徐 昭

貴州

原電池是中學(xué)化學(xué)的重要內(nèi)容，是氧化還原反應(yīng)的重要應(yīng)用，是高考的重要考點(diǎn)。原電池考查的核心在于電極的確定以及電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)，如何分析原電池，特別是分析陌生度很高的原電池，如何確定電極及正確寫(xiě)出電極反應(yīng)式既是教學(xué)和考試的重點(diǎn)，也是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)。

眾所周知，現(xiàn)行人教版化學(xué)《必修2》第二章(化學(xué)反應(yīng)與能量)第2節(jié)(化學(xué)能與電能)，實(shí)驗(yàn)2-4科學(xué)探究和思考與交流分別做了Cu - 稀硫酸 - Zn原電池實(shí)驗(yàn)，金屬(Mg、Cu、Fe)果汁(橙汁、蘋(píng)果汁、檸檬汁等)實(shí)驗(yàn)及蘋(píng)果電池實(shí)驗(yàn)。學(xué)到這里，學(xué)生手舞足蹈，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的興趣。表面上看，電化學(xué)的學(xué)習(xí)有了良好的開(kāi)始，但是學(xué)到《選修四》第4章“電化學(xué)基礎(chǔ)”時(shí)，半數(shù)以上的學(xué)生感到困難，電化學(xué)的知識(shí)并沒(méi)有剛接觸時(shí)那么好學(xué)，不會(huì)做題，反復(fù)遭遇失敗，信心受到重創(chuàng)。筆者通過(guò)不斷實(shí)踐、反思，找到了存在問(wèn)題的原因在于氧化還原反應(yīng)的概念教學(xué)中沒(méi)有到位。只有概念教學(xué)到位、對(duì)應(yīng)練習(xí)到位、課前鋪墊到位、課后訓(xùn)練到位，一鼓作氣，教學(xué)效果才會(huì)更棒。那么，怎樣操作才能使期望實(shí)現(xiàn)呢？解決問(wèn)題的方法是什么呢？筆者通過(guò)以下方法對(duì)教學(xué)進(jìn)行調(diào)整，取得了不錯(cuò)的教學(xué)效果。

一、研究《考試大綱》要求

《考試大綱》中對(duì)氧化還原反應(yīng)的要求是了解氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)是電子的轉(zhuǎn)移，了解常見(jiàn)的氧化還原反應(yīng)，掌握常見(jiàn)氧化還原反應(yīng)的配平和相關(guān)計(jì)算，了解原電池和電解池的工作原理，能寫(xiě)出電極反應(yīng)和電池反應(yīng)方程式，了解常見(jiàn)化學(xué)電源的種類(lèi)及其工作原理。

二、研究考題規(guī)律

近年來(lái)，高考試題凸顯對(duì)主干知識(shí)的考查。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，氧化還原反應(yīng)、離子反應(yīng)、電解質(zhì)溶液、電化學(xué)……這些主干知識(shí)幾乎每年必考。事實(shí)說(shuō)明，在新課程核心素養(yǎng)背景下的高考，呈現(xiàn)的是相對(duì)穩(wěn)定的過(guò)渡和傳承。如：2010—2018年，全國(guó)卷Ⅰ、卷Ⅱ連續(xù)八年都考查了電化學(xué)的知識(shí)。2016—2018年全國(guó)卷Ⅲ第11題，分別考查了“鋅 - 空氣燃料電池”“固態(tài)鋰硫電池”“鋰 - 空氣電池”的電化學(xué)知識(shí)。

三、研究教學(xué)鋪墊

1.復(fù)習(xí)氧化還原反應(yīng)相關(guān)概念

明確什么叫氧化反應(yīng)？什么叫還原反應(yīng)？什么叫氧化還原反應(yīng)？氧化反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是什么？還原反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是什么？氧化還原反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是什么？氧化反應(yīng)與還原反應(yīng)的關(guān)系是什么？以上概念在氧化還原反應(yīng)的初次教學(xué)中講解到位，練習(xí)到位。根據(jù)艾賓浩斯對(duì)遺忘規(guī)律的研究，進(jìn)入原電池內(nèi)容之前，最好檢測(cè)復(fù)習(xí)氧化還原反應(yīng)相關(guān)概念，使學(xué)生對(duì)概念爛熟于心。

2.復(fù)習(xí)“電流”這一概念，講清楚原電池的概念

我們知道，氧化還原反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是電子的轉(zhuǎn)移，但是電子并沒(méi)有定向移動(dòng)，也就是說(shuō)，氧化還原反應(yīng)中的電子轉(zhuǎn)移是自由移動(dòng)的，那么如何將電子的自由移動(dòng)變成電子的定向移動(dòng)呢？借助一個(gè)裝置，就可以使氧化還原反應(yīng)中電子的轉(zhuǎn)移(自由移動(dòng))轉(zhuǎn)變成電子的定向移動(dòng)，這個(gè)裝置就是原電池。由于這個(gè)裝置形成了電流，所以就有了電能。能量守恒定律告訴我們，能量不會(huì)創(chuàng)生，也不會(huì)消失，只會(huì)從一種形式轉(zhuǎn)化成另一種形式，從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的過(guò)程中，總量保持不變。化學(xué)反應(yīng)會(huì)釋放化學(xué)能，毋庸置疑，化學(xué)能也可以轉(zhuǎn)化成其他形式的能。因此，從能量轉(zhuǎn)化的角度來(lái)看，這個(gè)裝置將化學(xué)能轉(zhuǎn)變成了電能。所以，原電池就是將化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能的裝置，如教材上的單池原電池、雙池原電池。這樣，學(xué)生就基本掌握了原電池的概念。

3.講清電極的概念和電極的分類(lèi)

電極就是電子流入或流出的端口，如生活中的插頭、插座、插線(xiàn)板等都是電極。在原電池中，電子流出的電極叫負(fù)極，電子流出就是失去電子，所以負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，帶正電，吸引陰離子移向負(fù)極。所以，在原電池中，負(fù)極可以定義為(1)失電子的電極叫負(fù)極；(2) 發(fā)生氧化反應(yīng)的電極叫負(fù)極；(3)帶正電的電極叫負(fù)極；(4)陰離子移向的電極叫負(fù)極。講清楚負(fù)極，大多數(shù)學(xué)生就能自學(xué)領(lǐng)悟正極。

電子流入的電極叫正極，電子流入就會(huì)有粒子在正極上得到電子，所以正極發(fā)生還原反應(yīng)，帶負(fù)電，吸引陽(yáng)離子移向正極。所以，在原電池中，正極可以定義為(1)得電子(電極本身或其他粒子)的電極叫正極；(2) 發(fā)生還原反應(yīng)的電極叫正極；(3)陽(yáng)離子移向的電極叫正極。

4.講清電子與電流運(yùn)動(dòng)的路徑

突出核心素養(yǎng)中“宏觀(guān)辨識(shí)與微觀(guān)探析”這一要素。電子總是從負(fù)極出發(fā)，經(jīng)過(guò)外電路到達(dá)正極，在內(nèi)電路(介質(zhì)為電解質(zhì)溶液、熔融電解質(zhì)或固體電解質(zhì))中，是陰陽(yáng)離子移動(dòng)導(dǎo)電，即陰離子移向負(fù)極，陽(yáng)離子移向正極，電子運(yùn)動(dòng)方向與電流方向正好相反，根據(jù)電子運(yùn)動(dòng)方向可以判斷電流運(yùn)動(dòng)方向。所以，不論是知道電子運(yùn)動(dòng)方向、還是電流運(yùn)動(dòng)方向，都可以確定原電池的正負(fù)極。

5.講清原電池構(gòu)成的條件

(1)有兩個(gè)電極(大多數(shù)不同，也可能相同，如氫氧燃料電池等)；(2)有電解質(zhì)(電解質(zhì)通常是溶液，也可能是熔融狀態(tài)或固體電解質(zhì))；(3)有閉合回路(首尾連通，教學(xué)時(shí)展示各種閉合回路)；(4)有自發(fā)的氧化還原反應(yīng)。

筆者在授課時(shí)，用圖1強(qiáng)調(diào)原電池工作原理，抓住原電池工作原理本質(zhì)，以不變的工作原理應(yīng)對(duì)萬(wàn)變的情景，突出核心素養(yǎng)中“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”這一要素。

圖1

用圖2、圖3介紹不同類(lèi)型的原電池，從原電池工作原理的角度觸類(lèi)旁通，達(dá)到舉一反三的效果。

圖2

圖3

6.講清原電池電極反應(yīng)式書(shū)寫(xiě)步驟

[列物質(zhì)、標(biāo)得失]→負(fù)極失電子，氧化反應(yīng)；正極得電子，還原反應(yīng)。

↓

[看環(huán)境、配守恒]→電極產(chǎn)物在電解質(zhì)環(huán)境下，應(yīng)穩(wěn)定且大量存在。

↓

[兩相加、驗(yàn)總式]→兩電極反應(yīng)式相加，與總反應(yīng)式對(duì)照驗(yàn)證。

四、例題示范，變式強(qiáng)化

例1.以Pt為電極材料，KOH溶液為電解質(zhì)溶液的氫 - 氧燃料電池。

變式1：以Pt為電極材料的H2- H2SO4(aq) - O2燃料電池。

變式2：一次電池，Mg - NaOH(aq) - Al電池。

變式3：CO燃料電池，熔融鹽(鉑為兩極，Li2CO3和Na2CO3的熔融鹽作電解質(zhì)，CO為負(fù)極燃?xì)?，空氣與CO2的混合氣為正極燃?xì)?。

五、直面新題、明確方向

例2.(2018·天津卷·10題節(jié)選)O2輔助的Al - CO2電池工作原理如圖所示。該電池電容量大，能有效利用CO2，電池反應(yīng)產(chǎn)物Al2(C2O4)3是重要的化工原料。

電池的負(fù)極反應(yīng)式：_______________________。

反應(yīng)過(guò)程中O2的作用是_______________________。

該電池的總反應(yīng)式：_______________________。

( )

B.充電時(shí)釋放CO2，放電時(shí)吸收CO2

【解析】原電池中負(fù)極失去電子，發(fā)生氧化反應(yīng)，正極得到電子，發(fā)生還原反應(yīng)，陽(yáng)離子向正極移動(dòng)，陰離子向負(fù)極移動(dòng)，充電可以看作是放電的逆反應(yīng)。

六、總結(jié)歸納

原電池正負(fù)極的判斷方法：

1.根據(jù)原電池反應(yīng)的方程式判斷

原電池反應(yīng)均為自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)，在原電池反應(yīng)方程式中，先判斷出元素化合價(jià)升降，元素化合價(jià)升高失電子是還原劑，還原劑所在的電極是負(fù)極。元素化合價(jià)降低得電子是氧化劑，氧化劑所在的電極是正極。

2.根據(jù)電流方向或電子移動(dòng)方向判斷

在外電路中，電子總是由負(fù)極流向正極，電流由正極流向負(fù)極,電子移動(dòng)方向與電流流動(dòng)方向相反(內(nèi)電路中，電流由負(fù)極流向正極)。

3.根據(jù)電解質(zhì)溶液里離子的移動(dòng)方向判斷

在原電池的電解質(zhì)溶液里，陽(yáng)離子移向的電極是正極，陰離子移向的電極是負(fù)極。

4.根據(jù)兩極發(fā)生的反應(yīng)判斷

原電池的負(fù)極總是失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)，正極總是得到電子發(fā)生還原反應(yīng)。

5.根據(jù)原電池的兩極判斷

一般情況下，較活潑的金屬為負(fù)極，較不活潑的金屬或?qū)щ姷姆墙饘贋檎龢O，但也有特殊情況如：Mg - NaOH(aq) - Al原電池中，Al作負(fù)極、Mg作正極。

6.根據(jù)電極產(chǎn)生的現(xiàn)象判斷

一般情況下，質(zhì)量減小的一極為負(fù)極，質(zhì)量增大或有氣泡產(chǎn)生的一極為正極(如：Pb - H2SO4(aq) - PbO2蓄電池中，原電池工作時(shí)，負(fù)極Pb轉(zhuǎn)化為PbSO4，正極PbO2轉(zhuǎn)化為PbSO4，負(fù)極和正極質(zhì)量均增加)。