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摘要:以“原电池教学内容为例,阐述了其中未曾作为过考点的知识也有教的价值,值得引起教师关注。建议教师不要只把眼光盯住要考的那些知识点,只见树林不见森林,那可能会损失许多有教育价值的知识。

关键词:原电池;考点;教育价值

目前的教学中有种不良倾向就是考什么就教什么。过程与方法、情感态度与价值观由于不太容易通过纸笔测试考查,因此难被真正落实。即使就科学知识本身而言,那些高考热点、重点自然成为了课堂的主角,而那些从未被考过的知识、甚至与考试热点表面上有所冲突的知识则难以被教师关注。这些知识就没有教的价值吗?本文以原电池的教学为例,谈谈对此的思考。

一、过于关注碎片化的考点知识可能忽略了整体性的理解

电化学是高中化学的核心知识。新教材分必修和选修两个层次,有序地呈现了化学能与电能的相互转化这一内容。原电池为高中电化学理论中的重要组成部分,从高考考查内容来看,往往落在原电池装置的判断、电极的判断、电极方程式的书写等内容上。因此教学中教师常见的做法是以铜锌原电池为例,说明原电池的工作原理,然后再介绍一些其它氧化还原反应设计成的原电池,总结原电池的构成条件,大量练习电极反应的书写。

以上这些知识对原电池这一内容来说有没有缺失?如果以一句话来概括原电池核心内容,原电池是将化学能转化为电能的装置这句话化学教师都能脱口而出。再思考那些考点,是不是都落在化学能上?落在对一个氧化还原反应的拆分上?那么,转化呢?装置呢?电能呢?它们间的关系在我们的教学中是不是缺少关注?笔者认为抓住能量的转化这一自然界的统一性规律比纠缠在电极反应的书写上更有价值。可以分层次有序提问,引发学生思考。

1.举例说明能量的相互转化?

学生在物理课上已经接触过不少能量的形式,如机械能、动能、势能、热能等,也已经知道能量不能凭空产生,也不能凭空消失,只能从一种形式转化为另一种形式。(热力学第一定律)化学课堂上以这一物理课问题开始旨在让学生将视角伸向能量及其相互转化。热力学第一定律揭示了各种运动形式之间的统一性,那么化学能可以转化为其它形式的能量便是这种统一性的表现。

2.化学能可以转化为哪些能量?如何理解这些能量转化?

化学能可以转化为热能,这是学生在学习原电池之前已有的认识。之所以有放热反应和吸热反应,理解的根本还在微观,宏观表现出的能量变化是分子原子的微观层面上能量变化的累加。让学生能联系宏观与微观应当是化学学科独有的眼光。有了这一认识角度之后,再去思考化学能向电能的转化便迅速有了方向——那类有电子转移的氧化还原反应,因为电子的定向移动形成电流。

3.化学能怎样才能转化为电能?

这一问题是原电池教学的核心问题——原电池的工作原理。在目前的教学中,教师多采用分析铜锌原电池的装置让学生理解如何转化。但是为什么需要一个装置?这一问题并未回答,甚至没有引起学生关注。课堂上笔者向学生演示向盛有稀硫酸的烧杯中倒入锌粉,产生大量气泡的同时烧杯中产生大量水雾。此时这一初中时便已熟悉的反应引起了学生的思考:显然,这个反应迅速发生,反应同时化学能转化为热能。而理论上这是个有电子转移的氧化还原反应,应当可以转化为电能,可为什么没有转化为电能呢?怎样才能转化为电能?热能与电能都是能量的表现形式,为何转化的时候有差异?这些问题从未考过,不是高考考点,但学生们一旦关注到了,兴趣很大。

讨论下来,学生们认识到,从微观层面看,电子有序地从Zn原子转移到H+上,但由于Zn粉与H+混杂在一起,宏观上看,电子并没有有序地定向移动,因此没有形成可使用的电流(这也为选修模块讨论盐桥作了铺垫)。那么,热能是什么?大量分子的无规则运动。电能是什么?电荷的有序定向移动。由此看来,两种能量的品质是不同的,前者混乱,后者有序。前者的熵值大,后者的熵值小。因此,转化的自发性当然有差别。自然界中任何形式的能都会很容易地变成热,而反过来热却不能在不产生其他影响的条件下完全变成其他形式的能,从而说明了这种转变在自然条件下也是不可逆的。这就是热力学第二定律。它告诉我们能量转化过程的方向性。因此,化学反应在发生的时候,转化为低品质的热能是很容易的,不需要装置,而转化为高品质的电能是困难一些的,需要装置。装置设计的重点在哪里?将氧化与还原分开,让电子的运动宏观上有序。

以上这些问题并没有成为过考试题,因而在教学中很少被关注。而能量的守恒与转化、能量的转化方向等等,都是自然界中的问题,对问题的关注有助于学生有更广阔的视角认识自然界,了解自然界的统一性。

二、过于关注僵化的考点知识可能忽略了本质上的理解

实际教学中教师为帮助学生解决那些判断下列装置能否够成原电池的考题,倾向于带领学生总结构成原电池的条件:(1)需要活动性不同的两个电极;(2)需要有自发的氧化还原反应;(3)需要有电解质溶液,并构成闭合回路。是否妥当呢?

1.需要活动性不同的两个电极吗?

人教版必修2科学探究栏目中希望学生得出不同电极才能构成原电池的结论,而恰恰是真实的实验让学生疑惑颇多:使用同样材料的电极时电流计怎么也会有所偏转?

因此教学中可补充3个实验:

氢氧燃料电池。先以两根相同的石墨棒为电极,在12v直流电压下电解水(加入少量硫酸钠以增强导电性)1分钟,然后撤去电源,换接灵敏电流计,指针偏转,氢气的电极为负极。

浓差电池。以两根相同的石墨棒为电极,分别插入盛有不同浓度硝酸银溶液的两只烧杯中(以盐桥连接两烧杯),接入灵敏电流计,指针偏转。因为根据能斯特方程,对于半反应:Ag++e-=Ag,银离子的浓度越大,电极电势越大,因此,当两个不同银离子浓度的Ag+/Ag电对连接起来,将因两极电极电势不同而产生电流。在外电路(金属导线)上,电流将向从银离子浓度较小的电极(负极)流向银离子浓度较大的电极(正极)

水果电池的另一种演示。按人教版必修2中的实践活动制作水果电池,若两个电极都用相同的铁钉,电流计指针不偏转,但其中一个铁钉插入水果中的深度慢慢发生变化时,指针发生偏转。

通过观察这些补充实验,学生自己会总结出:电势差才是构成原电池的根本。而两极电势的差异不光指电极材料本身,还包括电极所吸附的化学物质,电极所处的溶液环境,电极接触溶液的面积等等。

2.电极需要与电解质溶液发生自发的氧化还原反应吗?

学生对这一问题的认识是有波折的。通过对铜锌原电池的观察和分析,学生认为电极材料需要与电解质溶液发生自发的氧化还原反应。通过对氢氧燃料电池的观察和分析,他们明白了不一定是电极本身也可以是电极上吸附的物质参与反应,但还是要有能自发进行的氧化还原反应。可是当他们完成了人教版必修2科学探究栏目(以果汁为电解质溶液)实践活动栏目(制作水果电池)时,他们都又发生了疑惑:金属棒都能与果汁发生氧化还原反应吗?

此时可补充实验:分别以铁钉、石墨棒为电极,以氯化钠溶液为电解质溶液,连成闭合回路。学生们都认为不能构成原电池,理由是铁不会和氯化钠溶液反应。可事实恰相反。分析下来,学生会明白:是水中的溶解氧参与了正极反应。O2 + 4H+ + 4e- = 2H2Oψ0 = +1.23v,而常见的较不活泼金属银,Ag+ + e- = Agψ0 = +0.80v,所以众多金属都能发生吸氧腐蚀!结合能量的守恒与转化,如果没有体系中自发进行的氧化还原反应,确实是不能够成原电池的。

3.一定需要电解质水溶液吗?

学生们接触课本中的原电池都有电解质的水溶液作为离子传递的通道,因此会在头脑中形成构成原电池一定要有电解质的水溶液这一概念。其实不然,可在教学中介绍两种电池。

标记为Li-ion的锂离子电池。这在手机、笔记本电脑等电子产品中已广泛使用。它的负极材料的组成是C6Li,是金属锂和碳的复合材料,放电时锂氧化为Li+,电解质为能传导Li+的有机导体或高分子材料。这类电池性能稳定,电池电压可达3v,可反复充电。因为有活泼金属Li,因此需要无水环境。

电解质为固体的真正的干电池。锂碘电池可作为代表。它的负极是金属锂,正极是I3-的盐,固体电解质为能够传导锂离子的LiI晶体,可将放电时负极产生的锂离子传导到正极与碘的还原产物I-结合。这种电池电阻很大,电流很小,但十分稳定可靠,例如作为内植心脏起搏器电池可使用十年。

三、过于关注结论性的考点知识可能忽略了知识间的逻辑关系

有盐桥的装置是在选修模块中对原电池工作原理的再认识。从考查方式来看,对盐桥的考查还是落在能否构成原电池的装置判断上。如果过于强调结论性的知识,往往会出现学生只要看到装置中出现盐桥,就会判断它是个原电池装置,而对它的工作原理、优势、产生的来龙去脉并未十分清晰。这样,盐桥就成了一个孤立的知识点,对理解自然界这一科学课程的大目标没有太大的帮助。因此,有些内容即使考不到,如果对学生增进学生的理解力、培养学生的理性思维有帮助,是可以进入高中化学的课堂教学的。教学中笔者围绕以下问题展开对盐桥的认识:

1.原电池中为什么会有电势差?

在必修课程的教学中,已经揭示出原电池产生电流的本质是两极存在电势差,是电势差驱使电子在两极间发生转移,发生氧化还原反应。但在学生的认识中,往往还会认为是氧化还原反应导致电势差,是氧化还原反应导致了电子在两极间发生转移。例如,他们会认为铜锌原电池中是由于有Cu2+得电子,Zn才会失电子,而Cu不会在Cu2+中失电子,所以产生了电势差。因此,要借助于图1装置讨论:这个装置中两极间有电势差吗?

1 实验装置:这个装置中两极间有电势差吗? 2 原电池中为什么会有电势差?

结合图2,引导学生认识到:在金属和溶液的接触面上,水分子与晶格表面金属离子作用,部分金属溶解而进入溶液,溶液中的金属离子也可以沉积到金属表面。Zn如此,Cu也是如此。Zn - 2e- =Zn2+Cu - 2e- =Cu2+,只是因为ZnCu活泼,失电子能力强,因此两极间存在电势差。

2.为什么图1装置不能产生电流?

既然图1装置存在电势差,那为什么不能使电流计的指针偏转?学生们最先的反应往往还是没有形成闭合回路。听上去也没错,但如果按这一思路继续讨论下去的话,只要是座,沟通两烧杯即可,不一定是要桥。另外,形成通路的最省事做法是将两烧杯合二为一,那盐桥的优势也没有说清楚。因此,教师还是要向学生追问:既然电势差是形成电流的根本,那现在有电势差,为什么没有形成电流?让学生思考后认识到:关键是这里没有形成持续的电势差!为什么不能持续?由于电荷的不均衡。左边烧杯中将会有正电荷的积累(Zn2+增加),右边烧杯中将会有负电荷的积累(Cu2+的减少),这会消除原本的电势差异。因此,解决电流问题的关键在于保持两烧杯中溶液的电中性,维持电势差。

3.如何形成待续的电势差?

讨论到这里学生们都很兴奋,因为他们对原电池的认识还是能统一到电势差这一根本上来的。他们提出了保持两烧杯中溶液电中性的各种方案,有学生甚至设想了这样的情境:左右手各拿一支滴管,不间断地、匀速地向两烧杯中分别滴加Cl?Na+。学生们认为这种方案理论可行,只是实际上做不到,因为还没见过单纯是Na+的溶液,而且人工滴加没有自动滴加省事。于是,问题自然来了:一份电中性(同时含有阴、阳离子)的溶液,如果分别与两烧杯接触,能否做到自动地向左边加阴离子、向右边加阳离子呢?学生突然发现,这是可以的,电场力可以让阴、阳离子自动地向两边迁移!于是,盐桥自然现身了,那个U形管、琼脂只是辅助设施,并不重要。

4.盐桥的优势在哪里?

学生已经认识到,对于铜锌原电池的两种装置,有没有盐桥其本质都是一样。那盐桥的优势在哪里呢?这个问题无需教师多费口舌,只需将两种装置演示过后的锌片展示给学生看:前者锌片上覆盖了红色的铜,后者锌片上保持光洁。显然,前者的直接接触反应既导致电势差的减小,又导致反应放热损失了能量(又加深了前面的认识:化学反应转化为热能是直接的)。而盐桥装置避免了这些问题。

考试评价是一线教师和学生都绕不过去的话题,但教师如果只把眼光盯住要考的那些知识点,只见树林不见森林,那可能会损失许多有教育价值的知识。尤其是如果新授课的教学就围绕考点而展开,高一开始就直奔三年后的高考卷而去,将带给学生乏味、机械、模糊的科学学习,其结果是适得其反。

参考文献

[1] 北京师范大学等.无机化学上册[M].北京:高等教育出版社,2002.367~373.

[2]美国科学促进协会.面向全体美国人的科学[M.北京:科学普及出版社,2001169-178.

 

    
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