论文部分内容阅读
【摘要】本文以铜锌原电池为例，从金属单质-金属离子及自由电子的解离平衡入手，详细分析原电池反应之所以能够发生的原因，树立正确的自然科学的认识论与教学论，提倡从微观和根本原因入手，步步推导，层层分析，得出相关结论，从而更好地让学生理解、掌握与应用原电池的相关知识来解决问题，并且形成良好的理科思维。
【关键词】原电池 反应原理 解离平衡 认识论
【中图分类号】G633.8 【文献标识码】B 【文章编号】2095-3089（2013）06-0171-02
人教版《化学反应原理》原电池这一节，概念和考点繁多，如氧化还原反应对应的电极极性、得失电子情况、盐桥发挥作用的机理等[1]，对于初学者来说难以理解和记忆，容易和后面的电解池混淆。另外据笔者了解，很多教师和学生存在这样的认识误区：化学是理科中的“文科”，主要靠背记，因此在教学及学习过程中存在着死记硬背、不求甚解、效率低下的问题。很多教师讲课的时候并未讲到根本原因上。也有部分求知欲强的学生有这样的好奇：为什么正负极反应不能够单独明显地发生（把锌片插入ZnSO4溶液中看不到明显现象，把铜片插入CuSO4溶液中看不到明显现象），而整个电池反应能够发生？为了提高课堂教学效果，体现化学的自然科学特点，给学生以正确的理科认识论导向，笔者认为可以先让学生理解原电池的微观反应原理。
在开始讲述的时候，先引入金属单质-金属离子及自由电子的解离平衡。
和其他的化学平衡一样，金属和它对应的离子之间也存在化学平衡，证明金属也不是绝对不溶的。在金属晶体中存在金属离子和自由电子。将一种金属插入其盐溶液中时，金属表面晶格上的金属离子因受到溶液中水分子的吸引，有可能脱离晶格并以水合离子的状态进入溶液，金属越活泼，溶液越稀，这种倾向越大。另一方面，盐溶液中的金属离子Mn+（aq）又有从金属M表面获得电子而沉积在金属表面的倾向，金属越不活泼，溶液越浓，这种倾向越大。这两种对立的倾向可达到动态平衡：
M（s）？葑Mn+（aq） +ne-
金属越活泼，盐溶液的浓度越小，金属离子进入溶液的速率越大于沉积速率，直至建立平衡，结果是金属带负电，溶液带正电。如图1所示，溶液中的金属离子并不是均匀分布的，由于异电相吸，金属离子Mn+聚集在金属片表面附近与金属片表面的负电荷形成双电层。
图1 铜锌原电池示意图
反之，金属越不活泼，盐溶液的浓度越大，金属离子离开金属表面进入溶液的倾向就越小。在达到平衡的整个过程中，如果金属离子沉积的速率更大，那么，到达平衡时在金属与溶液的界面上会形成双电层，但这时金属带正电而溶液带负电。[2]
对于铜锌原电池，由于锌的金属活动性顺序强于铜，所以对于锌的金属单质-金属离子及自由电子的解离平衡，平衡常数K1比铜的平衡常数K2更大一些；这说明对于锌电极的金属离子，它脱离晶格进入溶液、形成水合离子的速率相比其沉积速率来说，比铜更大一些，所以锌导体上净剩的电子更多（也就是负极导体电势相比正极导体更低），在电场作用下，使得总的趋势是电子朝正极流动，就形成了电流。而铜离子在得到电子之后，在铜电极表面以金属铜的形式沉积下来，所以硫酸铜溶液带了负电。总的电子移动的趋势，使得锌电极的溶液正电性越来越强，铜电极的溶液负电性越来越强，这会阻碍锌的继续氧化与Cu2+的继续还原。
用含有琼胶的KCl饱和溶液做成的盐桥连接两溶液，K+会在电场作用下朝正极所在的溶液移动，Cl-会向负极所在的溶液移动。这样可以使两溶液维持电中性，保证了锌的继续氧化和Cu2+的继续还原。盐桥的作用正在于此。
经历了这样的理性推导，原电池发生作用的机理就阐释清楚了。依据这样的机理，也可以设计出各种各样的原电池，满足生产生活的各方面应用。
笔者认为，尽管高中化学需要记忆的知识点相对较多，但化学的教学仍然应该体现其自然科学的属性，能进行逻辑推理就不要让学生背记，这样不仅有助于学生形成正确的认识论，更有助于在考场上保证正常发挥——硬背的知识点没有形成长期记忆，在考场上容易因为紧张、困乏等因素忘记，进而影响发挥水平。对于学困生，教师要增强耐心和讲解的形象程度，在备课时充分考虑怎么说学生更容易接受，充分利用多媒体软件等信息技术手段，结合其他学科相关知识，而且讲解思路可以慢一些，以便于让更多的学生走上学习化学的“正道”。
参考文献：
[1]人教版普通高中化学选修4——化学反应原理.人民教育出版社
[2]杨秋华 曲建强.大学化学.天津大学出版社，2009.6
【关键词】原电池 反应原理 解离平衡 认识论
【中图分类号】G633.8 【文献标识码】B 【文章编号】2095-3089（2013）06-0171-02
人教版《化学反应原理》原电池这一节，概念和考点繁多，如氧化还原反应对应的电极极性、得失电子情况、盐桥发挥作用的机理等[1]，对于初学者来说难以理解和记忆，容易和后面的电解池混淆。另外据笔者了解，很多教师和学生存在这样的认识误区：化学是理科中的“文科”，主要靠背记，因此在教学及学习过程中存在着死记硬背、不求甚解、效率低下的问题。很多教师讲课的时候并未讲到根本原因上。也有部分求知欲强的学生有这样的好奇：为什么正负极反应不能够单独明显地发生（把锌片插入ZnSO4溶液中看不到明显现象，把铜片插入CuSO4溶液中看不到明显现象），而整个电池反应能够发生？为了提高课堂教学效果，体现化学的自然科学特点，给学生以正确的理科认识论导向，笔者认为可以先让学生理解原电池的微观反应原理。
在开始讲述的时候，先引入金属单质-金属离子及自由电子的解离平衡。
和其他的化学平衡一样，金属和它对应的离子之间也存在化学平衡，证明金属也不是绝对不溶的。在金属晶体中存在金属离子和自由电子。将一种金属插入其盐溶液中时，金属表面晶格上的金属离子因受到溶液中水分子的吸引，有可能脱离晶格并以水合离子的状态进入溶液，金属越活泼，溶液越稀，这种倾向越大。另一方面，盐溶液中的金属离子Mn+（aq）又有从金属M表面获得电子而沉积在金属表面的倾向，金属越不活泼，溶液越浓，这种倾向越大。这两种对立的倾向可达到动态平衡：
M（s）？葑Mn+（aq） +ne-
金属越活泼，盐溶液的浓度越小，金属离子进入溶液的速率越大于沉积速率，直至建立平衡，结果是金属带负电，溶液带正电。如图1所示，溶液中的金属离子并不是均匀分布的，由于异电相吸，金属离子Mn+聚集在金属片表面附近与金属片表面的负电荷形成双电层。
图1 铜锌原电池示意图
反之，金属越不活泼，盐溶液的浓度越大，金属离子离开金属表面进入溶液的倾向就越小。在达到平衡的整个过程中，如果金属离子沉积的速率更大，那么，到达平衡时在金属与溶液的界面上会形成双电层，但这时金属带正电而溶液带负电。[2]
对于铜锌原电池，由于锌的金属活动性顺序强于铜，所以对于锌的金属单质-金属离子及自由电子的解离平衡，平衡常数K1比铜的平衡常数K2更大一些；这说明对于锌电极的金属离子，它脱离晶格进入溶液、形成水合离子的速率相比其沉积速率来说，比铜更大一些，所以锌导体上净剩的电子更多（也就是负极导体电势相比正极导体更低），在电场作用下，使得总的趋势是电子朝正极流动，就形成了电流。而铜离子在得到电子之后，在铜电极表面以金属铜的形式沉积下来，所以硫酸铜溶液带了负电。总的电子移动的趋势，使得锌电极的溶液正电性越来越强，铜电极的溶液负电性越来越强，这会阻碍锌的继续氧化与Cu2+的继续还原。
用含有琼胶的KCl饱和溶液做成的盐桥连接两溶液，K+会在电场作用下朝正极所在的溶液移动，Cl-会向负极所在的溶液移动。这样可以使两溶液维持电中性，保证了锌的继续氧化和Cu2+的继续还原。盐桥的作用正在于此。
经历了这样的理性推导，原电池发生作用的机理就阐释清楚了。依据这样的机理，也可以设计出各种各样的原电池，满足生产生活的各方面应用。
笔者认为，尽管高中化学需要记忆的知识点相对较多，但化学的教学仍然应该体现其自然科学的属性，能进行逻辑推理就不要让学生背记，这样不仅有助于学生形成正确的认识论，更有助于在考场上保证正常发挥——硬背的知识点没有形成长期记忆，在考场上容易因为紧张、困乏等因素忘记，进而影响发挥水平。对于学困生，教师要增强耐心和讲解的形象程度，在备课时充分考虑怎么说学生更容易接受，充分利用多媒体软件等信息技术手段，结合其他学科相关知识，而且讲解思路可以慢一些，以便于让更多的学生走上学习化学的“正道”。
参考文献：
[1]人教版普通高中化学选修4——化学反应原理.人民教育出版社
[2]杨秋华 曲建强.大学化学.天津大学出版社，2009.6