈现的文本符号，实现了具体物质的变化表征。去掉这些“支架”后，化学反应方程式显得更加简洁、齐整和直观。但是面对概念认知不足的高中生，EBE的支架作用不能是含蓄的，而应是外显的，更是必须掌握的一种方法和手段。正如孙帅杰等强调三重表征重要性时所表达的，“顺利完成不同表征的转换就是要实现宏观、微观与符号彼此间的有机联系”[3]。这种有机联系显性化可以提高学生的语言运用能力，培养合作探究的科学意识。

（2）物质恒算

利用EBE的物质恒算，不仅出现在教学中，还普及到生活的方方面面。在氧化还原反应方程式配平时，利用电子转移数目守恒，确定氧化剂等四个角色的系数。在生活中，电子产品电量使用情况直接反馈在表盘或者屏幕上，反馈的电量数据实际上代表了电子转移摩尔数，有了这些数据，人们很容易分析电子产品的使用情况，选择相应的优化策略。

（3）把握电子组态变化规律

既然物质之间不稳定的遇见一定会带来稳定状态结果，那么依据量子化学理论，电子组态的稳定性需求是电子转移的根本原因，学生如果学会单个原子电子组态排布式，就可以根据EBE相对准确快速地预测电子组态稳定性变化的始末态（见表 1）。

二、电子守恒在氧化还原方程式配平中的直指表达

索绪尔认为，任何语言符号皆由“能指”与“所指”构成[4]。符号的“能指”具有不确定性。在描述物质性质的时候，发现同一个符号会反复出现在不同情境下和不同学科中，具有不同的意义。这些意义是具体的，而符号却是抽象的。符号实现了语用学上的无意义表达，但却实现了语义学上的有意义表达。在特定语境里，符号和物质概念组成互相印证的对易关系巧妙存在。这就是所谓特定语境下符号“所指”的具体化，即直指。此时的符号“能指”范畴具有多重可能性，但是特定情境的直指表达具有唯一抽象性。当然，可以通过创造出全新的符号，或者使用组合符号，实现对事物的表征[5]。

1.EBE与ABE、CBE直指表达的关系

在氧化还原离子反应方程式中，作为外显的ABE、CBE，既可以通过方程式获得，也可以预先已知两个守恒式，反向指导方程式的书写。二者在明线上相互支持、互相成全。但是，这里隐藏的暗线EBE因格式表达的限制，往往将其当成一种解题思路对待，没有上升到守恒思想的统一高度。正因为有了EBE的参与，化学反应方程式作为符号换算才有了明确的功能走向。而如果没有EBE的参与，物质变化的符号表征将会受到根本性的制约，所以EBE才是氧化还原方程式成立的灵魂。

2.EBE直指表达的三种格式

比较三种EBE格式，使得教学更具有层次性。在电子守恒法应用方面，高中各个年级对应的要求是不同的，必修课程和选择性必修也是存在差异。差异化教学，需要注重层层递进的关系，把握层次的梯度和连续性。

（1）双线桥法

双线桥法的比较优势在于，在EBE初始掌握阶段，双线桥法具有根基作用。这种方法的一个好处是，初末态指向明确。学生学习氧化还原变化时，能准确地标注变价元素的态，并进行桥连指向。另一个好处是，在氧化桥和还原桥上标注电子数目，利用最小公倍数法迅速计算氧化剂—还原产物和还原剂—氧化产物的系数，从守恒观念上对符号表征。关于氧化还原反应的符号表征方面的高阶应用阶段，教学中会遇到以下几个问题：第一，方程式过长，需要换行书写时，双线桥法表达不适用。第二，考虑到学生学习时的书写体验，双线桥占据较宽的上下留白，造成纸张浪费。第三，在笔纸测量环节，考核双线桥法的使用时，命卷一般在word文档编辑时缺乏相应的输入指令符或者快捷键，不利于中学教师对原创性试卷的命制。第四，若出现分桥，不利于学生EBE恒算。

（2）单线桥法

2019年鲁科版化学1给予方法引导时，对单线桥法做了介绍[6]，在2019年人教版化学1也用单线桥表达电子转移[7]。虽然两个版本的教科书编排顺序不同，但是均对单线桥法的使用做出推荐说明，却都存在一个逻辑悖论。从方法传授的教学顺序上看，单线桥法基于已经配平的方程式，它的目的是对电子转移数目和方向进行标注，识别氧化剂和还原剂的身份。但初学者对氧化还原方程式配平的一般策略是，先利用双线桥法，对反应物和产物的四个角色（氧化剂和还原产物，还原剂氧和化产物）同时识别，然后完成配平，即“氧化桥”和“还原桥”在方程式两侧的EBE对称性表达。方程式既然是依据双线桥法配平的，那必然对四个角色是认知的，因此单线桥的使用显得多此一举。

（3）标价法

基于双线桥法的简化，标价法使用起来简洁便利。其使用的一般方法：始末变价标清楚，箭头旁边写示数;最小倍数常使用，各项系数自动出。需要特别说明的是，同一元素的始末价差算出之后，乘以标注箭头的原子数，乘积数值写在箭头右边，由EBE算出的数字与心算的乘积数值构成乘积关系式，该数字即为箭头所示原子所在项的系数，最后由ABE、CBE完成整个方程式的配平（见表2）。

3.配平氧化还原离子反应方程式的一般思路

从教学实践技术层面讲，教师们在课堂教学中关于如何配平氧化还原离子反应方程式大致可以分为两种思路。以Fe2+被稀HNO3氧化的离子反应方程式配平为例，两种配平思路的流程展示如图2所示。第一种思路如图2A，Step 1利用EBE确定反应方程式前后Fe元素项和N元素项等变价元素项的系数分别为3、3、1、1;Step 2利用CBE确定H+的系数为4;Step 3根据ABE得知H2O的系数为2，至此完成方程式的配平。第二种思路如图2B，其中Step 1与图2A中无异，不同的地方是Step 2和Step 3与图2A的后两步对调，亦实现配平。无论哪种思路，通过图2中A和B对比可知，EBE的优先地位是确定无疑的。

在一些特殊类别氧化还原反应方程式中，解决的方法也可以灵活多变。笔者从汉语语言习惯出发，处理这类氧化还原反应的配平时将其格律化，应用分类大致如下：①同种物质不同元素化合价升降的配平：同一物质多变价，要以此物作为靶（Target）。②同种元素不同物质化合价升降的配平：为靶遇到归中或歧化，配平不看中间价。③酸体现多重性时的配平：若是酸根显重性（Multiplicity），配平要以变价定。④出现分桥或变价金属元素前后角标不一致：角标看大不看小，遇见分桥看总桥。⑤同种物质同种元素化合价升降配平：双同异价要变化，系数跟小不跟大。

化学三重表征进一步探索，既要回顾化学史上的谬误和真理，因其往往以纠缠的姿态在不断否定中肯定，以获取发展的变化身份和角色转换，也要借助语言指涉的可能，把模型建构所要牵扯的映射符号抽象化。借助中文表达的音形意统一性原则，在氧化还原反应方程式配平过程中，相比ABE和CBE而言，需要强调的是，EBE更应被优先考虑。

参考文献

[1] 乔姆斯基.句法结构[M].邢公畹，等译.北京：中国社会科学出版社，1979：1-5.

[2] 吕志芳，陈国松.复杂氧化还原滴定结果计算的总电子得失守恒法[J].化学教育（中英文），2020，41（14），107-109.

[3] 孙帅杰，邓阳.化学知识三重表征的话语意义探析[J].化学教育：中英文，2020，41（07）：38-43.

[4] 马艺铭.索绪尔语言符号任意性及其挑战[J].海外英语，2019（15）：237-238.

[5] 潘长春.索绪尔符号学说中能指和所指概念的思想意义[J].西安电子科技大学学报：社会科学版，2002（04）：90-94.

[6] 王磊.普通高中教科書：化学1（必修）[M].济南：山东科学技术出版社，2019：65.

[7] 王晶，毕华林.普通高中教科书：化学1（必修）[M].北京：人民教育出版社，2019：23.

[作者：侯保林（1989-），男，甘肃文县人，太原师范学院教育学院，硕士生;宋秀丽（1973-），女，山西长治人，太原师范学院化学系，副教授，硕士生导师，博士;李鹏鸽（1963-），女，山西绛县人，太原师范学院化学系，教授，硕士生导师。]

该文为2020年山西省高等学校教学改革创新项目“基于‘学生为中心’的教学模式在分析化学实验课堂中的应用研究”（J2020278）的研究成果

T：通讯作者