基于氧化还原反应原理建构“原电池半反应分析”思维模型

计从斌 林建芬 周育妹

摘 要：铜锌单液和双液原电池模型是高中学生学习“原电池”概念与工作原理的经典模型，学生可根据原电池三大要素（电极反应、电极材料、离子导体）来分析单液和双液原电池工作原理。将原电池类型分为水溶液型、固态型和熔融盐型离子导体原电池三类，分别就此三类建构原电池半反应分析的思维模型并提出相关建议。教师在教学中可以设置问题梯度澄清和纠正以往的迷思概念，从原理和装置出发的核心认识角度，系统理解原电池工作原理和构成条件，明确原理和装置的关系，提高对于陌生原电池的分析能力，建立比较清晰的依据已知的氧化还原反应设计电池装置的主要思路和方法。

关键词：原电池；认知模型建构；半反应；电极方程式

原电池的知识内容在必修和选修模块中以一定的层级发展关系呈现。从学业要求来看，使学生能分析、解释原电池的工作原理，能设计简单的原电池[1]。必修2以经典“铜锌单液原电池”为教学模型，阐述原电池是将化学能转化为电能的装置，体现能量观；选修4以“铜锌双液电池”为教学模型，发展学生对原电池工作原理的认识，转变偏差认识，促使学生认识到电极反应、电极材料、离子导体是电化学体系的基本要素，提高对电化学本质的认识。

一、基于原电池工作原理的三大要素分析

（一）区分“电极材料”与“电极反应物”

原电池是将化学能转化为电能的装置，电极材料作为原电池结构的装置要素是得失电子的重要场所。教材利用铜锌原电池作为教学模型，引导学生认识原电池且进一步理解原电池的工作原理，利用双液电池帮助学生认识原电池产生电流的本质，但这些内容无法内化学生对原电池工作原理及装置的认识，也无法深度认识电极的功能及作用。而基于自发氧化还原反应寻找电极材料是认识和理解电极反应的基本思维，在教学过程中设置“根据方程式设计原电池”教学活动时优先处理“电极材料”及“电极反应物”概念，以防止相应迷思概念的产生。

以“铜锌原电池”为例，该教学模型能清晰地展示原电池基本组成，建立原电池概念，可以有效达成三维教学目标，但是对原电池的电极材料概念认识不能使学生深入理解[1]。通过其他自发氧化还原反应设计变式原电池模型，如反应2Fe3++2I-=2Fe2++I2中在电极上参与反应的物质容易找出，但是电极材料认识与铜锌原电池就产生了认知冲突，进而可以内化原电池原理及其装置的认识，提升对电极认识的深度，见图1。电极材料参与反应时，电极材料与电极反应物是同一物质，否则就需要不参与反应的惰性材料（如石墨、铂）做电极材料。

（二）认识“离子导体”是确定电极反应式的重要环节

一般地，化学电池按电解质形态可分为溶液、熔融态和固态。电解质称为“离子导体”，是原电池的重要构成要素。还原剂或氧化剂在电极上参与反应后生成的“中间体离子”经由离子导体朝相反电极方向运动。“中间体离子”在离子导体中遇到不共存的微粒则继续发生反应，最终成为稳定存在于电解质中的氧化产物或还原产物。

（三）遵循氧化还原反应原理，构建半反应基本骨架

学生在必修模块对氧化还原反应的概念与原理理解比较深刻，对氧化反应和还原反应等半反应掌握得较好，因此教师在选修模块教学中可从学生的最近发展区出发，从原电池装置与氧化还原反应方程式原理进行分析，分别确定还原剂和氧化产物、氧化剂与还原产物，进而根据选取合适的电极材料并完成半反应方程式的基本骨架，根据电子得失情况确定电极反应与对应方程式，根据氧化还原反应原理书写原电池半反应的基本骨架的流程，见图2。

[ne-][ne-]

图2 原电池半反应基本骨架

二、原电池半反应分析的思维模型建构

（一）“水溶液”型原電池

水溶液作为离子导体是原电池教学装置模型中最常见的导体，通常介质分为酸性、中性和碱性，不同酸碱性的介质对电极反应结果有较大影响。电极上参与反应的还原剂或者氧化剂通过得失电子后形成的中间体离子有可能在介质中继续反应直至以最稳定的微粒形式存在。如2012年江苏卷20题（见表1）有关新型铝电池的反应。根据原电池工作原理及电反应本质分析可知，Al既是电极材料又参与电极反应，Al失电子后得到Al3+，而Al3+不能在含有氢氧化钠的水溶液中稳定存在，最终以偏铝酸根离子的形式存在成为最终产物。

根据“还原剂+ne-→氧化产物”电极反应式书写要求完成电极方程式的初步书写。下一步考虑的是电荷守恒问题，在初步书写的电极方程式中分析等式两边的电荷数相差的多少，利用介质离子（如酸性为氢离子，碱性为氢氧根离子）的电荷进行平衡。电极式“Al-3e-=AlO2-”中，等式左边3个正电荷，右边1个负电荷，这就需要在左边加上4个氢氧根负离子进行电荷平衡，即为“Al-3e-+4OH-=AlO2-”。最后考虑的是元素守恒，通过等式左右两边元素的个数相差的元素组成新的物质列入电极式即可，“Al-3e-+4OH-=AlO2-”式中左边多出4个H和2个O，将多出的原子重新组合成2个H2O，写出完整的电极反应式：Al-3e-+4OH-=AlO2-+2H2O。

（二）“固态”型离子导体原电池

固态型离子导体相对水溶液离子导体而言比较惰性，电极反应物生成的中间体离子能稳定存在于该类离子导体中，因此学生知道此类离子导体的性质就能降低对此类电池电极方程式的畏惧感。离子导体是否参与反应是能否快速准确书写电极式的关键所在，也是电极反应式教学中的难点。如2013年北京卷26题，要求分析并书写负极电极反应式，依据原电池电极反应式书写的思维模型，抓住原电池的三大核心要素，可快速准确书写反应式，过程如表2所示。从提供的原电池示意图可以快速找出正负电极、氧化剂、还原剂及对应的产物，依据氧化还原反应原理，NO进入电池经反应生成NO2，故NO为还原剂，NO2为氧化产物，负极电极式的基本骨架为NO-2e-=NO2，利用离子导体中的O2-处理电荷守恒，即得NO-2e-+O2-=NO2。正极参与反应的O2失电子形成O2-，在惰性固体电解质中供负极参与反应。

（三）“熔融盐”型离子导体原电池

“熔融盐”型离子导体与“水溶液”型离子导体类似，需结合实际情况考虑电极生成物在离子导体环境中继续反应与否的问题，常见于燃料电池中。以熔融碳酸钾电解质为例，丁烷在负极反应生成CO2，根据变价元素碳失电子数目初步写出负极电极式，再利用熔融盐的阴离子处理电荷守恒，根据元素守恒完善负极电极式；正极参与反应的O2生成O2-与负极产生的CO2形成熔融盐的阴离子CO32-，根据电极反应式书写的思维模型确定电极式，如表3所示。

三、教学反思

在原电池的教学中发现学生对于电极反应式的书写总是存在着许多的问题，问题产生的根源是多方面的[3]：有来自教材本身的问题，如不同版本教材对同一原电池电极反应式呈现不同；对概念辨析不清楚，受电解池的教学影响，自发反应和受迫反应没有仔细区分；电极反应的最终产物微粒存在形式不清楚；理论上的争议造成的多种电极方程式的写法混乱等。以上问题在教学中对电化学体系的基本要素（电极反应、电极材料、离子导体）教学处理要到位，尤其是利用原电池教学模型对电化学反应原理进行内化，建构电化学认识模型。设置问题梯度澄清和纠正以往的迷思概念，从原理和装置出发的核心认识角度，系统理解原电池工作原理和构成条件，明确原理和装置的关系，提高对于陌生原电池的分析能力，建立比较清晰的依据已知的氧化还原反应设计电池装置的主要思路和方法。

模型认知与建构属于化学核心素养之一，利用模型呈现解释抽象的化学概念和原理，可以使之变得易理解。在化学基本概念和理论的教学中，重视学生“双基”认知模型的建构，并根据不同学段，对学生模型认知的水平进行不同要求，有助于学生感受、理解概念和理论的产生和发展过程，对培养学生知识的掌握、思维能力的提升、核心素养的发展有极大帮助。

參考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018：3.

[2]白建娥，李明娟，白传江，宋兆爽.促进学生认识发展的“原电池”教学设计[J].中学化学教学参考，2015（19）：19-22.

[3]吴晗清，张娟，赵冬青.铜锌原电池作为原电池基本模型的局限及其突破[J].化学教学，2017（01）：16-20.