从原理和事实出发建立正确的模型认知，防止教学中的过度归纳——以微粒在阴、阳极上的放电为例

重庆

以高考题为背景论述高中教学过程中的过度归纳，根据事实和原理出发，建立电解池中离子放电的正确认知模型——“阴离子可以在阴极放电，阳离子可以在阳极放电，含氧酸根离子甚至分子均可以参加电极反应”。教会学生以积极的心态认识和接受新知识、新情景。

1.问题的提出

分析电解放电，书写电极反应式时，为了让学生快速找到放电离子，老师通常带领学生共同参考各种资料进行归纳总结，以便得出这类题目的认知模型。如惰性电极电解溶液时，阳离子在阴极放电，阴离子在阳极放电，含氧酸根离子由于还原性弱于OH-，水溶液中通常不在阳极上放电。此经验规则在以后的习题训练和考试中不断被强化，形成思维定势导致学生解决此类问题时，审题不清，忽略题干的描述和信息，直接套用上述模型进行证据推理，得出答案。

为验证经验规律的准确性查阅相关资料并分析近些年的高考试题，发现上述经验总结是典型的“过度归纳”。很多真实情景下的电极反应与上述经验规则相违背，下面以高考题中涉及的真实情景为例简单论述。

2.原理及案例分析

2.1 阴离子能在阴极放电吗？

(1)钢制品应接电源的________极，已知电镀过程中不产生其他离子且有机阳离子不参与电极反应，阴极电极反应式为____________________。若改用AlCl3水溶液作电解液，则阴极产物为________。

【例2】(2016·江苏卷·20·节选)铁炭混合物(铁屑和活性炭的混合物)、纳米铁粉均可用于处理水中污染物。

2.2 阳离子能在阳极放电吗？

阳极发生失电子的氧化反应，本质是放电离子还原性的体现，某些处于较低价态阳离子具有较强的还原性，可以在阳极放电发生氧化反应。

【例3】(2014·全国卷Ⅱ·27·节选)铅及其化合物可用于蓄电池、耐酸设备及X-射线防护材料。回答下列问题：

(3)PbO2也可以通过石墨为电极，Pb(NO3)2和Cu(NO3)2的混合溶液为电解液电解制取。阳极发生反应的电极反应式为____________________，阴极上观察到的现象是__________________________；若电解液中不加入Cu(NO3)2，阴极发生的电极反应式为______________，这样做的主要缺点是____________________。

【例4】(2014·北京卷·28·改编)用FeCl3酸性溶液脱除H2S后的废液，通过控制电压电解得以再生。某同学使用石墨电极，在不同电压(x)下电解pH=1的0.1 mol/L FeCl2溶液，研究废液再生机理。记录如下(a、b、c代表电压值)

序号电压/V阳极现象检验阳极产物Ⅰx≥a电极附近出现黄色,有气泡产生有Fe3+、有Cl2Ⅱa>x≥b电极附近出现黄色,无气泡产生有Fe3+、无Cl2Ⅲb>x>0无明显变化无Fe3+、无Cl2

(1)甲同学由Ⅰ推测：Fe2+在阳极放电产生Fe3+。这种推测是否正确，并说明原因：______________。

(2)乙同学由Ⅱ推测，Fe3+产生的原因还可能是Fe2+在阳极放电，其电极反应式为______________。

(3)Ⅱ中虽未检测出Cl2，但Cl-在阳极是否放电仍需进一步验证。电解pH=1的NaCl溶液做对照实验，记录如下：

序号电压/V阳极现象检验阳极产物Ⅳa>x≥c无明显变化有Cl2Ⅴc>x≥b无明显变化无Cl2

与Ⅱ对比，通过控制电压验证了Fe2+________(填“先于”“后于”或“同时”)Cl-放电。

分析高考题我们发现，阳离子可以在阳极放电，有些还原性较强的离子(如Fe2+)甚至可能先于阴离子反应。而这恰好是符合氧化还原反应规律的(还原性：Fe2+>Cl-)。

2.3 含氧酸根离子会参与电极反应吗？

【例5】(2012·北京卷·2·节选、改编)直接排放含SO2的烟气会形成酸雨，危害环境。利用钠碱循环法可脱除烟气中的SO2。

n(SO2-3)∶n(HSO-3)91∶91∶11∶91pH8.27.26.2

(2)混合溶液pH降至约为6时，送至电解槽再生。再生示意图如下：

【例6】(2016·全国卷Ⅰ·36·节选)高锰酸钾(KMnO4)是一种常用氧化剂，主要用于化工、防腐及制药工业等。以软锰矿(主要成分为MnO2)为原料生产高锰酸钾的工艺路线如下：

回答下列问题：

(4)将K2MnO4转化为KMnO4的生产有两种工艺。

①“CO2歧化法”是传统工艺，即在K2MnO4溶液中通入CO2气体，使体系呈中性或弱碱性，K2MnO4发生歧化反应，反应中生成KMnO4、MnO2和________(写化学式)。

②“电解法”为现代工艺，即电解K2MnO4水溶液，电解槽中阳极发生的电极反应为____________________，阴极逸出的气体是________。

【例7】(2018·全国卷Ⅰ·27·节选、改编)制备Na2S2O5也可采用三室膜电解技术，装置如图所示，其中SO2碱吸收液中含有NaHSO3和Na2SO3。

(1)阳极的电极反应式为______________。

(2)电解后，________室的NaHSO3浓度增加。

(3)b室的________(填“NaHSO3”或“Na2SO3”)浓度增加，原因是______________(用电极反应式说明)。

2.4 分子有可能参与电极反应吗？

当条件合适的情况下，电中性的分子也有可能参与电极反应。

【例8】(2014·北京卷·26·节选)

(4)Ⅳ中，电解NO制备NH4NO3，其工作原理如图所示，为使电解产物全部转化为NH4NO3，需补充物质A，A是________，说明理由：______________。

【答案】NH3观察图示转化中应通入NH3把多余的HNO3转变为NH4NO3

【例9】(2018·清华大学领军计划暨自主招生化学试题)利用电解产生的H2O2处理含氨废水(电解前用酸调pH=5)的装置如图，下列判断错误的是

( )

A.可用硫酸调节废水的pH

B.阴极的电解产物之一是N2

C.阴极O2的消耗与阳极O2的产生量相同

D.电路中通过3 mol电子时除去废水中17 g NH3

【答案】C

3.中学教学中的应对方法

电解过程的本质可以认为是氧化还原反应，影响微粒的氧化性或还原性的外界条件有很多，如浓度、温度、溶液酸碱性、电极电势等。高中学生由于知识水平所限，一些原理和方法不能讲解，避免增加学生的学习负担。为了解决中学教学中的实际问题避免过度归纳，教师在电化学教学中应牢记以下三点。

3.1 从电解反应的本质：氧化还原反应入手分析

不从原理本身出发而只进行片面的规则总结，不但不是学习知识和解决问题的万能钥匙，还会束缚学生的思维，阻碍学生对知识本质的探求。电解池中，电极反应式是微粒氧化性和还原性的体现，而不能简单归纳为“阴离子在阳极放电，阳离子在阴极放电，含氧酸根离子通常不参与电极反应”。

3.2 避免过度归纳，形成“先入为主”的定势思维

适当归纳总结是必要的，有利于知识的形成初步，学生可以利用经验规律解决常见的简单问题。但在高中学习的后期，更应该带领学生从原理和事实出发体验不一样的电极反应。过度归纳容易形成心理学上的“首因效应”，学生牢牢抓住错误的认知模型进行证据推理当然不能得出正确答案。教学中教师应该教会学生辩证地看待问题，感受高中知识的局限，为以后的学习埋下种子。

3.3 题目的信息比“天大”，高考题中尤其如此