陳瀟瀟

摘要：從化學(xué)必修2“化學(xué)能與電能”一節(jié)教學(xué)中出現(xiàn)的科學(xué)性問題和異常實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象出發(fā)進(jìn)行了教學(xué)設(shè)計(jì)的反思與改進(jìn)，對(duì)原電池的形成條件進(jìn)行了細(xì)化的解讀，借助物理知識(shí)將原電池的形成條件修正為有氧化還原反應(yīng)等電子轉(zhuǎn)移過程的反應(yīng)、形成閉合回路、兩極形成電勢(shì)差。

關(guān)鍵詞：原電池;形成條件;異常現(xiàn)象;電勢(shì)差

文章編號(hào)：1008-0546（2019）05-0075-03

中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.05.023

人教版化學(xué)必修2“化學(xué)能與電能”一節(jié)的教學(xué)難點(diǎn)在于，讓學(xué)生從電子轉(zhuǎn)移的角度去理解化學(xué)能向電能轉(zhuǎn)化的本質(zhì)，并學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單單液原電池的方法。在常規(guī)教學(xué)中，老師們總結(jié)的形成原電池的條件一般都是：（1）要有能自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng);（2）兩個(gè)活潑性不同的電極;（3）電極與電解質(zhì)溶液接觸;（4）形成閉合回路。而這四個(gè)條件經(jīng)過科學(xué)證實(shí)存在科學(xué)性錯(cuò)誤，比如原則上任何氧化還原的半反應(yīng)都可以設(shè)計(jì)成半電池，兩個(gè)半電池連通，都可以形成原電池。而兩個(gè)氧化還原半反應(yīng)的總反應(yīng)可能是氧化還原反應(yīng)，也可能是非氧化還原反應(yīng);再比如：氫氧燃料電池中的兩極都為石墨棒，并不存在“活潑性不同的兩極”。徐敏主張將電極電勢(shì)的概念引入原電池教學(xué)，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)原電池中電子轉(zhuǎn)移的本質(zhì)，使學(xué)生習(xí)得真實(shí)、科學(xué)的知識(shí)?；诖耍疚恼驹诳茖W(xué)性的角度，不回避實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的異?，F(xiàn)象，對(duì)必修2“化學(xué)能與電能”一節(jié)第一課時(shí)的教學(xué)進(jìn)行了反思與改進(jìn)，總結(jié)原電池形成的條件為：有氧化還原反應(yīng)等電子轉(zhuǎn)移過程的反應(yīng)、形成閉合回路、兩極形成電勢(shì)差。

一、以氫氧燃料電池引入從能量轉(zhuǎn)化角度認(rèn)識(shí)原電池

人教版必修2教材中以銅片、鋅片為素材引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)的銅鋅原電池簡(jiǎn)單易行，但容易給學(xué)生帶來以下迷思概念：（1）zn失去電子，Cu得到電子，是因?yàn)閦n比cu活潑，而恰恰鋅片和銅片作為導(dǎo)體，直接將其作為兩極，所以學(xué)生產(chǎn)生了“用活潑性不同的兩極來設(shè)計(jì)原電池”的錯(cuò)誤認(rèn)知，導(dǎo)致學(xué)生在隨后設(shè)計(jì)原電池的過程中都在尋找“活潑性不同的兩極”;（2）zn為什么會(huì)失去電子？學(xué)生往往是從金屬活潑性的角度去思考，認(rèn)為“活潑的金屬會(huì)失去電子，作負(fù)極”，而不是從氧化劑和還原劑的角度去考慮，當(dāng)設(shè)計(jì)的原電池中不涉及有金屬單質(zhì)參與的反應(yīng)時(shí)，學(xué)生往往顯得無所適從;（3）銅鋅原電池中涉及到的是氧化還原反應(yīng)，學(xué)生會(huì)以為“只有氧化還原反應(yīng)才可以設(shè)計(jì)成為原電池”，不利于今后學(xué)習(xí)“濃差電池”等不存在氧化還原反應(yīng)的電池。

基于此，在教學(xué)中我們可以通過2017年11月份“豐田研發(fā)的氫燃料電池車在中國(guó)開始實(shí)證實(shí)驗(yàn)”這一新聞報(bào)道為情境線索，向?qū)W生介紹將氫氣和氧氣反應(yīng)過程中產(chǎn)生的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能不需要通過“化學(xué)能一熱能一機(jī)械能一電能”多個(gè)環(huán)節(jié)，借助氫氧燃料電池的巧妙設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)化學(xué)能到電能的高效率轉(zhuǎn)化。再通過自制“簡(jiǎn)易氫氧燃料電池”的小實(shí)驗(yàn)，將新聞報(bào)道中高端的工業(yè)設(shè)計(jì)在課堂中變成看得見的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，激發(fā)起學(xué)生對(duì)原電池的研究興趣。

[演示實(shí)驗(yàn)：自制“簡(jiǎn)易氫氧燃料電池”]預(yù)先將兩根石墨棒淬火，后插入帶橡膠塞的u型管中電解硫酸鈉溶液，一段時(shí)間后石墨棒兩極儲(chǔ)存了氫氣和氧氣，將兩極與檢流計(jì)或小功率用電器相連，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了電流。

[引入階段的驅(qū)動(dòng)性問題]（1）氫氧燃料電池中的能量轉(zhuǎn)化形式是怎樣的？相比火力發(fā)電有何優(yōu)點(diǎn)？（2）氫氧燃料電池中的電子從何而來？（3）能否將其他反應(yīng)設(shè)計(jì)成原電池？

[學(xué)生認(rèn)識(shí)發(fā)展脈絡(luò)]氫氣和氧氣只有點(diǎn)燃才能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)一不點(diǎn)燃?xì)錃夂脱鯕猓部梢宰尪甙l(fā)生化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)化學(xué)能到電能的一步轉(zhuǎn)化一若一個(gè)反應(yīng)中有電子轉(zhuǎn)移，可以嘗試依托該反應(yīng)設(shè)計(jì)原電池。

二、聚焦銅鋅原電池中的錯(cuò)誤設(shè)計(jì)與異?，F(xiàn)象物理知識(shí)協(xié)同教學(xué)

經(jīng)過前面對(duì)氫氧燃料電池的認(rèn)識(shí)，老師給學(xué)生拋出了一個(gè)原電池設(shè)計(jì)的任務(wù)：給定反應(yīng)zn+H2SO4=ZnSO4+H2↑設(shè)計(jì)一個(gè)原電池。這個(gè)時(shí)候?qū)W生的設(shè)計(jì)未必完美，可能有方案一和方案二兩種錯(cuò)誤設(shè)計(jì)（圖1、圖2）。

方案一與方案二的失敗設(shè)計(jì)中檢流計(jì)不能檢出電流，我們將問題回歸到電流產(chǎn)生的基本條件上來，人教版九年級(jí)物理第15章第二節(jié)中講到：“導(dǎo)線中電子的定向移動(dòng)形成電流，”具體到原電池的設(shè)計(jì)，我們將問題聚焦到“從哪兒可以獲得電子？”和“如何讓電子定向移動(dòng)？”兩個(gè)驅(qū)動(dòng)性問題上來。學(xué)生很容易想到氧化還原反應(yīng)中存在電子轉(zhuǎn)移，借助氧化還原反應(yīng)可以獲得電子，同時(shí)，也有部分同學(xué)想到了物理中學(xué)習(xí)過的電子定向移動(dòng)的條件——閉合回路中存在電勢(shì)差。就此引導(dǎo)學(xué)生得到了原電池形成的條件：有電子得失的過程、形成閉合回路、兩極有電勢(shì)差。這種從物理中“電流的產(chǎn)生條件”出發(fā)來探究原電池形成條件的設(shè)計(jì)看似難度比較大，但在實(shí)際教學(xué)中，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生其實(shí)是很容易接受的。反而是避而不談“電動(dòng)勢(shì)”、“半反應(yīng)”的問題，會(huì)讓學(xué)生對(duì)電子定向移動(dòng)的“原動(dòng)力”產(chǎn)生疑惑。

1.Zn-Zn-H2SO4（aq）原電池一定是失敗設(shè)計(jì)嗎？

有學(xué)生受到“形成閉合電路”的啟發(fā)，卻未考慮電勢(shì)差的問題，會(huì)設(shè)計(jì)出第三種方案（圖3），很多老師認(rèn)為這種方案中不會(huì)檢測(cè)得到電流，是一種失敗設(shè)計(jì)。

事實(shí)上，如果兩側(cè)鋅片純度不同，是會(huì)形成濃差電池而產(chǎn)生電流的，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)檢流計(jì)的指針是可以發(fā)生輕微偏轉(zhuǎn)的（1mol/L稀硫酸，約為7mA）。如果此刻我們粗暴地?cái)喽ㄟ@種設(shè)計(jì)不可能成功，那學(xué)生在學(xué)習(xí)Ag，AgCll HCl（α1） HC1（α2） AgCl，Ag這種經(jīng)典溶液濃差電池時(shí)會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的困惑。在教學(xué)中我們可以不回避這個(gè)異?，F(xiàn)象，而是讓學(xué)生討論產(chǎn)生電流的原因：在方案三中兩個(gè)電極處發(fā)生的半反應(yīng)雖然相同，但鋅片不純等因素會(huì)導(dǎo)致在導(dǎo)線兩端產(chǎn)生電勢(shì)差，從而形成了微弱的電流。這種設(shè)計(jì)滿足了“有電子得失的過程”“形成閉合回路”“兩極有電勢(shì)差”的要求，但電流太小，說明這種電勢(shì)差并不大，化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的效率并不高。老師借機(jī)拋出下一個(gè)驅(qū)動(dòng)性問題：“如何增大兩側(cè)電極的電勢(shì)差？”學(xué)生經(jīng)過嘗試，給出了方案四（圖4）銅鋅原電池的設(shè)計(jì)，檢測(cè)出了比較大的電流。Zn-Zn-H2SO4（aq）原電池的成功看似是受實(shí)驗(yàn)材料純度影響的一種失敗設(shè)計(jì)，但在課堂教學(xué)中，老師如果可以將其作為解決“電勢(shì)差較小，電流較小，如何獲得較大電流？”這一問題的一個(gè)過渡，將會(huì)加深學(xué)生對(duì)電勢(shì)差與原電池產(chǎn)生的電流強(qiáng)度之間關(guān)系的理解，為之后設(shè)計(jì)電勢(shì)差較大的銅鋅原電池做好鋪墊。

學(xué)生在方案四（圖4）中檢測(cè)到了比較大的電流，分析電子流向，我們發(fā)現(xiàn)得失電子不再是“同時(shí)同地”的，而是“同時(shí)異地”進(jìn)行，這是增大導(dǎo)線兩端電勢(shì)差的關(guān)鍵方法。至此，很多老師在教學(xué)中會(huì)說“鋅片失去了電子，氫離子在銅片處得到了電子，所以在銅片處我們可以看到大量氣泡”。然而在實(shí)際教學(xué)中發(fā)現(xiàn)：不僅在銅片處產(chǎn)生了氣泡，在鋅片處也產(chǎn)生了非常大量的氣泡。鋅與稀硫酸直接接觸，除去鋅片不純的原因，氫離子在金屬鋅表面反應(yīng)的電極電位為0.7V，而該反應(yīng)的AE=E（H⁺/H2）-E（Zn²⁺/Zn）=0-（-0.76V）=0.76V，仍存在一定的電極電位差（0.76V-0.7V=0.06V），所以從理論上來講不管鋅片純凈與否，鋅片處產(chǎn)生氣泡都是非常正常的現(xiàn)象。很多老師避而不談這個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，或者簡(jiǎn)言之是“鋅片與稀硫酸直接反應(yīng)了，是因?yàn)殇\片不純的緣故”，實(shí)際上并沒有真正從科學(xué)性的角度打消學(xué)生心中的疑惑。

針對(duì)這個(gè)異?，F(xiàn)象，老師在上課過程中不妨大大方方的拿出來探討，雖然不必介紹電極電位的相關(guān)理論，但卻可以理直氣壯地告訴學(xué)生：“鋅片上產(chǎn)生大量氣泡說明鋅并沒有將電子全部通過導(dǎo)線傳遞給H⁺，而是直接與其反應(yīng)了。這是一個(gè)“副反應(yīng)”或“我們不愿意其發(fā)生的反應(yīng)”，但這個(gè)反應(yīng)在這種設(shè)計(jì)中不可避免。我們?cè)撊绾胃牧嘉覀兊脑O(shè)計(jì)，使電子轉(zhuǎn)移的效率更高，從而獲得更多的電能？”雙液雙池原電池剛好可以解決這個(gè)問題，我們?cè)诖颂幝裣路P，為學(xué)生在選修4中學(xué)習(xí)鹽橋和雙液雙池原電池打下了基礎(chǔ)，形成了關(guān)于原電池的整體設(shè)計(jì)。

[驅(qū)動(dòng)性問題]（1）初中物理中所介紹的導(dǎo)線中形成電流的條件是什么？（2）方案三中，形成原電池的條件滿足了哪些？（3）電解質(zhì)溶液為什么會(huì)導(dǎo)電？（4）電極兩側(cè)的電勢(shì)差是如何產(chǎn)生的？（5）如何使得方案三中原電池產(chǎn)生的電流更強(qiáng)？（6）方案四中較大的電勢(shì)差是如何形成的？

[學(xué)生認(rèn)知發(fā)展脈絡(luò)]（1）結(jié)合物理知識(shí)，知道電子在導(dǎo)線中的定向移動(dòng)會(huì)形成電流，電子可以來自于氧化還原反應(yīng);定向移動(dòng)需要兩個(gè)條件：閉合回路和電勢(shì)差。

（2）如何形成閉合回路？?jī)?nèi)電路溶液中離子的移動(dòng)起到傳遞電荷的作用，協(xié)助形成閉合回路，外部導(dǎo)線要與導(dǎo)體相連。

（3）如何形成電勢(shì)差？鋅片與稀硫酸反應(yīng)時(shí)的兩個(gè)半反應(yīng)的電極電位不同存在電勢(shì)差，但二者直接接觸時(shí)得失電子“同時(shí)同地”進(jìn)行，沒有創(chuàng)設(shè)電子移動(dòng)的條件，讓得失電子在不同區(qū)域“同時(shí)異地”進(jìn)行，促使電子在導(dǎo)線中進(jìn)行移動(dòng)，電子在導(dǎo)線中定向移動(dòng)，形成了電流。

三、回歸科學(xué)本質(zhì)細(xì)化原電池的形成條件

借助物理知識(shí)，我們?cè)诜治龇桨敢?、二的失敗原因時(shí)已經(jīng)總結(jié)出原電池的形成條件為：有電子得失的過程、形成閉合回路、兩極有電勢(shì)差。再結(jié)合我們中學(xué)所學(xué)知識(shí)，我們將抽象的理論知識(shí)細(xì)化為操作性強(qiáng)的形成條件：（1）有電子得失的過程——可以依托氧化還原反應(yīng)來設(shè)計(jì)原電池。雖然部分非氧化還原反應(yīng)也可以設(shè)計(jì)成為原電池，但高中階段不予討論。（2）形成閉合回路——用可以導(dǎo)電的物質(zhì)作電極、有電解質(zhì)提供可移動(dòng)的離子并創(chuàng)設(shè)離子定向移動(dòng)的條件（水溶液或熔融狀態(tài)），用導(dǎo)線連接形成閉合回路。（3）兩極有電勢(shì)差——讓得失電子的過程在不同區(qū)域進(jìn)行。本質(zhì)是借助不同物質(zhì)轉(zhuǎn)化時(shí)的電極電位不同形成電勢(shì)差，電子在定向移動(dòng)過程中形成電流。

四、反思

課本當(dāng)中的知識(shí)點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)有它的局限性，它僅僅是起到“拋磚引玉”的作用，老師備課應(yīng)該站在更高的視角來分析簡(jiǎn)單原理背后的深刻內(nèi)涵，才能在教學(xué)中深入淺出。在涉及到交叉學(xué)科知識(shí)點(diǎn)時(shí)，更應(yīng)該運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)協(xié)同教學(xué)，讓學(xué)生形成“理科綜合體”的意識(shí)。從必修到選修，課程內(nèi)容上的升華也促使老師們認(rèn)真解讀課本，形成關(guān)于知識(shí)體系的整體教學(xué)，必修階段的教學(xué)如果能夠串聯(lián)選修知識(shí)的學(xué)習(xí)，甚至激發(fā)起學(xué)生進(jìn)一步深入研究大學(xué)化學(xué)的興趣來，才算真正實(shí)現(xiàn)了目前所提倡的深度學(xué)習(xí)。