陶杰　李遠(yuǎn)蓉

摘要：在分析結(jié)構(gòu)不良氧化還原反應(yīng)方程式書(shū)寫(xiě)障礙的基礎(chǔ)上，運(yùn)用分解策略將結(jié)構(gòu)不良氧化還原反應(yīng)方程式分為兩個(gè)“電極反應(yīng)”，分別配平后根據(jù)得失電子守恒將兩個(gè)“半反應(yīng)”合起來(lái)得到完整的反應(yīng)方程式。將電子守恒的配平放在最后一步，克服了“化合價(jià)升降法”的缺點(diǎn)，也為氧化還原反應(yīng)與電化學(xué)的融合復(fù)習(xí)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：學(xué)習(xí)情景；探究式學(xué)習(xí)；原則；方法

文章編號(hào)：1008-0546（2016）06-0011-03 中圖分類(lèi)號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.06.003

Reitman（1965）首次從認(rèn)知心理學(xué)的角度區(qū)分了結(jié)構(gòu)良好問(wèn)題和結(jié)構(gòu)不良問(wèn)題，前者是初始狀態(tài)、目標(biāo)狀態(tài)和算子都很明確的問(wèn)題，而后者則是上述三者至少有一個(gè)沒(méi)有明確界定的問(wèn)題[1]。學(xué)生在化學(xué)課堂上遇到的常常是具有預(yù)設(shè)性的結(jié)構(gòu)良好問(wèn)題，而現(xiàn)實(shí)生活中客觀存在的卻大多是結(jié)構(gòu)不良問(wèn)題。這種由模擬與實(shí)際之間的差異性鑄成的壁壘阻礙了學(xué)生知識(shí)與能力之間的相互轉(zhuǎn)化，將學(xué)生的課堂知識(shí)與實(shí)際生活無(wú)形地割裂開(kāi)來(lái)。可喜的是隨著課改的深入，結(jié)構(gòu)不良問(wèn)題在化學(xué)教學(xué)中得到了應(yīng)有的重視，最直接的體現(xiàn)就是高考化學(xué)越來(lái)越趨向于對(duì)結(jié)構(gòu)不良問(wèn)題解決能力的考查。氧化還原反應(yīng)屬于高中化學(xué)重要的知識(shí)，其與生活實(shí)際的密切聯(lián)系為其以結(jié)構(gòu)不良問(wèn)題的形式出現(xiàn)于高考信息題中奠定了基礎(chǔ)，這對(duì)學(xué)生知識(shí)與能力間的轉(zhuǎn)換機(jī)制提出了新挑戰(zhàn)。

一、 結(jié)構(gòu)不良氧化還原反應(yīng)方程式書(shū)寫(xiě)的障礙分析

結(jié)構(gòu)不良氧化還原反應(yīng)方程式的書(shū)寫(xiě)應(yīng)遵循結(jié)構(gòu)不良問(wèn)題的解決過(guò)程，即問(wèn)題框架表征、問(wèn)題解決、監(jiān)控與評(píng)價(jià)等，該過(guò)程涉及到認(rèn)知、元認(rèn)知、非認(rèn)知變量、辯護(hù)能力等成分?；陬}目線索，學(xué)生對(duì)問(wèn)題框架的表征和監(jiān)控評(píng)價(jià)通常不存在缺失，但在問(wèn)題解決階段存在著不同程度的障礙，仔細(xì)分析學(xué)生的錯(cuò)誤，將障礙確定為如下幾點(diǎn)：

1. 出現(xiàn)子問(wèn)題再表征障礙，反應(yīng)物或產(chǎn)物判斷不全

在對(duì)問(wèn)題框架進(jìn)行表征及確定問(wèn)題空間之后，需根據(jù)元素守恒、電荷守恒、質(zhì)量守恒等原則初步判斷出氧化還原反應(yīng)的反應(yīng)物和產(chǎn)物。但由于一些反應(yīng)物或產(chǎn)物（通常為H2O、OH-、H+、O2等）具有模糊性而使學(xué)生出現(xiàn)子問(wèn)題的再表征障礙。而運(yùn)用氧化還原反應(yīng)理論對(duì)所給的信息進(jìn)行精細(xì)加工是障礙突破成為可能的必要條件之一。遺憾的是受認(rèn)知成分中氧化還原反應(yīng)具體知識(shí)結(jié)構(gòu)化程度較低等因素的影響，學(xué)生無(wú)法通過(guò)類(lèi)比已有的結(jié)構(gòu)良好問(wèn)題解決圖式對(duì)子問(wèn)題信息進(jìn)行精細(xì)加工，從而無(wú)法生成解決結(jié)構(gòu)不良問(wèn)題的新圖式，最終表現(xiàn)為由于反應(yīng)物或產(chǎn)物判斷不全而無(wú)法書(shū)寫(xiě)方程式。

例如，（2013重慶，11） 化學(xué)在環(huán)境保護(hù)中有著十分重要的作用，催化反硝化法和電化學(xué)降解法可用于治理水中硝酸鹽的污染。

（1） 催化反硝化法中，H2能將NO3-還原為N2，25℃時(shí)，反應(yīng)進(jìn)行10min，溶液的pH由7變?yōu)?2。

②上述反應(yīng)離子方程式為 。

本問(wèn)題只給出了主要反應(yīng)物和產(chǎn)物，屬于典型的結(jié)構(gòu)不良問(wèn)題。學(xué)生對(duì)本問(wèn)題框架的表征較為順暢，根據(jù)信息和元素守恒也較容易寫(xiě)出主要反應(yīng)物和產(chǎn)物，得出離子方程式基本框架：H2+NO3-—N2+OH-，但學(xué)生根據(jù)化合價(jià)升降等常規(guī)配平方法進(jìn)行配平時(shí)發(fā)現(xiàn)無(wú)法配平，使得本題無(wú)法解答，原因在于從表面上看，該框架中反應(yīng)物與產(chǎn)物元素已經(jīng)守恒，無(wú)法再表征出隱含的產(chǎn)物H2O。

2. 知識(shí)結(jié)構(gòu)較零散，容易忽視溶液環(huán)境對(duì)反應(yīng)的影響

對(duì)于水溶液體系中的氧化還原反應(yīng)而言，溶液環(huán)境對(duì)其影響可謂是首當(dāng)其沖的。但在解決結(jié)構(gòu)不良氧化還原反應(yīng)問(wèn)題時(shí)，學(xué)生容易顧此失彼，忽視溶液環(huán)境對(duì)氧化還原反應(yīng)的影響，從而導(dǎo)致出錯(cuò)。這也許與平時(shí)教學(xué)中教師忽視分析環(huán)境對(duì)物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)也有較大的影響有關(guān)。

例如，1.1例子中學(xué)生發(fā)現(xiàn)無(wú)法配平之后，開(kāi)始尋求另一做法，將離子反應(yīng)基本框架改為H2+H++NO3- —N2+H2O，配平后將離子方程式確定為：2H2+2H++ 2NO3-N2↑+3H2O，由于學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出零散狀態(tài)，只能以能否配平作為衡量方程式書(shū)寫(xiě)正確與否的標(biāo)準(zhǔn)，從而忽視本題溶液體系為中性，沒(méi)有可直接參與反應(yīng)的游離H+，導(dǎo)致本問(wèn)題無(wú)法正確解決。

3. 對(duì)氧化還原反應(yīng)理論的認(rèn)知水平較低，無(wú)法配平方程式

研究發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)學(xué)生氧化還原反應(yīng)理論達(dá)到理解和應(yīng)用水平時(shí)，才能促進(jìn)其對(duì)復(fù)雜化學(xué)方程式的學(xué)習(xí)[2]。結(jié)構(gòu)不良氧化還原反應(yīng)方程式屬于“三重表征”中的符號(hào)表征，其書(shū)寫(xiě)理應(yīng)建立在對(duì)氧化還原反應(yīng)客觀事實(shí)（宏觀表征）和微觀過(guò)程（微觀表征）的本質(zhì)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)之上。然而學(xué)生由于對(duì)氧化還原反應(yīng)理論的認(rèn)知水平較低，不能促進(jìn)其對(duì)結(jié)構(gòu)不良反應(yīng)方程式的學(xué)習(xí)，進(jìn)而不能將結(jié)構(gòu)不良氧化還原反應(yīng)方程式與其對(duì)應(yīng)的微觀過(guò)程和現(xiàn)象聯(lián)系起來(lái)，最終無(wú)法配平系數(shù)較大的方程式。

二、分解策略在結(jié)構(gòu)不良氧化還原反應(yīng)方程式書(shū)寫(xiě)中的運(yùn)用

認(rèn)知靈活理論將學(xué)習(xí)劃分為初級(jí)學(xué)習(xí)和高級(jí)學(xué)習(xí)，前者針對(duì)的是結(jié)構(gòu)良好領(lǐng)域的知識(shí)，后者針對(duì)結(jié)構(gòu)不良知識(shí)[3]。高級(jí)學(xué)習(xí)需要高級(jí)思維的參與，分解策略在其中起著舉足輕重的作用。原電池是根據(jù)氧化還原反應(yīng)設(shè)計(jì)而成的裝置，因此氧化還原反應(yīng)方程式的書(shū)寫(xiě)可借鑒電極反應(yīng)的書(shū)寫(xiě)方式。先根據(jù)元素守恒、電荷守恒、質(zhì)量守恒將反應(yīng)分為兩個(gè)電極反應(yīng)且配平后，再根據(jù)電子得失守恒，將電極反應(yīng)合起來(lái)即得到總反應(yīng)。下面結(jié)合例子談?wù)勅绾芜\(yùn)用分解策略將結(jié)構(gòu)不良氧化還原反應(yīng)分解為兩個(gè)電極反應(yīng)，最終合成完整方程式。

1. 酸性環(huán)境中

例1.（2010重慶高考）釩（V）及其化合物廣泛應(yīng)用于工業(yè)催化、新材料和新能源等領(lǐng)域。全釩液流儲(chǔ)能電池是利用不同價(jià)態(tài)離子對(duì)氧化還原反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)化學(xué)能和電能相互轉(zhuǎn)化的裝置，其原理如圖1所示。

當(dāng)左槽溶液逐漸由黃變藍(lán)時(shí)，其電極反應(yīng)式為

。

分析：該問(wèn)題只給出了主要反應(yīng)物和生成物，屬于常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)不良問(wèn)題。

典型的解法 [4]是先將反應(yīng)方程式框架確定為：VO2+-VO2+，再分析出V元素化合價(jià)由+5價(jià)變?yōu)?4價(jià)，得到1個(gè)電子，在反應(yīng)式的左邊加上1個(gè)電子得：VO2++e—VO2+。常規(guī)的電極反應(yīng)多屬于“化合物或單質(zhì)生成離子”型，所以到這一步后，只要根據(jù)溶液的酸堿性在缺電子或多電子的一端補(bǔ)上OH-或H+以平衡電荷，最后根據(jù)元素守恒在另一端加上H2O來(lái)平衡之前加的H+或OH-即可（氧元素會(huì)由于H2O的加入而自動(dòng)平衡）。但本題屬于“離子生成離子”型，學(xué)生按這種方法寫(xiě)出VO2++e—VO2+后，會(huì)由于電荷已經(jīng)守恒而無(wú)法進(jìn)行“加H+或OH-來(lái)平衡電荷”這一步，導(dǎo)致學(xué)生思維混亂。即使學(xué)生識(shí)別出需要在右邊加一個(gè)H2O來(lái)平衡氧元素，但由于同時(shí)右邊會(huì)多出2個(gè)H元素，需要再重新配平，過(guò)程較為復(fù)雜，不利于問(wèn)題的解決。

策略：

第1步，寫(xiě)出反應(yīng)式主要框架，配平所有除氧、氫元素以外的其他元素：

VO2+—VO2+

第2步，無(wú)論酸性還是堿性環(huán)境都在少氧的一端加H2O去平衡，得：

VO2+—VO2+ + H2O

第3步，由于H2O的加入使得左邊少2個(gè)H元素，且溶液為酸性環(huán)境，有可參加反應(yīng)的游離H+，因此只需在左端加2個(gè)H+去平衡便可，得：

2H++VO2+—VO2++H2O

第4步，根據(jù)電荷守恒在左邊加上2個(gè)電子即可：2H++VO2++eVO2++H2O

第5步，根據(jù)元素守恒進(jìn)行檢驗(yàn)。

例2.（2013蘇北三市（徐州、淮安、宿遷）調(diào)研，18（2））已知：黃鐵礦（FeS2）中的硫元素在酸性條件下被ClO3-氧化成SO42-，寫(xiě)出制備二氧化氯的離子方程式：

分析：本題依舊屬于結(jié)構(gòu)不良問(wèn)題，通常學(xué)生的做法是根據(jù)信息及元素守恒確定出方程式基本框架：FeS2+ClO3-—SO42-+Fe3++ClO2，由于從元素守恒看生成物基本包含了反應(yīng)物的所有元素，所以到此有學(xué)生就已經(jīng)開(kāi)始試著運(yùn)用化合價(jià)升降法對(duì)反應(yīng)框架進(jìn)行配平。出現(xiàn)配平障礙后，學(xué)生考慮到溶液顯酸性，可能H+也參與了反應(yīng)，就把H+加在反應(yīng)物一邊，同時(shí)也在右邊加上了H2O以平衡H元素，使得框架變成：H++ FeS2+ClO3-—SO42-+Fe3++ClO2+H2O。學(xué)生又開(kāi)始用化合價(jià)升降法配平，但由于系數(shù)太大，耗時(shí)較久甚至無(wú)法得出答案。

策略：

第1步，將氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)獨(dú)立開(kāi)來(lái)，把除氫、氧元素外的其他元素配平，得：

氧化反應(yīng)：FeS2—2SO42-+Fe3+，

還原反應(yīng)：ClO3-— ClO2。

第2步，在少氧的一端加H2O平衡，氧化反應(yīng)的左端少了8個(gè)氧，加8個(gè)H2O；還原反應(yīng)的右端少1個(gè)氧，加1個(gè)H2O，得：

氧化反應(yīng)：FeS2+8H2O— 2SO42-+Fe3+，

還原反應(yīng)：ClO3-—ClO2+H2O。

第3步，該反應(yīng)處于酸性環(huán)境中，因此有可參與反應(yīng)的游離H+。所以在氧化反應(yīng)的右端加16個(gè)H+，還原反應(yīng)左端加2個(gè)H+，得：

氧化反應(yīng)：FeS2+8H2O—2SO42-+Fe3++16H+ ，

還原反應(yīng)：2H++ClO3-—ClO2+H2O。

第4步，氧化反應(yīng)右端缺了15個(gè)電子，加15個(gè)電子；還原反應(yīng)右端缺了1個(gè)電子，加1個(gè)電子，得：

氧化反應(yīng)：FeS2+8H2O—2SO42-+Fe3++16H++15e，

還原反應(yīng)：2H++ClO3-+e —ClO2+H2O。

第5步，氧化、還原反應(yīng)得失電子數(shù)目要相等，所以氧化反應(yīng)乘以系數(shù)1，還原反應(yīng)乘以系數(shù)15，得：

氧化反應(yīng)：FeS2+8H2O—2SO42-+Fe3++16H++15e，

還原反應(yīng)：30H++15ClO3-+15e —15ClO2+15H2O。

第6步，二者相加得到總反應(yīng)方程式，將“同類(lèi)項(xiàng)”合并，得：

FeS2+14H++15ClO3-2SO42-+Fe3++15ClO2↑+7H2O。

2.中性、堿性環(huán)境中

中性、堿性環(huán)境與酸性環(huán)境不同之處在于前兩者只能靠H2O來(lái)提供反應(yīng)所需的H+，而H2O是弱電解質(zhì)，在離子反應(yīng)中不可拆，這將會(huì)導(dǎo)致方程式附加上相應(yīng)數(shù)目的OH-。為了平衡要在另一端加上多余的OH-；而中性與堿性環(huán)境不同點(diǎn)在于產(chǎn)物中若有H+生成，中性環(huán)境里H+可以游離地存在，而堿性環(huán)境中只能與OH-反應(yīng)生成H2O。

例3.（2013重慶，11）化學(xué)在環(huán)境保護(hù)中起著十分重要的作用，催化反硝化法和電化學(xué)降解法可用于治理水中硝酸鹽的污染。

（1） 催化反硝化法中，H2能將NO3-還原為N2，25℃時(shí)，反應(yīng)進(jìn)行10min，溶液的pH由7變?yōu)?2。

②上述反應(yīng)離子方程式為 。

策略：

第1步，將氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)獨(dú)立開(kāi)來(lái)，把除氫、氧元素外的其他元素配平，得：

氧化反應(yīng)：H2 —， 還原反應(yīng)：2NO3- —N2 。

第2步，氧化反應(yīng)的右端少2個(gè)H原子，中性環(huán)境H+可以游離存在，所以右邊加2個(gè)H+；還原反應(yīng)右端少6個(gè)O原子，加6個(gè)H2O，得：

氧化反應(yīng)：H2—2H+，

還原反應(yīng)：2NO3-—N2+ 6H2O。

第3步，根據(jù)pH可得出，溶液起初為中性，因此還原反應(yīng)左邊少的12個(gè)H，只能由12個(gè)H2O提供，同時(shí)在右端加上多余的12個(gè)OH-，這剛好符合了溶液pH隨著反應(yīng)的進(jìn)行而增加的事實(shí)，得：

氧化反應(yīng)：H2—2H+，

還原反應(yīng)：12H2O + 2NO3- —N2+6H2O+12OH- 。

第4步，氧化反應(yīng)的右端加2個(gè)電子，還原反應(yīng)的左端加10個(gè)電子，合并“同類(lèi)項(xiàng)”，得：

氧化反應(yīng)：H2—2H++2e，

還原反應(yīng)：6H2O+2NO3-+ 10e —N2+12OH-。

第5步，根據(jù)得失電子守恒，氧化反應(yīng)乘以系數(shù)5，得：

氧化反應(yīng)：5H2—10H++10e ，

還原反應(yīng)：6H2O+2NO3-+10e —N2+12OH-。

第6步，二者相加，消除電子，合并“同類(lèi)項(xiàng)”得總反應(yīng)（生成的H+要與生成的OH-結(jié)合），得：5H2+ 2NO3-N2+4H2O+2OH-。

例4.（2012新課標(biāo)全國(guó)卷26 （4））FeCl3和 KClO 在強(qiáng)堿性條件下反應(yīng)可制取 K2FeO4，其反應(yīng)的離子方程式為 。

策略：

第1步，將氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)獨(dú)立開(kāi)來(lái)，把除氫、氧元素外的其他元素配平，得：

氧化反應(yīng)：Fe3+—FeO42- ，

還原反應(yīng)：ClO- — Cl- 。

第2步，氧化反應(yīng)右端加4個(gè)H2O平衡氧，還原反應(yīng)的右端加1個(gè)H2O平衡氧，得：

氧化反應(yīng)： 4H2O+Fe3+—FeO42-，

還原反應(yīng)：ClO-— Cl-+ H2O。

第3步，氧化反應(yīng)右邊少了8個(gè)H+，若是中性、酸性環(huán)境，則生成8個(gè)H+即可，但堿性環(huán)境H+不能共存，應(yīng)該結(jié)合OH-成為8個(gè)H2O，把附加的8個(gè)OH-補(bǔ)在左邊，合并“同類(lèi)項(xiàng)”；同理還原反應(yīng)的左邊加上2個(gè)H2O后，再在右邊補(bǔ)上附加的2個(gè)OH-，得：

氧化反應(yīng)：8OH-+Fe3+—FeO42-+4H2O，

還原反應(yīng)：H2O+ClO-—Cl-+2OH-。

第4步，氧化反應(yīng)右端加3個(gè)電子，還原反應(yīng)左端加2個(gè)電子，得：

氧化反應(yīng)：8OH-+Fe3++3e—FeO42-+4H2O，

還原反應(yīng)：H2O+ClO-+2e—Cl-+2OH-。

第5步，電子得失守恒，氧化反應(yīng)乘以系數(shù)2，還原反應(yīng)乘以系數(shù)3，二式相加，合并“同類(lèi)項(xiàng)”，得

10OH-+2Fe3++3ClO-2FeO42-+5H2O+3Cl-。

三、結(jié)語(yǔ)

學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)良好方程式的單純記憶，并不能促進(jìn)學(xué)生有效地生成解決結(jié)構(gòu)不良氧化還原反應(yīng)問(wèn)題的圖式，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)不良問(wèn)題的解決需要學(xué)生高級(jí)思維的參與，需要學(xué)生有較高的氧化還原反應(yīng)理論認(rèn)知水平。在氧化還原反應(yīng)理論與電化學(xué)嚴(yán)重分離的中學(xué)階段，采用分解策略，靈活運(yùn)用化學(xué)方程式書(shū)寫(xiě)的三原則將氧化還原反應(yīng)方程式與電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)結(jié)合起來(lái)，無(wú)疑是將知識(shí)抽象成氧化還原反應(yīng)大概念或?qū)⒀趸€原反應(yīng)理論科學(xué)本質(zhì)明細(xì)化的良方。

參考文獻(xiàn)

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