建模思想在化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用
——以“電解池”的教學(xué)為例

張曉紅 張海濱

(1.江蘇省南通中學(xué) 226000;2.江蘇省南通職業(yè)大學(xué) 226000)

張海濱(1977.3-)，男，江蘇省南通人，本科，研究員級高級工程師，從事化學(xué)教學(xué)研究.

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》(2017年版)要求學(xué)生“知道可以通過分析、推理等方法認(rèn)識研究對象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系，建立認(rèn)知模型，并能運用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律”，即要求學(xué)生具備構(gòu)建模型與應(yīng)用模型的能力.構(gòu)建模型簡稱建模，是指為了研究某種現(xiàn)實或事物而建立相應(yīng)的模型.建模思想就是把研究對象的一些次要細(xì)節(jié)和非本質(zhì)的聯(lián)系舍去，從而以簡化和理想化的模型去再現(xiàn)研究對象的各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)、功能和聯(lián)系的一種思想方法.教師在課堂教學(xué)中應(yīng)該有意識的加強建模思想的訓(xùn)練，幫助學(xué)生學(xué)會對化學(xué)信息提煉概括、對反應(yīng)實質(zhì)理解深化，從而提高學(xué)生構(gòu)建模型解決實際問題的能力.本文以“電解池”的教學(xué)為例展開探討.

一、問題的提出

“電解池”選自人教版選修四《化學(xué)反應(yīng)原理》第四章第三節(jié)，是中學(xué)化學(xué)重要的知識內(nèi)容之一.電解原理是基于氧化還原反應(yīng)規(guī)律和元素化合物的具體反應(yīng)事實，且和原電池互為補充構(gòu)建電化學(xué)體系，體現(xiàn)化學(xué)能與電能之間的轉(zhuǎn)化，是能量觀的重要載體.電解池的學(xué)習(xí)特點是原理抽象且理論性強，對學(xué)生思維能力和邏輯推理能力要求高，利用建模思想構(gòu)建電解池工作原理模型，可以將抽象問題直觀化，從而降低學(xué)生的學(xué)習(xí)難度.

二、模型的構(gòu)建

1.呈現(xiàn)實驗事例，分析電解池原理

(1)微型實驗導(dǎo)入新課

實驗用品包括一節(jié)9V干電池、兩根2B鉛筆芯、兩根導(dǎo)線、淀粉碘化鉀試紙和滴有氯化銅溶液的塑料滴管，按圖1所示連接裝置，進行學(xué)生分組實驗.一段時間后，學(xué)生發(fā)現(xiàn)與電源負(fù)極相連的鉛筆芯上出現(xiàn)紅色固體，與電源正極相連的鉛筆芯附近產(chǎn)生氣體，且該氣體有刺激性氣味，用濕潤的淀粉-碘化鉀試紙檢驗，試紙變藍.為什么會出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象，實驗過程中發(fā)生了哪些變化？

(2)建構(gòu)新舊知識聯(lián)系

學(xué)生初中學(xué)習(xí)過電解水實驗，按圖2裝置進行實驗，一段時間后發(fā)現(xiàn)A試管中氣體體積約為B試管中氣體的兩倍，分別驗證得到結(jié)論：A中是氫氣，B中是氧氣.試管中的氣體是怎么產(chǎn)生的？

水是電解質(zhì)，能部分電離出氫離子和氫氧根離子，在外接電源作用下，由于同種電荷互相排斥，相反電荷互相吸引，所以氫離子移向電源負(fù)極，氫氧根移向電源正極.外接電源是原電池，負(fù)極電子流出，正極電子流入.氫離子在電源負(fù)極得電子生成氫氣，氫氧根在電源正極失電子生成氧氣和水.溶液中離子的定向移動和導(dǎo)線上電子的定向移動，形成了一個閉合回路.在此基礎(chǔ)上分析電解氯化銅溶液的實驗，可以知道溶液中的銅離子移向電源負(fù)極得電子析出銅，氯離子移向電源正極失電子生成氯氣.

2.提高學(xué)生認(rèn)知，構(gòu)建電解池模型

(1)提出電解及電解池概念

如上述兩實驗，在外接電源作用下，使電流通過電解質(zhì)溶液而在兩個電極發(fā)生氧化還原反應(yīng)的過程叫做電解.電解是在外接電源作用下發(fā)生的，這個過程將電能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能，把如圖1、圖2能將電能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能的裝置稱為電解池.電解池的組成包括四個要素：外接電源，兩個能導(dǎo)電的材料作電極，電解質(zhì)溶液，構(gòu)成閉合回路.

(2)電極及電極反應(yīng)的確定

習(xí)慣上把與電源正極相連的電極稱為電解池的陽極，溶液中的陰離子移動到陽極失電子，發(fā)生氧化反應(yīng).與電源負(fù)極相連的電極稱為電解池的陰極，溶液中的陽離子移動到陰極得電子，發(fā)生還原反應(yīng).

通過電解水、電解氯化銅溶液案例的分析、概括和提煉，師生一起構(gòu)建電解池工作原理模型(圖3).

三、模型檢驗與修正

對于初步構(gòu)建的電解池模型，需要進一步的檢驗與修正，從而確保其合理性和適用性.教師引導(dǎo)學(xué)生圍繞上述兩個實驗，進行更深層次的探究.針對電解水實驗提出問題：水是弱電解質(zhì)，電解水時通常要加入少量氫氧化鈉或稀硫酸增強水的導(dǎo)電性，能不能改成加氯化銅溶液？為什么加氫氧化鈉或稀硫酸對電解水沒有影響？啟發(fā)學(xué)生從氧化還原角度著手，分析溶液中陰、陽離子的放電順序.針對電解氯化銅提出問題：如果將電極材料由鉛筆芯換成鐵釘，對電極反應(yīng)有沒有影響？指導(dǎo)學(xué)生將圖1裝置中鉛筆芯改成鐵釘再次實驗，觀察實驗現(xiàn)象，分析更換電極前后兩次實驗，陰陽兩個電極上反應(yīng)的差異及其原因.最終，師生共同將上述探究結(jié)果匯總，對電解池工作原理模型進行修正：電解池陰極材料一般不參與反應(yīng)，電解質(zhì)溶液中的陽離子按氧化性順序依次在陰極得電子，發(fā)生氧化反應(yīng)；電解池陽極材料如果是活性電極，則電極材料本身在陽極失電子，發(fā)生還原反應(yīng)，如果是惰性電極，電解質(zhì)溶液中的陰離子按還原性順序依次在陽極失電子，發(fā)生還原反應(yīng).

表1 電解池電極放電順序

四、模型的應(yīng)用

電解原理在日常生活、工業(yè)生產(chǎn)以及科技領(lǐng)域均具有非常重要的作用，金屬的冶煉及精煉，基本化工產(chǎn)品(如燒堿)的制備，還有電鍍、電拋光等，都是通過電解實現(xiàn)的.在電解池的教學(xué)過程中注重培養(yǎng)學(xué)生的建模思想，學(xué)會構(gòu)建電解池工作原理模型，能夠幫助學(xué)生將概念抽象、形式多樣的電解池問題和知識高度濃縮，使之以形象、直觀的形式呈現(xiàn)，降低電解池學(xué)習(xí)難度，將構(gòu)建模型遷移至實際問題，提高學(xué)生解決實際問題的能力.