李成剛
(江蘇省淮陰中學(xué) 江蘇 淮安 223002)
化學(xué)反應(yīng)原理是化學(xué)課程中的難點(diǎn),很抽象,學(xué)生難于理解和掌握,雖然在教學(xué)中有實(shí)驗(yàn)演示、動(dòng)畫模擬等多種教學(xué)手段幫助學(xué)生學(xué)習(xí)和感知,但是在具體的問(wèn)題和練習(xí)中,僅靠想象和理解,難免不出差錯(cuò)。如果我們?cè)诮虒W(xué)過(guò)程中巧妙地運(yùn)用建模法幫助學(xué)生去建立典型模型,深化理解原理,復(fù)雜的問(wèn)題就會(huì)簡(jiǎn)單化。本文通過(guò)原電池原理的課堂教學(xué)舉例,來(lái)闡述建模法在化學(xué)反應(yīng)原理中的具體應(yīng)用方法。
建模法就是利用化學(xué)模型解決實(shí)際問(wèn)題的一種實(shí)踐。即通過(guò)抽象、簡(jiǎn)化、假設(shè)等處理過(guò)程后,將某類實(shí)際問(wèn)題用具體方式表達(dá),建立起化學(xué)模型,然后運(yùn)用類比的方法對(duì)具體問(wèn)題進(jìn)行處理,找出解題的方法和思路。其認(rèn)識(shí)的過(guò)程如下:
1.建模法由具體事例出發(fā),通過(guò)抽象、概括建立典型模型,從而深化理解化學(xué)原理,并用來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題,符合認(rèn)知規(guī)律,即由學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí),再由理性認(rèn)識(shí)來(lái)指導(dǎo)實(shí)踐,并且在實(shí)踐中檢驗(yàn)、糾正對(duì)原理的理解。
2.青少年學(xué)生的形象思維活躍,但抽象思維尚未成熟,所以對(duì)抽象的原理理解具有一定的難度。而建模教學(xué)法正是通過(guò)對(duì)抽象的原理建立具體的模型來(lái)幫助學(xué)生理解原理,達(dá)到化繁為簡(jiǎn)、化難為易的效果。
3.在建模法應(yīng)用過(guò)程中必須遵循由個(gè)體到一般、由典型到普遍,由易到難、由簡(jiǎn)單到綜合的螺旋式上升的原則,使教學(xué)模型通過(guò)學(xué)生的討論、思考在腦海不斷清晰并逐漸內(nèi)化,忌不顧客觀規(guī)律、盲目提高難度,結(jié)果適得其反。
在教材銅鋅原電池裝置中,由于鋅是活潑金屬,容易失去電子,發(fā)生氧化反應(yīng),作為原電池的負(fù)極。鋅棒失去的電子沿導(dǎo)線流到銅棒表面,然后溶液中的Cu2+在銅棒的表面上得到電子,發(fā)生還原反應(yīng),不活潑金屬銅作為原電池的正極。在溶液中,由于銅棒上聚集了電子,所以,溶液中陽(yáng)離子移向銅棒(正極);鋅棒附近產(chǎn)生了大量的Zn2+離子,吸引溶液中的陰離子,所以陰離子移向鋅極(負(fù)極)。陰陽(yáng)離子的定向移動(dòng)從而在溶液中形成了由鋅棒指向銅棒的電流。原電池中外電路的電流是由電子的定向移動(dòng)傳導(dǎo),內(nèi)電路的電流是由自由離子的定向移動(dòng)傳導(dǎo),內(nèi)電路的電流與外電路的電流方向相反,并因此形成一個(gè)閉合的回路。在應(yīng)用中我們可以將實(shí)際問(wèn)題與銅鋅原電池這個(gè)模型相對(duì)照,問(wèn)題就會(huì)迎刃而解。
(1)確定原電池電極
方法一:根據(jù)電極材料的性質(zhì)確定,一般情況下:
①對(duì)于金屬——金屬電極,活潑金屬是負(fù)極,不活潑金屬是正極;
②對(duì)于金屬——非金屬電極,金屬是負(fù)極,非金屬是正極,如干電池等;
③對(duì)于金屬——化合物電極,一般金屬是負(fù)極,化合物是正極。
方法二:根據(jù)電極反應(yīng)的本身確定
失電子的反應(yīng)→氧化反應(yīng)→負(fù)極;得電子的反應(yīng)→還原反應(yīng)→正極。
(2)確定電極反應(yīng)及其產(chǎn)物
負(fù)極:還原性物質(zhì)發(fā)生氧化反應(yīng),同時(shí)需要考慮溶液中的微粒參與電極反應(yīng),如:
①活潑金屬做負(fù)極反應(yīng)物:M-ne-=Mn+[若在堿性條件下則為:M-ne-+nOH-=M(OH)n]
②氫氣做為負(fù)極反應(yīng)物,若溶液為酸性或中性,則為H2-2e-=2H+,若溶液為堿性,則為H2-2e-+2OH-=2H2O
③甲烷燃料電池 (用熔融KOH做電解質(zhì)):CH4+10OH--8e-=+7H2O
……
正極:氧化性物質(zhì)發(fā)生還原反應(yīng),同時(shí)要考慮電解質(zhì)溶液的性質(zhì),如:
①非氧化性酸:2H++2e-=H2↑
②不活潑金屬鹽溶液:Mn++ne-=M
③中性、弱酸性條件下氧氣為正極反應(yīng)物:2H2O+O2+4e-=4OH-
④酸性條件下氧氣為正極反應(yīng)物:4H++O2+4e-=2H2O
……
經(jīng)過(guò)對(duì)課本中具體事例的理解、概括和深化,我們可以建立原電池的典型模型如下:
例如:新型的質(zhì)子交換膜二甲醚燃料電池有較高的安全性。 電池總反應(yīng)為:CH3OCH3+3O2=2CO2+3H2O,電池示意圖如下,下列說(shuō)法不正確的是( )
A.a(chǎn)極為電池的負(fù)極
B.電池工作時(shí)電流由b極沿導(dǎo)線經(jīng)燈泡再到a極
C.電池正極的電極反應(yīng)為:4H++O2+4e-=2H2O
D.電池工作時(shí),1mol二甲醚被氧化時(shí)就有6mol電子轉(zhuǎn)移
要解決上述問(wèn)題,我們可以從模型中找到方法。因?yàn)槎酌言诜磻?yīng)過(guò)程中失去電子,發(fā)生氧化反應(yīng),所以通入二甲醚的電極為負(fù)極,在電極反應(yīng)中碳元素由-2價(jià)被氧化為+4價(jià),所以電極反應(yīng)可表示為:CH3OCH3-12e-+3H2O=2CO2+12H+;氧氣在反應(yīng)過(guò)程中得到電子,發(fā)生還原反應(yīng),所以通入氧氣的電極為正極,其電極反應(yīng)可表示為:3O2+12H++12e-=6H2O。反應(yīng)過(guò)程中,質(zhì)子向正極移動(dòng),電流由b極沿導(dǎo)線經(jīng)燈泡再到a極。1mol二甲醚被氧化時(shí)就有12mol電子轉(zhuǎn)移。所以上題的答案應(yīng)為D。
總之,建模法是化學(xué)反應(yīng)原理教學(xué)中最為有效的方法之一,它是通過(guò)學(xué)生對(duì)已有學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)的歸納、總結(jié),由感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí),建立具體模型,再用具體模型與實(shí)際問(wèn)題相類比,達(dá)到解決問(wèn)題的一種高效的教學(xué)方法。不光在原電池原理的課堂教學(xué)中建模法有著重要作用,在電解、化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡、鹽類的水解、難溶電解質(zhì)的溶解平衡等其他原理的課堂教學(xué)中同樣會(huì)起到重要作用。建模法能有效地提高化學(xué)課堂的教學(xué)效益,化解學(xué)生學(xué)習(xí)上的難點(diǎn),有利于學(xué)生理解化學(xué)反應(yīng)原理,提高學(xué)習(xí)的效率和成績(jī)。