莘贊梅

摘要： 電化學(xué)是中學(xué)化學(xué)教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，有很多值得深入思考和探討的問(wèn)題。電化學(xué)主題是放在選擇性必修模塊“化學(xué)反應(yīng)原理”第一章（單獨(dú)成章），離子的放電順序如何、怎樣書寫有水參與電解的電極反應(yīng)、電化學(xué)主題中的化學(xué)史內(nèi)容有哪些？針對(duì)教學(xué)中比較突出的幾個(gè)問(wèn)題作深入探討。

關(guān)鍵詞： 電化學(xué); 電極反應(yīng); 放電順序; 化學(xué)史

文章編號(hào)： 1005-6629（2020）03-0041-04

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

電化學(xué)一直以來(lái)都是中學(xué)化學(xué)教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，該內(nèi)容主要分布在必修、選擇性必修模塊“化學(xué)反應(yīng)原理”中。對(duì)于電化學(xué)這樣一個(gè)經(jīng)典的核心專題，實(shí)踐中存在一些普遍性問(wèn)題： 很多教師一般只能就教材而教，沒(méi)有整合教材內(nèi)容的意識(shí);一些教師不能全面地科學(xué)地理解學(xué)科知識(shí)，因而不能靈活地運(yùn)用知識(shí);有些問(wèn)題涉及到教材的科學(xué)編寫，但也與任課教師對(duì)內(nèi)容的準(zhǔn)確把握息息相關(guān)，所以厘清電化學(xué)教學(xué)中存在的常見(jiàn)問(wèn)題很有必要。下面針對(duì)教學(xué)中比較突出的幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行探討并給出教學(xué)建議。

1? 電化學(xué)主題放在哪里更合適？電解池和原電池的順序如何安排更好？

電化學(xué)內(nèi)容從知識(shí)分類看，屬于化學(xué)基本概念和原理內(nèi)容，是氧化還原反應(yīng)理論的延伸和具體應(yīng)用。從主題分類看，電化學(xué)屬于選擇性必修模塊“化學(xué)反應(yīng)原理”三大主題之一——化學(xué)反應(yīng)與能量，因而魯科版[1]、蘇教版[2]實(shí)驗(yàn)教材均按主題呈現(xiàn)電化學(xué)內(nèi)容，將電化學(xué)內(nèi)容放在教材第一章，而人教版[3]實(shí)驗(yàn)教材則將電化學(xué)內(nèi)容單獨(dú)編排，位于教材的最后一章。從主題邏輯看，魯科版、蘇教版實(shí)驗(yàn)教材的編排似乎更符合邏輯，但從學(xué)生的認(rèn)知基礎(chǔ)和實(shí)踐效果看，由于電化學(xué)內(nèi)容涉及電解質(zhì)的電離等水溶液?jiǎn)栴}，如果放在水溶液之前講，知識(shí)有斷層、跳躍性大，不利于學(xué)生自主建構(gòu)電化學(xué)的認(rèn)知模型。所以，筆者認(rèn)為將電化學(xué)內(nèi)容放在水溶液的離子平衡之后講解更合適，水溶液中的離子平衡更有利于建立微粒觀。電化學(xué)是對(duì)微粒觀的深化和應(yīng)用，也就是說(shuō)，人教版教材的編排更符合學(xué)生的認(rèn)知順序。

對(duì)于電解池和原電池的先后順序，人教版、蘇教版實(shí)驗(yàn)教材是原電池在前電解池在后，而魯科版實(shí)驗(yàn)教材則相反，但2019魯科版新教材樣書修訂了這一順序，也是原電池在前電解池在后。對(duì)比國(guó)外教材發(fā)現(xiàn)，美國(guó)《化學(xué)： 概念與應(yīng)用》[4]將電解池放在原電池之前。為什么會(huì)有這些順序的差異，其思考的依據(jù)是什么值得我們?nèi)ド钏?。從科學(xué)發(fā)展的歷史看，確實(shí)是原電池

發(fā)明在前電解池在后，這可能是國(guó)內(nèi)教材編排的思考之一。從學(xué)生的認(rèn)知基礎(chǔ)看，學(xué)生在初中、必修模塊中知道電解水、電解熔融氯化鈉制備鈉、電解熔融氧化鋁制備鋁等事實(shí)，學(xué)生所不知道的是如何從微觀角度分析。對(duì)于原電池，學(xué)生在必修階段已經(jīng)學(xué)習(xí)了Zn|稀H2SO4|Cu單液原電池原理，所以，無(wú)論是原電池還是電解池，學(xué)生都是有認(rèn)知基礎(chǔ)的。從知識(shí)的難度看，學(xué)生知道的電解事實(shí)容易幫助學(xué)生建構(gòu)電解的概念，學(xué)生比較容易分析電解質(zhì)溶液中微粒的來(lái)源和種類，在電流的作用下，結(jié)合氧化還原知識(shí)，較容易進(jìn)行微觀的、動(dòng)態(tài)的分析。電解的模型類型只有惰性電極和活性電極兩種類型，而原電池，從單液電池→雙液原電池→燃料電池→二次電池等，模型類型比較多，學(xué)習(xí)過(guò)程中容易產(chǎn)生迷思概念，很多學(xué)生對(duì)“氧化劑和還原劑不接觸就能自發(fā)反應(yīng)”始終心存疑惑，不利于建構(gòu)電化學(xué)的模型和分析思路，也就是說(shuō)，電解池原理和模型比原電池更簡(jiǎn)單，更容易建構(gòu)電化學(xué)的認(rèn)知模型，更適合建立“分析電化學(xué)問(wèn)題的思路和方法”。在一標(biāo)（課標(biāo)）多本（教材）的今天，教師要有整合教材的意識(shí)，建議電解池放在原電池之前講解更合適。另外，在化學(xué)電源中需要介紹二次電池，而二次電池的充電過(guò)程就是電解原理，學(xué)生只有掌握了電解原理，才能充分理解二次電池的充電原理，這也是建議電解池放在原電池之前的重要原因。

2? 離子放電順序及電解問(wèn)題的解釋

一般來(lái)說(shuō)，常見(jiàn)陽(yáng)離子的放電順序是： Ag+>Hg2+>Fe3+>Cu2+>H+>Pb2+>Sn2+>Fe2+>Zn2+>Al3+>Mg2+>Na+>Ca2+>K+。這個(gè)順序是怎么來(lái)的？這個(gè)順序是根據(jù)電極電勢(shì)數(shù)據(jù)的大小排列出來(lái)的，即： 上述金屬陽(yáng)離子的放電順序與金屬的活動(dòng)性順序相反，從左到右電極電勢(shì)的代數(shù)值逐漸減小，得電子能力逐漸減弱。需要注意的是，由于電極電勢(shì)是在溶液中測(cè)定的，所以金屬活動(dòng)性順序僅適用于金屬和溶液間的反應(yīng)，不適用于高溫和干態(tài)。比如： 工業(yè)上可用Na與KCl發(fā)生置換反應(yīng)制取金屬K，因?yàn)镵的沸點(diǎn)比Na、 NaCl、 KCl的沸點(diǎn)都低，且高于Na、 NaCl、 KCl的熔點(diǎn)，Na不揮發(fā)而K達(dá)到沸點(diǎn)而揮發(fā)，以蒸氣的形式離開(kāi)反應(yīng)體系，這樣反應(yīng)就有利于向右進(jìn)行。

當(dāng)然，上述順序并不是一成不變的，由于超電勢(shì)的存在有可能使電解時(shí)電極上的放電順序發(fā)生改變。對(duì)于靠近H+且排在H+后的Pb2+、Sn2+、Fe2+、Zn2+等離子，當(dāng)溶液中只有H+和這些金屬離子時(shí)，氫離子先放電，陰極上析出氫，由于氫有較大的超電壓（超電勢(shì)），而使其析出電位（電勢(shì)）更負(fù)，能使位于氫前面不遠(yuǎn)的金屬（如Zn、 Fe等）離子放電，而得到相應(yīng)金屬[5]。這樣，金屬離子的放電順序變?yōu)椋?Ag+>Hg2+>Fe3+>Cu2+>Pb2+>Sn2+>Fe2+>Zn2+>H+>Al3+>Mg2+>Na+>Ca2+>K+，這個(gè)順序比理論順序更符合實(shí)際。有了這個(gè)順序，就能解釋為什么電解ZnSO4溶液陰極可得到Zn，電鍍鋅時(shí)，陰極為什么是Zn2+放電而不是H+。

電極電勢(shì)的代數(shù)值越小，微粒越容易失去電子，所以，根據(jù)電極電勢(shì)數(shù)據(jù)得到的陰離子放電順序是： S2->OH->I->Br->Cl->含氧酸根離子，由于O2的超電勢(shì)較大，所以實(shí)際析出電勢(shì)增大，因此，實(shí)際放電順序常常是： S2->I->Br->Cl->OH->含氧酸根離子。這個(gè)順序與中學(xué)教師介紹給學(xué)生的順序是一致的，用這個(gè)順序才能解釋電解飽和氯化鈉溶液時(shí)Cl-優(yōu)于OH-放電。嚴(yán)宣申先生在《化學(xué)反應(yīng)原理選講》中寫道： 電解NaCl溶液，Cl-、 OH-均可在陽(yáng)極上被氧化，兩者的電極電勢(shì)： Cl2+2e-2Cl-? Eθ=1.36V; O2+2H2O+4e-4OH-? E=0.82V（NaCl液中[OH-]=10-7mol/L）。按說(shuō)由電勢(shì)看，應(yīng)該是OH-放電先于Cl-，但由于O2在石墨電極上的超電勢(shì)比Cl2大了許多，如I=1000A/m2（298K）時(shí)，Cl2在石墨電極上的超電勢(shì)為0.25V，而O2的超電勢(shì)為1.09V，所以石墨電極上Cl-優(yōu)于OH-放電[6]。但這個(gè)順序并不是永遠(yuǎn)保持不變的，比如以石墨電極電解氯化鈉溶液，當(dāng)c（Cl-）濃度變小、ECl2/Cl-數(shù)據(jù)變得更大，大于EO2/4OH-時(shí)，OH-先于Cl-放電，即存在OH-、 Cl-競(jìng)爭(zhēng)放電。當(dāng)然，離子放電能力與離子濃度、電流密度、電極材料的超電勢(shì)等多因素有關(guān)，所以，離子的放電順序是可變的。教師只有自己先科學(xué)地全面地理解上述學(xué)科知識(shí)，才可能準(zhǔn)確地教授學(xué)科知識(shí)。建議在講解放電順序時(shí)，應(yīng)該告知學(xué)生放電順序在不同條件下是不同的，切不可將知識(shí)講“死”了。比如，新課教學(xué)時(shí)通過(guò)電解飽和食鹽水的實(shí)驗(yàn)事實(shí)得出了失電子能力是Cl->OH-，但在復(fù)習(xí)課的教學(xué)中，應(yīng)該告知學(xué)生存在OH-、 Cl-競(jìng)爭(zhēng)放電的事實(shí)，使學(xué)生的認(rèn)識(shí)有進(jìn)階地發(fā)展。

3? 如何書寫有水參與電解的電極反應(yīng)

惰性電解H2SO4、 NaOH、 Na2SO4等溶液，相當(dāng)于電解水，電解硫酸時(shí)陽(yáng)極的電極反應(yīng)可以寫成2H2O-4e-O2↑+4H+或4OH--4e-O2↑+2H2O。電解NaOH溶液的陰極反應(yīng)可以寫成電解2H2O+2e-H2↑+2OH-或2H++2e-H2↑，中學(xué)教師多年來(lái)就是這樣教的。到底哪種寫法更符合邏輯和本質(zhì)呢？從以往各版本教材和中學(xué)各類教輔看，凡是水中的H+或OH-放電的，都是直接寫成2H++2e-H2↑、 4OH--4e-O2↑+2H2O，如2019年以前的人教版[7]、魯科版[8]實(shí)驗(yàn)教材中電解NaCl的陰極反應(yīng)，均寫成2H++2e-H2↑。

在書寫有水參與電解的電極反應(yīng)時(shí)，無(wú)論是教材還是大多數(shù)教輔材料，都存在人為規(guī)定的不足，造成學(xué)生前后認(rèn)知的不統(tǒng)一，無(wú)形中給教學(xué)帶來(lái)了困難。不足主要體現(xiàn)在以下幾方面：

（1） 與離子反應(yīng)的書寫原則造成矛盾。電極反應(yīng)式是用來(lái)表示電解質(zhì)溶液中的粒子（離子或分子）在兩極發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成新物質(zhì)過(guò)程中的化學(xué)用語(yǔ)，應(yīng)該與離子反應(yīng)書寫的原則基本一致。離子反應(yīng)是用參加反應(yīng)的物質(zhì)在水中的主要存在形式來(lái)表示化學(xué)反應(yīng)的式子，因此教材提出“把易溶于水、易電離的物質(zhì)寫成離子的形式，把難溶的物質(zhì)、氣體和水（隨著學(xué)習(xí)的深入，拓展為難電離的物質(zhì)）等仍用化學(xué)式表示”。按此原則，H+表示的是易溶于水、易電離的物質(zhì)——強(qiáng)酸，而電解飽和食鹽水時(shí)，根據(jù)放電順序，陰極是水電離的H+獲得電子生成H2。水是一種極弱的電解質(zhì)，發(fā)生微弱電離，根據(jù)“難電離的物質(zhì)仍用化學(xué)式表示”這一原則，在書寫離子反應(yīng)時(shí)只能寫成H2O這種化學(xué)式而不能寫成H+這種離子的形式，那么，電極反應(yīng)書寫應(yīng)該是： 2H2O+2e-H2↑+2OH-，而不應(yīng)該寫成2H++2e-H2↑這種形式。這樣，用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)將離子反應(yīng)的書寫和電極反應(yīng)的書寫有機(jī)統(tǒng)一起來(lái)，既能讓教師在教的過(guò)程中有理有據(jù)，也不至于引起學(xué)生思維的混亂。

（2） 陰陽(yáng)兩極的反應(yīng)加和不能得出總的離子方程式。我們知道，無(wú)論是原電池原理還是電解原理，只是將氧化還原反應(yīng)分開(kāi)在兩極上進(jìn)行，因此，將正、負(fù)（或陰、陽(yáng)）兩極的電極反應(yīng)加和，應(yīng)該能得到總反應(yīng)的離子方程式（或化學(xué)方程式），原電池原理的正、負(fù)兩極電極反應(yīng)加和確實(shí)能得出總方程式，而電解原理中，陰、陽(yáng)兩極反應(yīng)加和有的不能得出總的離子方程式（比如電解食鹽水等），這給學(xué)生的認(rèn)知造成很大的混亂，善于思考的學(xué)生經(jīng)常會(huì)在教師講完電解后提出這個(gè)尖銳的問(wèn)題。再如，電解鹽酸溶液的反應(yīng)實(shí)質(zhì)與電解飽和食鹽水是不同的，但陰極、陽(yáng)極書寫的電極反應(yīng)卻完全相同，這是人為規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一造成的矛盾。

傅獻(xiàn)彩等《物理化學(xué)》教科書[9]的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)表中表達(dá)： 酸性介質(zhì)中，陽(yáng)極： 2H2O-4e-O2↑+4H+，陰極： 4H++4e-2H2↑;在堿性溶液中，陽(yáng)極： 4OH--4e-O2↑+2H2O，陰極2H2O+2e-H2↑+2OH-。

基于上述分析，無(wú)論是從離子反應(yīng)的原則，還是從學(xué)生認(rèn)知的發(fā)展來(lái)看，以往高中化學(xué)教材表達(dá)“水參與電解的電極反應(yīng)”時(shí)存在與書寫離子反應(yīng)相矛盾的瑕疵，所以應(yīng)該改變?cè)械乃季S定勢(shì)，將電極反應(yīng)的書寫習(xí)慣與離子反應(yīng)的書寫原則統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，修改沿用了很多年而不符合學(xué)生認(rèn)知的某些電極反應(yīng)的書寫。中學(xué)教材中涉及到的主要是電解飽和食鹽水，應(yīng)該按下式書寫更符合邏輯和學(xué)生認(rèn)知： 陰極： 2H2O+2e-H2↑+2OH-;陽(yáng)極： 2Cl--2e-Cl2↑;將陰、陽(yáng)極反應(yīng)加和，可得總的離子方程式： 2Cl-+2H2O電解2OH-+H2↑+Cl2↑。從上面的電極反應(yīng)就能看出，陰極產(chǎn)物有H2和堿兩種，無(wú)需教師做更多的解釋，學(xué)生就能理解陰極產(chǎn)生強(qiáng)堿這一過(guò)去難以理解的知識(shí)點(diǎn)，可見(jiàn)，這樣的書寫既直觀地反映科學(xué)事實(shí)，又能與離子反應(yīng)的書寫原則保持一致，何樂(lè)而不為呢？對(duì)于電解硫酸、硫酸鈉、氫氧化鈉等溶液，宏觀看都是電解水，按照教材的書寫習(xí)慣陽(yáng)極都是OH-放電，陰極都是H+放電，但這種寫法卻不能反映OH-、 H+的來(lái)源，而用離子反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)書寫，電極反應(yīng)式能清楚地將參與電極反應(yīng)的粒子（離子或水分子）的來(lái)源及各極的產(chǎn)物準(zhǔn)確地表示出來(lái)，給學(xué)生一目了然的感覺(jué)?？上驳氖?，2019年人教版教材已經(jīng)將電解飽和食鹽水的陰極反應(yīng)寫成2H2O+2e-H2↑+2OH-[10]，這種修正，更加貼近溶液的微觀本質(zhì)，符合學(xué)生的認(rèn)知。

4? 電化學(xué)中的化學(xué)史內(nèi)容

我國(guó)著名教育家、化學(xué)家傅鷹教授曾多次講過(guò)：“一門科學(xué)的歷史是那門科學(xué)中最寶貴的一部分，因?yàn)榭茖W(xué)只能給我們知識(shí)，而歷史卻能給我們智慧。”正如法國(guó)著名科學(xué)家朗之萬(wàn)所說(shuō)：“在科學(xué)教育中，加入歷史的觀點(diǎn)是有百利而無(wú)一弊的。”化學(xué)史的教育功能已被越來(lái)越多的化學(xué)教師所領(lǐng)悟并應(yīng)用到教學(xué)中?；瘜W(xué)史是化學(xué)學(xué)科孕育、形成、發(fā)展及其演變規(guī)律的歷史?；瘜W(xué)教學(xué)中引入化學(xué)史，可以對(duì)學(xué)生進(jìn)行正確的理論思想和研究方法的教育。通過(guò)化學(xué)史教學(xué)，學(xué)生不僅能掌握化學(xué)發(fā)展的規(guī)律，提高他們發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，也能學(xué)習(xí)科學(xué)家思考問(wèn)題的方式方法，對(duì)學(xué)生正確認(rèn)識(shí)主觀與客觀、理論與實(shí)踐、個(gè)人與社會(huì)、人類與自然的關(guān)系等一系列的問(wèn)題具有重要的意義。

中學(xué)電化學(xué)內(nèi)容中蘊(yùn)含哪些化學(xué)史，如何在該主題中滲透化學(xué)史教育，這是值得探討和思考的問(wèn)題。盡管教學(xué)中一些教師會(huì)涉及一點(diǎn)，但對(duì)于電化學(xué)整體的發(fā)展史，很多教師還是不清楚的，非常有必要做個(gè)簡(jiǎn)單梳理。1786年，意大利解剖學(xué)家伽伐尼（Galvani）發(fā)現(xiàn)金屬片接觸青蛙肌肉時(shí)發(fā)生抽搐現(xiàn)象，可以認(rèn)為是電化學(xué)的起源，到現(xiàn)在電化學(xué)的發(fā)展經(jīng)歷了200多年，在這個(gè)過(guò)程中，眾多科學(xué)家對(duì)電化學(xué)的發(fā)展起到了推動(dòng)作用。1799年，意大利化學(xué)家伏特（伏打）用不同金屬夾濕紙組成了能維持一定電流的電堆，即伏打電堆。1800年，英國(guó)化學(xué)家尼克爾森和卡利斯?fàn)栯娊饬怂?。?807年，英國(guó)化學(xué)家戴維用自制的強(qiáng)大電池組，通過(guò)電解的方法制得了金屬鉀、鈉、鎂、鈣、鍶、鋇和非金屬元素硼和硅（硅： 貝采里烏斯最先發(fā)現(xiàn)），成為化學(xué)史上發(fā)現(xiàn)新元素最多的人[11]。1836年丹尼爾電池誕生;1859年鉛蓄電池發(fā)明;1883年發(fā)明了氧化銀電池，1888年實(shí)現(xiàn)了電池的商品化;1899年發(fā)明了鎳-鎘電池。1942年英國(guó)科學(xué)家葛洛夫制造了第一個(gè)燃料電池，進(jìn)入20世紀(jì)70年代，不同類型的燃料電池陸續(xù)面世。鋅錳電池與人們的生活息息相關(guān)，鋅錳電池也是較早進(jìn)入人們生活的電池，它的發(fā)展經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的演變，直到1950年代前后，在鋅錳干電池的基礎(chǔ)上成功研制出堿性鋅錳電池。1990年前后發(fā)明了鋰離子電池，很快實(shí)現(xiàn)了鋰離子電池的商品化?？梢哉f(shuō)，電池的改進(jìn)和種類探索仍在進(jìn)行中。

上述電池的發(fā)展史，伏打電池、丹尼爾電池、燃料電池等在建構(gòu)原電池模型中起著重要作用，這或許是教材選擇它們的原因之一。在必修原電池構(gòu)成條件的探索中，可以讓學(xué)生經(jīng)歷伏打電池的發(fā)現(xiàn)過(guò)程，自主探索構(gòu)成原電池的條件，尋找合適的電極材料和電解質(zhì)溶液，明確學(xué)生的探索過(guò)程也是伏打?qū)﹄姵氐奶剿鬟^(guò)程。在選擇性必修模塊1的原電池教學(xué)中，結(jié)合銅-鋅單液原電池、銅-鋅雙液原電池、燃料電池，簡(jiǎn)單介紹電池的發(fā)展歷史及新型電池的開(kāi)發(fā)。在電解池教學(xué)中，則重點(diǎn)介紹戴維、法拉第等多位科學(xué)家的貢獻(xiàn)，法拉第明確了電解質(zhì)、電極、陰極、陽(yáng)極、離子、陰離子、陽(yáng)離子等概念，歸納了法拉第定律。盡管是簡(jiǎn)單的介紹，但對(duì)于學(xué)生思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，無(wú)疑是有積極作用的。

總之，電化學(xué)科學(xué)的發(fā)展，推動(dòng)了世界科學(xué)的進(jìn)步，促進(jìn)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)解決人類社會(huì)面臨的能源、交通、材料、環(huán)保、信息、生命等方面，已經(jīng)作出并正在作出巨大的貢獻(xiàn)。作為中學(xué)化學(xué)經(jīng)典內(nèi)容的電化學(xué)知識(shí)，要發(fā)揮其培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的載體作用，則必須建立在教師對(duì)相關(guān)知識(shí)的深刻理解和準(zhǔn)確把握上。

（注： 本文是參加“北京教育學(xué)院中學(xué)化學(xué)卓越工作室”期間完成的成果。）

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