以试拓视，思维火花迸溅

刘建廷 班德利

摘要：利用学生对一道高考题的质疑进行了课堂教学的设计，以电化学原理为线索，进行了以微生物燃料电池和微生物电解池的原理分析，并对微生物制氢、微生物脱盐海水淡化等一系列科學前沿问题进行了科普。

关键词：电化学;山东高考化学;微生物;脱盐;海水淡化

文章编号：1008-0546（2022）03-0056-04     中图分类号：G632.41     文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.03.012

问题是课堂教学的重要线索，而一个好的线索则可以极大地提升学生的学科兴趣，进而起到事半功倍的课堂效果。在一次月度测试中，试卷使用了2020年山东高考化学试卷选择题（10）的题目，学生提出了问题，是一条好线索。我借助这一线索进行了研究和设计，成功地完成了一节视野拓展与思维火花迸溅的课例。

一、问题的由来

2020山东高考化学（10）微生物脱盐电池是一种高效、经济的能源装置，利用微生物处理有机废水获得电能，同时可实现海水淡化。现以NaCl溶液模拟海水，采用惰性电极，用图1 装置处理有机废水（以含 CH3COO-的溶液为例）。下列说法错误的是

A.负极反应为CH3COO-+2H2O-8e-=2CO2+7H+

B.隔膜1 为阳离子交换膜，隔膜2 为阴离子交换膜

C.当电路中转移1mol 电子时，模拟海水理论上除盐58.5 g

D.电池工作一段时间后，正、负极产生气体的物质的量之比为2∶1

据图可知a极上CH3COO-转化为CO2和H+，C元素被氧化，所以 a极为该原电池的负极，则b极为正极。 A项 a极为负极，CH3COO-失电子被氧化成 CO2和 H+，结合电荷守恒可得电极反应式为 CH3COO-+2H2O-8e-=2CO2↑ +7H+，故 A 正确;B 项为了实现海水的淡化，模拟海水中的氯离子需要移向负极，即a极，则隔膜 1为阴离子交换膜，钠离子需要移向正极，即b极，则隔膜2 为阳离子交换膜，故 B 错误;C 项当电路中转移1 mol 电子时，根据电荷守恒可知，海水中会有1 mol Cl-移向负极，同时有1 mol Na+移向正极，即除去1 mol NaCl，质量为58.5 g，故C正确;D项b极为正极，水溶液为酸性，所以氢离子得电子产生氢气，电极反应式为2H++2e-=H2↑ ，所以当转移8 mol 电子时，正极产生4 mol气体，根据负极反应式可知负极产生2 mol气体，物质的量之比为4 ∶2=2∶1，故 D 正确;故答案为 B。由分析可知，本题是以生物脱盐电池为情境考查了原电池原理，同时利用离子交换膜淡化海水又拓展了学生的视野。然而一同学课后找到我说，他和部分同学们对该电池的正极反应有疑问，正极为何放出 H2，而不是吸收O2呢？对啊！为何不是O2参与正极的燃料电池呢？问题碰撞出我的思维火花。于是我进行了文献查阅，果然发现了一些非常有意思的问题。我便根据这一线索进行了一系列问题的设计，并完成了一节专题课。

二、案例教学（实录）

1.自发的氧化还原反应与原电池

PPT展示：请同学根据如下反应，求CH3COOH（l）+2H2O（l）=2CO2（g）+4H2（g）ΔH=   kJ/mol。

①CH3COOH（g）=2CO（g）+2H2（g）ΔH=+213.7 kJ/mol

②CO（g）+H2O（g）=CO2（g）+H2（g）ΔH=-41.2 kJ/mol

③CH3COOH（g）=CH3COOH（l）ΔH=-51.7 kJ/mol 生：通过计算得出ΔH=+183.0 kJ/mol。

师：由于冰醋酸的溶解是放热的，且放出的热值远大于冰醋酸的电离热。所以

CH3COO-（aq）+H+（aq）+2H2O（l）=2CO2（g）+4H2（g）ΔH 值比183.0要大，由此计算结合我们前面做过的山东高考题（10），同学们想到了什么？

生：（气氛瞬时热烈起来）此高考题错了……，不太可能吧！（热烈过后是沉思）

生：我认为题目的反应可以发生，因为有生物膜，有能量提供。（不少同学也附和）

师：很好，我们同学考虑到了环境（微生物）的供能情况。 所以，如果该题没有微生物的外部环境，是一个封闭体系，那么它一定不可以设计成原电池。那么是不是有了微生物这个题目就没有问题了呢？ 接下来我们再进行具体的研究看看如何？

2.微生物燃料电池

PPT 展示：（双室微生物燃料电池）见图2

师：在微生物燃料电池中，微生物为了获得生长所必需的碳源和能量，就需要降解阳极室（负极区）中的（底物）有机物，将从有机物中释放出来的电子传递给阴极室（正极区）可以获得电子的氧化剂，从而产生电流。请同学以底物（乙酸为例）写出该微生物燃料电池的电极反应。

生：负极：CH3COOH+2H2O-8e-=2CO2+8H+

正极：O2+4H++4e-=2H2O

师：筛选高效微生物菌株是该电池的关键，其实质相当于生物催化过程，目前，科学家已经筛选出许多高效的微生物并应用于实际生产中。

展示：三室微生物脱盐电池用于海水淡化（以乙酸为例）见图3。

请同学分析电池的电极反应，并指出膜1 和膜2的性质。

生：正负极反应和刚才的微生物燃料电池没有区别

负极：CH3COOH+2H2O-8e-=2CO2+ 8H+正极：O2+ 4H++4e-=2H2O;海水中的阴离子（Cl-）通过阴离子交换膜（膜1）移向负极区;阳离子（Na+）通过阳离子交换膜（膜2）移向正极区，从而达到海水淡化的目的。

师：总结，利用微生物燃料电池原理，负极（阳极）为微生物吸附涂膜，正极（阴极）为空气阴极。 目前该技术已被应用于污水处理等方面，相信随技术不断成熟，未来可以大规模海水淡化处理。

3.产氢菌电化学工作原理

师：1942年 Gaffrom 和 Rubin 发现了一株具有产氢能力的真核绿藻，它不仅能在光照的条件下产氢也可以在黑暗厌氧的条件下发酵产氢[1]。 由此，产氢菌的研究进入科学家的视野。

PPT 展示：一种利用光和细菌处理有机废物，同时制取 H2的装置如图4 所示，写出电极反应，描述工作原理。

生：负极：CH3COOH+2H2O-8e-=2CO2+8H+

正极：N2+ 8H++6e-=2NH ;2H++2e-=H2  ↑，负极 CH3COOH 在太阳能和铁氧蛋白酶作用下被氧化为 CO2 和 H+，H+通过质子交换膜，在正极一部分 H+和被还原的 N2生成 NH ，而一部分 H+直接得到电子被还原为 H2。

师：根据文献检索，微生物电解池（MEC）技术巧妙地结合了原电池和电解池的工作原理，利用电活性微生物作为催化剂，通过电能的中间形式将燃料中的化学能转化为氢能。在用于产生电能的过程中，质子和电子在阴极与氧气等电子受体结合形成水。 而在用于产氢的过程中，阴极维持在无氧和其它电子受体的状态，同时外加电压使阴阳极的电势差越过热力学能垒，质子和电子就可以在阴极直接结合生成氢气。由乙酸产氢的理论外加电压在0.14 V，而实际外加电压需要高于0.22 V 才能实现产氢[2]。

PPT 展示：利用微生物燃料电池和微生物电解池串联，一边处理有机物污水，一边产氢原理如图5，请同学进行机理分析，标出外电路电子流向和内电路电子流向。

生：（兴致盎然）讨论得出结论，如图6 所示：

师：可见若想实现既产生氢气又产电，能量的来源问题一定要解决，目前看最为廉价和可行的能源就是太阳能。

PPT 展示：微生物三室电解脱盐产氢池如图7，请同学观察并对照山东高考题进行思考。

生：该池和山东高考题非常相似，不同之处是外加了电源，这个是电解池。

师：该池是利用电解可以达到处理废水，同时淡化海水的目的，但是它的陽极区随着反应的进行，产生大量的离子，使得溶液 PH 降低，对微生物的生存环境发生改变，微生物工作效率下降，实际生产中要进行阳极 PH 值的调节控制。

PPT 展示：微生物四室产酸产碱脱盐电池进行海水淡化如图8 所示，其中使用的双极膜亦称双极性膜，是特种离子交换膜，它是由一张阳膜和一张阴膜复合制成的阴、阳复合膜。该膜的特点是在直流电场的作用下，阴、阳膜复合层间的 H2O 解离成 H+和 OH-并分别通过阴膜和阳膜，作为 H+和 OH-离子源，请同学根据信息分析其工作原理，指出双极膜释放 H+和 OH-的 方向，并同时指出产酸和产碱的区域。

生：（热烈讨论）双极膜向阳极区释放 OH-离子，向产品室释放 H+离子，同时海水中的 Cl-离子通过阴离子交换膜进入产品室生成盐酸，海水中的 Na+离子进入阴极区生成碱 NaOH。

师：分析得很好，这个四室产酸产碱脱盐电池进行海水淡化时由于使用了双极膜，在阳极区微生物虽然不断分解乙酸产生 H+离子，但和双极膜产生的 OH-离子发生中和，所以阳极区 pH 值可以稳定不变，有效地保障了微生物的生存工作效率。

师：本节课的问题是我班 L等同学对高考题目的质疑而引发的讨论，至此，本节课对这一质疑给予了证实。（此处掌声响起）

三、小结与反思

本节课源于一个偶然的思考性问题，但正是这个问题迸溅出了思维的火花，我在查阅文献时发现了微生物电池的有趣性，遂萌生科普的想法，然又想到一般说教的误区，就产生了做一节电化学小专题课的想法，进行整理后进入课堂，与学生一同讨论、分析、研究，既复习了学生知识性的问题，又拓展了微生物电池、微生物电解池、膜技术、污水处理、海水淡化及生物制氢等科学前沿知识，达到了预期的设计目标。

本节课学生的兴奋度非常的高，我想主要是因为一是问题本身来源于学生自己的生成，他们感触较深;二是问题的生成源是对一条高考题的质疑，质疑权威本身就是一种具有兴奋度的挑战，而我在设计本节课时也处处围绕这个质疑展开，并且一步一步走向真相。质疑是科学的基本精神之一，本节课看似一节对 L等同学质疑的证实，其实更重要的是鼓励和倡导了这种精神，使学生的质疑的思维火花不断迸溅。

最后对于考试命题的思考，考试命题应与社会、生产、生活、科学技术紧密联系，这样试题命制才不会单调、呆板。在考试中应试者阅读材料、理解新情境，与已有知识联系、重组，通过合理的想象、推理或论证然后解决问题。这样对命题者的要求就更高了，要求命题的素材不但要具有新颖性、前沿性，还能够将素材简化，建立最基本而又不能失真的模型。

参考文献

[1] 李宇亮.高效产氢菌的筛选及污泥减量的可行性研究[D].长沙：湖南大学，2008.

[2] 孙敏.微生物燃料电池的功能拓展和机理解析[D].合肥：中国科学技术大学，2009.

[3] 吴义诚，王泽杰，傅海燕，赵峰.光合细菌在微生物燃料电池中的应用研究进展[J].微生物学通报，2016，43（12）：2707-2713.

[4] 王娟.微生物燃料电池的性能研究[D].南昌：南昌航空大学，2014.

[5] 曹学龙，张宝刚，王志俊，周顺桂，施春红.微生物脱盐池性能提升及应用的研究进展[J].水处理技术，2015，41（7）：7-10+16.

[6] 华涛，李胜男，周启星，李凤祥，李亚宁.生物电化学系统3种典型构型及其应用研究进展[J].应用与环境生物学报，2018，24（3）：663-670.