模型構建在電化學解題中的應用

王欣

摘? 要：電化學這部分內容在生產生活中應用廣泛，在高考題型中也更加變化多樣，考查靈活。先將模型建立的思想融入電化學解題的每一步中，再將每一步建立起的模型整合起來，形成系統的電化學解題模型。從而提高電化學知識學習效率，提升學生們模型認知的素養水平，并對電化學這部分知識理解的更深刻。

關鍵詞：高中化學；電化學；模型構建

在《普通高中化學課程標準（2017版）》中明確提出了五點學科核心素養，其中素養3為證據推理和模型認知，在教學過程中，此素養的培養對于學生學習化學有重要的作用。證據推理與模型認知這一素養的運用通常體現在解題過程中，學生在學習的過程中通過分析，推理等方法認識研究對象，深刻理解其本質，構建其內在聯系，從而建立模型，并用模型來解決相應的化學習題，從而將復雜的習題簡化，來提高解題效率。[1]文章將就“模型構建”在電化學中的應用這一問題進行探討。

1問題的提出

高中化學題目的類型較多，知識點零散，化學的學習對學生們的邏輯判斷能力，抽象思維能力要求都比較高。[2]學生在學習的過程中難免會因為這些而對化學的零散且難度較大的問題產生厭煩的情緒，在解題過程中信息以題干為載體，出現的形式千變萬化，為了提高解題效率，將模型建立的思想應用到化學解題中不失為一種簡單又高效的辦法。

電化學專題涉及的相關化學理論相對較多，有氧化還原反應、金屬和非金屬活動性順序、質量守恒定律等。電化學的問題研究透徹，一方面鍛煉學生的解決化學問題的思維，并有助于培養學生的微粒觀和分析問題的能力；另一方面電化學專題與社會生產生活聯系緊密，彰顯了知識的價值功能，增強學生的社會責任意識，最終實現學科核心素養的發展。[3]

2電化學解題模型的構建

2.1學生在電化學解題中存在的困難

隨著新課改的推行，高考也在不斷地創新，雖然在題型的方面變化不大，但對于知識點的考查更加靈活。電化學的知識點與生產生活息息相關，新型電池的研發，新型材料的電極材料電解質更是層出不窮，電化學是高考考察的重要內容。但當調查到高三學生對于電化學這一專題的學習情況時，大多數同學反應電化學這部分內容難度較大，很多同學反映讀不懂題，辨別不出題干中的電池是屬于原電池還是電解池，更無法判斷出電池的正負極、陰陽極和帶電粒子移動方向等問題。這說明學生們對于電化學的知識認識不透徹，基礎薄弱。[4]

2.2幾種簡單電化學模型的構建

2.2.1能量轉化模型的構建

任何一個化學反應都存在著能量的變化，對于電化學中的原電池裝置和電解池裝置，其能量的主要轉化形式就是化學能和電能之間的轉化。原電池是將化學能轉化為電能，主要的判斷依據是此電池中是否存在能自發進行的氧化還原反應。電解池是將電能轉化為化學能，其主要的判斷依據是此電池是否存在借助外接能量讓非自發的氧化還原反應發生。能量轉化模型如下圖1所示。在解答此類習題時，需先將能量的轉化關系確定，從而確定出該裝置是電解池還是原電池。

2.2.2電池電極模型的構建

原電池強調正負極的判斷，電解池強調陰陽極的判斷。但不論是原電池還是電解池，判斷其兩極的根本就是判斷出其電極所發生的反應類型，對于原電池而言，負極發生氧化反應，正極發生還原反應；對于電解池而言，陰極發生還原反應，陽極發生氧化反應，總結出“負陽氧”的口訣。電池的電極模型如下圖2所示。解答時學生可根據口訣判斷出電極及其發生反應的類型。

2.2.3電子、離子轉移方向模型的構建

不論電解池還是原電池，其都存在外電路和內電路，在閉合的回路中外電路中電子定向移動，而內電路中離子進行定向移動，從而產生電流。在原電池中，外電路中電子由負極流出，經過導線，流入正極；內電路中溶液中的陽離子移向正極，陰離子移向負極。在電解池中，外電路中電子由陽極移向外接電源的負極，再由負極移向電解池的陰極；內電路中陽離子移向陰極，陰離子移向陽極。由此可以總結出規律，從而構建起模型。在原電池中負極發生氧化反應，電解池中是陽極發生氧化反應，發上氧化反應的這極電子流出，在內電路中陰離子就移向這一極，而陽離子的移動方向正好與陰離子移動的方向相反，抓住這個規律就能夠判斷出電池中帶電粒子的移動方向。確定了帶電粒子的移動方向就能夠設計離子交換膜，從而減少副反應的發生；能通過題干給出的信息來判斷離子交換膜。下圖3為帶電粒子移動模型。

2.2.4電極反應方程式模型的構建

電極反應方程式體現了整個電池的核心內容，將宏觀上的實驗現象與微觀上的微粒的變化聯系在一起，并能體現出量的關系。電極反應方程式的書寫一方面鞏固了氧化還原反應方程式的書寫，一方面繼續培養了學生們宏觀辨識與微觀探析的化學學科核心素養。[5]讓學生們能夠用化學用語來解釋實驗中的現象，之前學習的知識產生了逆向遷移。在書寫電極反應方程式時，第一步根據題干給出的信息判斷出反應物與生成物；第二步找到化合價發生變化的元素，標清其化合價及電子得失；第三步根據電解質溶液配平電荷；最后根據原子守恒配平電極方程式。下圖4為電極方程式書寫模型。

2.3電化學解題模型的整合

對于解答電化學問題的模型構建不能單單只是個別知識點的構建，需要將所有的知識點連成脈絡，在各個知識點上建立小的解題模型的基礎上，更需要將其整合起來，形成一個大的解題脈絡，構建起系統的電化學解題模型。將電化學的解題模型整理如下圖5所示。

遇到新型電池為背景的習題時，可按上圖的解題模型的步驟進行解題。認真讀題后，首先判斷其電池的類型，為原電池還是電解池，然后根據題干中的信息找出兩極的反應物與生成物，并判斷出其反應類型，從而判斷出電池的兩極，找出帶電粒子的移動方向，寫出兩極的電極反應方程式。這樣整道題的脈絡就理清了，在準確寫出電極反應方程式之后，此電池中各個微粒的量的關系也能夠理清，對于電子轉移問題，物質的消耗與生成的問題就一目了然了。

在進行電化學專題復習時，根據建立起的電化學解題模型進行訓練，讓學生們更熟練的掌握電化學的知識，更深刻的理解化學反應原理，從而達到做題速度快，解題準確率高的目的。

3.模型構建在電化解題中的應用

3.1解答原電池習題

如圖6所示是一種酸性燃料電池酒精檢測儀，具有自動吹氣流量偵測與控制的功能，適合進行現場酒精檢測，下列說法不正確的是（）

A．電流由O2所在的鉑電極經外電路流向另一電極

B．該電池的正極反應式為：O2＋4e－＋4H＋===2H2O

C．該電池的負極反應式為：CH3CH2OH＋3H2O－12e－===2CO2↑＋12H＋

D．微處理器通過檢測電流大小而計算出被測氣體中酒精的含量

分析與解析：首先判斷出電池的類型，根據題干中“酸性燃料電池”的條件可知，此電池為原電池?！熬凭珯z測器”則說明其是以乙醇為燃料的電池。其次判斷原電池的兩極，負極：乙醇失電子發生氧化反應；正極：氧氣的電子發生還原反應。然后判斷帶電粒子的移動方向，電子由負極流出流向正極，電流的方向與之相反。再書寫電極反應方程式負極：CH3CH2OH－4e－＋H2O===4H＋＋CH3COOH正極：O2＋4e－＋4H＋===2H2O，根據題干中裝置示意圖所示，乙醇被氧化為乙酸，所以負極的產物為乙酸。

最后具體問題具體分析：其中A、B選項正確，C選項中由于產物分析錯誤，導致電極反應方程式書寫錯誤，故C選項錯誤；根據微處理器通過檢測電流大小可以得出電子轉移的物質的量，根據電極反應式可以計算出被測氣體中酒精的含量，故D正確。

3.2解答電解池習題

例2：納米級Cu2O由于具有優良的催化性能而受到關注。采用離子交換膜控制電解液中OH－的濃度制備納米級Cu2O的裝置如圖7所示，發生的反應為2Cu＋H2O? 通電（=====）Cu2O＋H2↑。下列說法正確的是（）

A．鈦電極發生氧化反應

B．陽極區溶液的pH逐漸增大

C．離子交換膜應采用陽離子交換膜

D．陽極反應式是2Cu＋2OH－－2e－===Cu2O＋H2O

分析與解析：首先判斷出電池的類型根據題干中的裝置圖可知，此裝置為電解池。其次判斷原電池的兩極，陰極：與外接電源負極相連的Ti電極；發生還原反應。陽極：與外接電源正極相連的Cu電極；發生氧化反應。然后判斷帶電粒子的移動方向，內電路中：陰離子移向陽極區，陽離子移向陰極區。再書寫電極反應方程式，陰極（陽離子放電）：2H2O+2e-=H2↑+2OH-陽極（活潑電極放電）：2Cu＋2OH－－2e－===Cu2O＋ H2O。

最后對具體的問題進行分析，此此題中D正確；A錯誤，鈦電極發生還原反應；B錯誤根據步驟四書寫的電極反應方程式可知，由陰極區遷移過來的OH－在陽極全部參與反應，故陽極區溶液的pH不變；C錯誤，OH－由陰極區遷移到陽極區參與反應，離子交換膜應為陰離子交換膜。

3.3解答充電電池習題

例3 最近復旦大學的研究人員設計出一種以有機負極（PTO/HQ）和無機正極（MnO2/石墨氈）的水合氫離子電池，其裝置示意圖如圖8所示。下列說法錯誤的是（? ?）

A. 充電時，電能轉化為化學能

B. 放電時，H3O+向MnO2石墨氈極遷移

C. 放電時，正極上發生： MnO2 +2e- +4H3O+= Mn2+ +6H2O

D. 充電時，陰極上發生： PTO+4e- + 2H2O= HQ + 4OH-

分析與解析：根據解題模型，先判斷電池的類型。此電池關閉k1時，能量由電能轉化為化學能，為放電過程，裝置為原電池；關閉k2時 ，能量由電能轉化為化學能，為充電過程裝置為電解池；故A正確。第二步判斷電池的電極，裝置圖中明確給出放電時裝置的正負極，根據電池電極判斷模型，充電時左端的電極為陰極，右端的電極為陽極。第三步判斷帶電粒子的移動方向，根據帶電粒子轉移模型，放電時，陽離子移向正極，故B正確。第四步，書寫電極反應方程式，放電時，根據圖示MnO2轉化為Mn2＋，電極方程式為MnO2+2e-+4H3O+=Mn2++6H2O，故C正確。電解質溶液中充滿H3O+，因此產物中不可能生成OH-，陰極方程式應為PTO+4e-+4H3O＋=HQ+4H2O，故D錯誤。故此題選D。

結語

模型構建在化學學習中的應用十分廣泛，在解題方面更是能夠化繁為簡，在解題中找到各個知識點的內在聯系及解題規律，從而提高解題的速度和準確率。而模型構建不能單單局限于物理模型、圖像模型、數學模型這樣的具體模型，還要在解題的過程中形成思維模型，思維模型不應該是固定的，而應該是靈活的。對于文章探討的電化學解題模型，也不應該是固定的，學生們最開始時可以按部就班的做，減少出錯，當熟練了之后，就能看清楚其內在聯系，靈活運用。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017版）[S].北京：人民教育出版社2018：91.

[2]汪愛華.證據推理與模型認知在電化學教學中的體現[J].華夏教師，2019（04）：20-21.

[3]徐穎，孫吉鳳.素養進階：高中化學“模型認知”教學實踐[J].中學化學教學參考，2019（02）：39-40.

[4] ]俞琴榮. 模型認知視角下高三“電化學”專題復習研究[D].華東師范大學，2020.

[5]唐富勝，鮑克俊，伍吉松.“模型構建及模型認知”視域下的電化學教學[J].中學化學教學參考，2021（14）：30-3

作者簡介：王欣（1996—），女，漢族，吉林九臺人，碩士，研究方向：中學化學教育。