化学学科核心素养在高中化学教学中的具体体现——以原电池的电极判断及电极反应式书写的再认识及应用为例.pdf

年 月云南化工 第 卷第 期 ，：化学学科核心素养在高中化学教学中的具体体现 以原电池的电极判断及电极反应式书写的再认识及应用为例郑志明，范艳玲，刘龙海（云南省下关第一中学，云南大理 ）摘要：传统的化学教学中通常没有从根本上解释何为正负极，而是直接将一系列结论或现象抛给学生，从而使学生容易出现一听就懂，一做就错的问题。通过对化学学科核心素养的再认识，从本质出发，多角度、全方位去认识原电池中的正负极，进而引导学生正确顺利书写出原电池的电极反应。关键词：电化学；电极判断；电极反应式书写中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：，：；电化学是新课程标准中“化学反应与能量”部分的知识，是化学学科“宏观辨识与微观探析，变化观念与平衡思想，证据推理与模型认知，实验探究与创新意识，科学精神与社会责任 ”五大核心素养的具体体现之一。近年来高考题目中对电化学的考察频率非常之高，试题题目常考常新，通常以新型电源为知识背景，这类题目高起点，低落点，往往是围绕电化学基本原理命题，其中电极判断以及电极反应式的书写及正误判断几乎是必考内容。本文将围绕五大化学核心素养和大家一起探讨电化学中原电池的电极判断及电极反应式的书写等相关知识。变化观念与平衡思想的载体 原电池电极的判断传统教学中，教师通常没有从根本上解释何为正、负极，而是直接将结论或现象抛给学生，从而使学生容易出现一听就懂，一做就错的问题，核心素养中的“变化观念与平衡思想”所指向的是物质转化层面的相关内容，含物理变化、化学变化以及化学变化过程中的平衡问题、变化的规律和变化的守恒、能量等问题，属于物质的动态层面 。原电池的电极判断过程中涉及到在电势差的作用下电子的定向移动从而产生电能以及电极上所发生的氧化、还原反应等内容正是“变化观念与平衡思想”的具体体现方式。电极的得名电极的概念是 法拉第进行系统电解实验后在 年提出的，原意只指构成电池的插在电液中的金属棒，在现代电化学中电极其实是原电池的基本组成部分 。利用自发氧化还原反应产生电流的装置叫原电池，一个原电池必须由两个基本部分组成：两个电极和电解质溶液，给出电子发生氧化反应的电极，如丹尼尔电池（图 所示）中的 极，由于其电势较低，被称为负极（）；而接受电子发生还原反应的一极，如 极，由于其电势较高，而称作正极（）。图 丹尼尔电池 电极的判断从上述分析可知，判断电极的实质是电势的相对高低，电势较高的为正极，电势较低的为负极，从物理学我们还知道，在外电路中电子将自发的从电势较 年 月云南化工 第 卷第 期 ，低的一极向电势较高的一极移动，电流的流向与电子的流向相反，即：电流将从正极流向负极，如果用化学语言描述即：失去电子的一极是负极，得到电子的一极是正极。可以推导原电池的工作原理见图 。为方便掌握，将电极的一些常见判断依据以表格的形式总结，详见表 。图 原电池的工作原理表 常见的电极判断依据判断依据电极名称正极负极实质电势的高低较高较低特征电子的流动方向流入流出电流的流动方向流出流入电子的得失情况得到失去化合价变化降低升高发生反应类别还原反应氧化反应金属的相对活性相对不活泼相对活泼溶液中带电离子运动方向阳离子靠近阴离子靠近 值变化增大减小其他可能出现的一些现象电极质量增加或有气体出现电极溶解或质量减少说明：金属的相对活性受电极所处的环境影响，比如 和 ，在酸性介质中，通常 更活波，因此 做负极，而在碱性介质中，则 相对更活泼，此时 做负极；又如 和 ，一般情况下负极应为 ，但若在常温下，将 和 用导线连接，并同时插入浓硝酸中，刚开始的时候铁为负极，一段时间后由于铁遇冷的浓硝酸钝化，负极则变成了 ；关于电极质量变化，若为铅酸蓄电池，则可能出现负极质量增加的情况。宏观辨识与微观探析的介质 电极反应式的书写化学方程式是描述化学反应的语言，是连接宏观物质和微观粒子的纽带，原电池反应的实质是氧化还原反应，与普通的氧化还原反应不同的是，原电池中的氧化反应和还原反应通常分别在两极发生，因此对于初学者而言电极反应式的书写，尤其是燃料电池中电极反应式的书写显得比较困难。笔者将电极反应式的书写方法总结为顺口溜如下：负极氧化正还原，外界环境要体现。三个守恒记心间，正负之和总不变。即：负极发生氧化反应，正极发生还原反应，这是电极反应式书写的核心依据；外界环境是指电解质溶液的酸碱性、使用何种离子交换膜、熔融金属氧化物或碳酸盐等条件；三个守恒包括电荷守恒、质量守恒、电子守恒；正、负两极的电极反应式之和应与总反应相同。例 ：和 在 溶液中组成燃料电池，请写出该电池的电极反应式及总方程式。解析：这是一个在碱性介质中完成的燃料电池，因此要特别注意“”不能变成 ，而是 ，在强酸性介质中以 的形式存在，而在中性、碱性介质中则应以 的形式存在。具体书写步骤如下：第一步：根据氧化还原反应的原理找出正、负极反应的物质及对应产物。负极：（还原剂）（氧化产物），正极：（氧化剂）（还原产物）。第二步：分析电子转移情况。中碳元素为 价，中碳元素为 价，则 参与反应将转移 电子。即负极：，正极 。第三步：依据电荷守恒原理配平以上电极反应式，缺少的物质可从介质中寻找。负极左边有 正电荷，右边有 负电荷，因为该电池为碱性电池，所以应该在左边添加 ，正极左边有 负电荷，右边应有 。负极：；正 极：。第四步：依据质量守恒，配平左右两端原子个数。负极左边比右边多了 、，则应在右边加上 ；正极右边比左边多了 、，则应在左边加上 。负极：；正极：。第五步：依据得失电子守恒，配平两极反应式。负极得 ，正极得 。和的最小公倍数为 ，负极应乘以 ，正极应乘以 。即负极：；正极：。年 月云南化工 第 卷第 期 ，第六步：正负之和总不变，将正、负极反应相加得出总反应。总反应为：。答案：负极：；正极：；总反应：。电极反应的实质是微观粒子在负极发生氧化反应、正极发生还原反应的过程，电极反应式架起了微观粒子与宏观物质联系的桥梁，将无法用肉眼观察的化学反应变得更加直观，让生涩而枯燥的化学知识变得有血有肉。实验探究与创新意识的体现 高考实战演练高考试题是检验学科核心素养是否达成的重要依据，电化学部分是近年高考的必考内容之一，该部分内容通常以新型电池和燃料电池为载体，围绕原电池的工作原理尤其是电极判断及电极反应式的书写等知识进行命题，题目源于教材中的传统电池模型，落脚点却通常高于教材知识，而这正是学科核心素养中实验探究与创新意识的具体体现。例 ：（广东卷，）负载有 和 的活性炭，可选择性去除 实现废酸的纯化，其工作原理如图 。下列说法正确的是图 电池的工作原理 作原电池正极 电子由 经活性炭流向 表面发生的电极反应：每消耗标准状况下 的，最多去除 【评析】本题主要考查了原电池基本原理、电极反应式的书写及简单计算。通过题目中的粒子运动方向可以判断 电极为该电池的正极，在 得电子发生还原反应；电极为该电池的负极，在 电极上失去电子发生氧化反应，故 项错误；根据原电池原理可知电子应由负极 经活性炭流向正极 ，故 项正确；题干告知溶液为酸性，故 表面发生的电极反应为 ，故 项错误；每消耗标准状况下 的，转移电子 ，而 失去 电子，故最多去除 ，故项错误，正确答案为：。例 ：（全国甲卷）一种水性电解液 离子选择双隔膜电池如图 所示（溶液中，以 （）存在）。电池放电时，下列叙述错误的是图 水性电解液 区的 通过隔膜向区迁移 区的 通过隔膜向区迁移 电极反应：电池总反应：（）【评析】这是一个考察原电池原理的题目，根据图示的电池结构和题目所给信息可知，区 为电池的负极，区 为电池的正极。是阳离子，故区的 应向正极区（区）移动，错误；是阴离子，故应向负极区（区）移动，正确。为正极，电极反应为：，负极反应为：（），故总反应为：（），正确；故答案为 。判断电极的物理依据是电势的相对高低，由于电势差的存在，电子从负极流向正极，即：负极失电子、正极得电子，进而可以推知一系列的化学现象、实验特征；电极反应的实质是氧化还原反应。结语电极判断及电极反应式书写的学习过程促进了宏观辨识与微观探析，变化观念与平衡思想，实验探究与创新意识的化学学科核心素养的养成，化学学科核心素养的培养应贯穿于高中化学教学的始终。参考文献：应化德 高中学生化学学科核心素养培养的教学思考 课程教育研究，（）：杜德祥 化学学科“变化观念与平衡思想”核心素养的建构 云南化工，（）：朱浩 高中电学 北京：龙门书局，收稿日期：作者简介：郑志明（），男，四川安岳人，研究生，中小学高级教师，主要从事高中化学教学工作。