氧化還原原理在電化學中的應用

王章寧

摘要：電化學基礎在高中階段是一個知識難點，利用氧化還原原理來進行電化學的教學，有利于學生對該部分知識的理解，反過來又鞏固和提高了氧化還原反應知識，更主要是訓練了學生的思維，掌握了學習方法。通過研究和實踐探索，取得了較好的效果。證明采用氧化還原原理的分析方法是可行的、策略是有效的、措施是可控的、效果是顯著的。

關鍵詞：氧化還原；電化學基礎；電化學應用

氧化還原原理不僅僅是一個獨立的知識點，更是一種工具，是貫穿整個高中化學知識體系的基本原理。體現在眾多的知識和題目解釋中，例如元素化合物的性質、化學工業流程、化學實驗探究、電化學應用等，都會用到氧化還原原理。氧化還原的本質就是電子的轉移，原電池的形成原理就是自發的氧化還原反應，在教學過程中，將兩者有效的結合起來，能讓學生更好的理解電化學，更好的應用電化學的知識和電化學在生活中的應用，并能鞏固和提高氧化還原反應知識。

一、問題研究的背景

氧化還原反應在高一（人教版高中必修①）的課本中就已經進行過學習，電化學的基礎在高一（人教版高中必修②）的課本開始學習。高一必修②只是簡單介紹了電化學，詳細的介紹是在高二（人教版高中必修④第四章）學習。很多老師在電化學的教學過程中，簡單的提及原電池和電解池與氧化還原反應相關，然后就進行原電池和電解池的教學，導致學生沒有從根本上理解電化學的來源和意義。從高一必修②中的Zn-Cu（H2SO4溶液）原電池、鋅錳干電池、鉛蓄充電電池、燃料電池，到高二選修④中的雙液電池、化學電源、電解池，有很多不同的電池需要了解和掌握。如果分散的進行知識學習，讓學生機械的記憶各種電池和其中的反應，會給學生造成很大的負擔，也不利于學生對知識的掌握。尤其是選修④的教學中和高三的電化學復習過程中，必須要注意知識的聯系和銜接②。獨立的知識學習不利于學生對知識網絡的建立，以致電化學成為學生望而生畏的一個知識點。

無論是原電池還是電解池，均與氧化還原反應直接相關，如果能將氧化反應原理貫穿于電化學的教學過程和復習過程中，就能形成一個完整的知識體系，同時很大程度的減輕學生需要記憶的壓力。

二、問題研究的基本理論

1、美國當代著名教育心理學家布魯納在他的《教育過程》中明確提出了學科結構論的教學論思想，指出：“不論我們選教什么學科，務必使學生理解該學科的基本結構”，“學習結構就是學習事物間怎樣相互聯系的”。按照“認知結構組織起來的材料就是最有希望在記憶中‘自由出入的材料” ①。

2、新課程的“三維目標”，包括“知識與技能”、“過程與方法”、“情感態度與價值觀”三方面。要求培養學生“獲取、收集、處理、運用信息的能力、創新精神和實踐能力”。

三、問題研究的方法

1、在幾個情況和基礎差不多的班級（高三），采用兩種不同的教學方法進行電化學復習，觀察其效果。其中一種是獨立的復習各種原電池、電解池，另一種是利用氧化還原原理復習原電池和電解池。

2、在幾個情況和基礎差不多的班級（高二），采用兩種不同的教學方法進行電化學教學，觀察其效果。其中一種是獨立的進行各種原電池、電解池教學，另一種是利用氧化還原原理進行原電池和電解池教學。

3、廣泛交流，與同事討論電化學部分教學的方法、心得，分享教學過程中遇見的各種問題。

四、問題研究的案例

1、原電池的原理來源于氧化還原原理。氧化還原反應的本質是有電子的轉移，而判斷一個反應是否屬于氧化還原反應的方法則是看是否有化合價的變化。學生在高一的學習過程中已經掌握了這個知識，同時也明白了氧化還原反應的內涵。較早學習的氧化還原反應是置換反應，如鋅與稀硫酸反應：Zn+H2SO4=ZnSO4+H2↑，其對應的離子方程式為Zn + 2H+ = Zn2+ +H2↑。從氧化還原反應的角度分析：

因為Zn直接與稀硫酸中的H+進行了進行了電子轉移，電能沒有得到應用。而原電池的思維正是利用了氧化還原過程中發生的電子轉移，所以也要求原電池的形成原理就是自發的氧化還原反應。將氧化反應與還原反應分開來，并將電子的“得”和“失”通過導線進行連接，形成了電流，其裝置就是原電池。

結合物理的知識，失去電子的是負極，得到電子的是正極。負極反應物為鋅，直接參與反應并溶解。正極反應物為H+，正極材料不需要直接反應，只需要是比Zn不活潑的導體就行了。如果正極用銅，就是必修②課本上都介紹到的Zn-Cu（H2SO4溶液）原電池。為此還可以引導學生去分析：如果另一個電極是比Zn更加活潑的金屬會有什么結果？其結論只不過是另一個氧化還原反應而已。

為了使氧化反應與還原反應更加徹底的分開，于是就形成了雙液電池。我們將以上的反應進行設計成雙液電池，如下圖：

因此，理論上只要有自發的氧化還原反應，就可以設計成原電池。在這過程中，始終強調的是氧化還原反應原理，即將氧化反應與還原反應分開，分別作為電池的負極和正極，從而實現了化學能向電能的轉化。

2、電極的判斷與電子的轉移、電解質離子的移動。根據原電池的原理與氧化還原原理的關系，原電池和化學電源對應的各種問題就迎刃而解了。首先進行氧化還原分析，再根據氧化還原方法進行電池分析。

例1：已知堿性鋅錳電池：Zn+2MnO2+2H2O = 2MnOOH+Zn（OH）2，根據氧化還原分析：

由此可知，Zn是負極，MnO2是正極，電子由Zn極經過導線流向MnO2極。

例2：甲烷燃料電池（酸性環境）：CH4+2O2→CO2+2H2O，根據氧化還原分析：

例3：鋼鐵吸氧腐蝕：2Fe+O2+2H2O=2Fe（OH）2，根據氧化還原分析：

由此可知，Fe是負極，O2是正極，電子由Fe電極經過導線流向O2所在電極碳。

例4：鉛蓄電池：Pb+PbO2+2H2SO4 = 2PbSO4+2H2O，根據氧化還原分析：

由此可知，Pb是負極，PbO2是正極，電子由Pb電極經過導線流向PbO2電極。

歸納以上例子，只要依據氧化還原反應，就能很簡單的判斷出電池的電極和電子的流動方向及電流方向。

電子的移動只存在導線中，根據物理的知識，電流的形成需要有一個回路，因此在電解質或電解質溶液中，由離子導電。根據回路的方向特點，陰離子帶負電，應該與電子同一個方向，即同一個回路。而陽離子帶正電，則與電流屬于同一個回路方向。具體理解如下圖所示：

這個方法不僅適用于一般的原電池，同樣可以分析雙液電池和電解池中的離子移動方向，如下圖所示：

因此，在分析離子移動方向的時候，不再是死記口訣，而是結合電子轉移來進行理解，使得氧化還原的分析得到進一步延伸和應用。

3、原電池電極方程式書寫與氧化還原原理。原電池電極方程式的書寫是電化學中最難的一個部分，為此也出現了很多不同的方法。如果能夠結合氧化還原方程式的書寫方法，便能更好的理解電極方程式的來源。氧化還原方程式的書寫及其離子方程式書寫一般有三個步驟，其中包括：判斷反應物和生成物，電子得失守恒，電荷守恒和元素守恒。因為原電池是將氧化反應拆開了，因此步驟類似，但有所不同。應該包括：判斷反應物和生成物，電子得或失，電荷守恒和元素守恒。無論是書寫電極方程式，還是判斷電極方程式的正確與錯誤，都應該遵守以上三個步驟。

例5：堿性鋅錳電池：Zn+2MnO2+2H2O= 2MnOOH+Zn（OH）2，負極電極方程式的書寫過程包括：

正極電極方程式的書寫過程包括：

例6：堿性甲醇燃料電池：2CH3OH+3O2+4KOH = 2K2CO3+6H2O，負極電極方程式的書寫過程包括：

因此，遵循氧化還原反應方程式書寫的過程，把氧化反應與還原反應分開來分析，便可以得到原電池的電極方程式。不再需要其它的方法和進行各種各樣的記憶，可以減輕學生的知識負擔，同時也讓知識之間能融會貫通。

4、電解池與氧化還原原理。電解池是借助外電流發生的反應，由外界輸入能量推動，因此電解池不屬于自發的氧化還原反應③。電子從外電源負極經過導線流向電解池陰極，從電解池陽極經過導線流向外電源正極。因為同樣存在電子的得失，所以同樣是存在氧化反應和還原反應，只不過氧化反應和還原反應之間沒有了聯系，同時也不再將反應物稱為氧化劑、還原劑。圖示如下：

在陽極，容易失去電子的物質發生反應，可以是電極本身反應，也可以是電解質或電解質溶液中的離子（常見為陰離子）。于是根據還原性強弱，出現了離子放電順序。在陰極，容易得到電子的物質發生氧化反應，同樣可以是電極本身，也可以是電解質或電解質溶液中的離子（常見為陽離子）。根據離子氧化性的強弱來判斷哪種離子先發生還原反應。

五、效果與反思

兩種不同教學方法和教學過程取得了不同的效果，利用氧化還原原理進行電化學教學的方法所取得的效果明顯要優越，其對比體現在以下三個方面：

1、學生評價。采用該方法使學生的思維能力、創新能力、實踐能力都得到了較大的提高。很多高三的學生在復習都說：“一直以來感覺電化學是一個知識難點，看到題目就暈，學習運用氧化還原方法后，電化學題目就特別容易了”。“原來化學知識都是相互關聯的，用一個知識解釋另一個知識，我要嘗試在其它的問題上也這樣去探索”。很多高二學生也說：“原來電化學的知識可以如此簡單的理解，原來電流的產生是這么簡單的原理，太神奇了。”

2、教師評價。站在整個高中化學知識體系的高度上去理解和研究化學教學，讓學生從“學會”轉變為“會學”，掌握了知識的相互聯系，培養了學生知識運用能力。體現了我校“博喻求真”的辦學理念和“因材施教、自主發展”的教學理念。

3、高考成績和競賽成績。在各種的測試中，學生能得到更高的分數，體現出對了對知識更好的掌握情況。采用該方法的班級高考成績明顯要好一些，因為學生學會的不僅僅是一個知識點，更是訓練了一種分析問題的思維，提高了一種知識運用的能力。在高二年級參加的化學競賽中，多名同學獲得了省、市、區的一等獎。總體來看，利用氧化還原原理進行電化學教學的方法是切實可行的，效果是顯著的。

但是，因為原理的分析上有些抽象，學生的分析問題速度開始會相對慢一些，從學會到靈活運用需要一個熟悉過程。經過仔細分析和探討，筆者認為應該讓學生自己學會畫圖，或者在已知的圖像上進行標注，從而加強對陌生電池的認識和理解。因為只要結合氧化還原原理，電化學的問題都會迎刃而解。

參考文獻

[1] 邵守燦.高中化學整體結構教學的構建百度文庫，2012.3.

[2] 王磊.理解與實踐高中化學新課程：與高中化學教師的對話[J].高等教育出版社，2007.7.

[3] 宋心琦.普通高中課程標準實驗教科書 化學4選修[J].人民教育出版社，2008.6.