以試拓視，思維火花迸濺

劉建廷 班德利

摘要：利用學生對一道高考題的質疑進行了課堂教學的設計，以電化學原理為線索，進行了以微生物燃料電池和微生物電解池的原理分析，并對微生物制氫、微生物脫鹽海水淡化等一系列科學前沿問題進行了科普。

關鍵詞：電化學;山東高考化學;微生物;脫鹽;海水淡化

文章編號：1008-0546（2022）03-0056-04???? 中圖分類號：G632.41???? 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.03.012

問題是課堂教學的重要線索，而一個好的線索則可以極大地提升學生的學科興趣，進而起到事半功倍的課堂效果。在一次月度測試中，試卷使用了2020年山東高考化學試卷選擇題（10）的題目，學生提出了問題，是一條好線索。我借助這一線索進行了研究和設計，成功地完成了一節視野拓展與思維火花迸濺的課例。

一、問題的由來

2020山東高考化學（10）微生物脫鹽電池是一種高效、經濟的能源裝置，利用微生物處理有機廢水獲得電能，同時可實現海水淡化。現以NaCl溶液模擬海水，采用惰性電極，用圖1 裝置處理有機廢水（以含 CH3COO-的溶液為例）。下列說法錯誤的是

A.負極反應為CH3COO-+2H2O-8e-=2CO2+7H+

B.隔膜1 為陽離子交換膜，隔膜2 為陰離子交換膜

C.當電路中轉移1mol 電子時，模擬海水理論上除鹽58.5 g

D.電池工作一段時間后，正、負極產生氣體的物質的量之比為2∶1

據圖可知a極上CH3COO-轉化為CO2和H+，C元素被氧化，所以 a極為該原電池的負極，則b極為正極。 A項 a極為負極，CH3COO-失電子被氧化成 CO2和 H+，結合電荷守恒可得電極反應式為 CH3COO-+2H2O-8e-=2CO2↑ +7H+，故 A 正確;B 項為了實現海水的淡化，模擬海水中的氯離子需要移向負極，即a極，則隔膜 1為陰離子交換膜，鈉離子需要移向正極，即b極，則隔膜2 為陽離子交換膜，故 B 錯誤;C 項當電路中轉移1 mol 電子時，根據電荷守恒可知，海水中會有1 mol Cl-移向負極，同時有1 mol Na+移向正極，即除去1 mol NaCl，質量為58.5 g，故C正確;D項b極為正極，水溶液為酸性，所以氫離子得電子產生氫氣，電極反應式為2H++2e-=H2↑ ，所以當轉移8 mol 電子時，正極產生4 mol氣體，根據負極反應式可知負極產生2 mol氣體，物質的量之比為4 ∶2=2∶1，故 D 正確;故答案為 B。由分析可知，本題是以生物脫鹽電池為情境考查了原電池原理，同時利用離子交換膜淡化海水又拓展了學生的視野。然而一同學課后找到我說，他和部分同學們對該電池的正極反應有疑問，正極為何放出 H2，而不是吸收O2呢？對啊！為何不是O2參與正極的燃料電池呢？問題碰撞出我的思維火花。于是我進行了文獻查閱，果然發現了一些非常有意思的問題。我便根據這一線索進行了一系列問題的設計，并完成了一節專題課。

二、案例教學（實錄）

1.自發的氧化還原反應與原電池

PPT展示：請同學根據如下反應，求CH3COOH（l）+2H2O（l）=2CO2（g）+4H2（g）ΔH=?? kJ/mol。

①CH3COOH（g）=2CO（g）+2H2（g）ΔH=+213.7 kJ/mol

②CO（g）+H2O（g）=CO2（g）+H2（g）ΔH=-41.2 kJ/mol

③CH3COOH（g）=CH3COOH（l）ΔH=-51.7 kJ/mol 生：通過計算得出ΔH=+183.0 kJ/mol。

師：由于冰醋酸的溶解是放熱的，且放出的熱值遠大于冰醋酸的電離熱。所以

CH3COO-（aq）+H+（aq）+2H2O（l）=2CO2（g）+4H2（g）ΔH 值比183.0要大，由此計算結合我們前面做過的山東高考題（10），同學們想到了什么？

生：（氣氛瞬時熱烈起來）此高考題錯了……，不太可能吧！（熱烈過后是沉思）

生：我認為題目的反應可以發生，因為有生物膜，有能量提供。（不少同學也附和）

師：很好，我們同學考慮到了環境（微生物）的供能情況。 所以，如果該題沒有微生物的外部環境，是一個封閉體系，那么它一定不可以設計成原電池。那么是不是有了微生物這個題目就沒有問題了呢？ 接下來我們再進行具體的研究看看如何？

2.微生物燃料電池

PPT 展示：（雙室微生物燃料電池）見圖2

師：在微生物燃料電池中，微生物為了獲得生長所必需的碳源和能量，就需要降解陽極室（負極區）中的（底物）有機物，將從有機物中釋放出來的電子傳遞給陰極室（正極區）可以獲得電子的氧化劑，從而產生電流。請同學以底物（乙酸為例）寫出該微生物燃料電池的電極反應。

生：負極：CH3COOH+2H2O-8e-=2CO2+8H+

正極：O2+4H++4e-=2H2O

師：篩選高效微生物菌株是該電池的關鍵，其實質相當于生物催化過程，目前，科學家已經篩選出許多高效的微生物并應用于實際生產中。

展示：三室微生物脫鹽電池用于海水淡化（以乙酸為例）見圖3。

請同學分析電池的電極反應，并指出膜1 和膜2的性質。

生：正負極反應和剛才的微生物燃料電池沒有區別

負極：CH3COOH+2H2O-8e-=2CO2+ 8H+正極：O2+ 4H++4e-=2H2O;海水中的陰離子（Cl-）通過陰離子交換膜（膜1）移向負極區;陽離子（Na+）通過陽離子交換膜（膜2）移向正極區，從而達到海水淡化的目的。

師：總結，利用微生物燃料電池原理，負極（陽極）為微生物吸附涂膜，正極（陰極）為空氣陰極。 目前該技術已被應用于污水處理等方面，相信隨技術不斷成熟，未來可以大規模海水淡化處理。

3.產氫菌電化學工作原理

師：1942年 Gaffrom 和 Rubin 發現了一株具有產氫能力的真核綠藻，它不僅能在光照的條件下產氫也可以在黑暗厭氧的條件下發酵產氫[1]。 由此，產氫菌的研究進入科學家的視野。

PPT 展示：一種利用光和細菌處理有機廢物，同時制取 H2的裝置如圖4 所示，寫出電極反應，描述工作原理。

生：負極：CH3COOH+2H2O-8e-=2CO2+8H+

正極：N2+ 8H++6e-=2NH ;2H++2e-=H2? ↑，負極 CH3COOH 在太陽能和鐵氧蛋白酶作用下被氧化為 CO2 和 H+，H+通過質子交換膜，在正極一部分 H+和被還原的 N2生成 NH ，而一部分 H+直接得到電子被還原為 H2。

師：根據文獻檢索，微生物電解池（MEC）技術巧妙地結合了原電池和電解池的工作原理，利用電活性微生物作為催化劑，通過電能的中間形式將燃料中的化學能轉化為氫能。在用于產生電能的過程中，質子和電子在陰極與氧氣等電子受體結合形成水。 而在用于產氫的過程中，陰極維持在無氧和其它電子受體的狀態，同時外加電壓使陰陽極的電勢差越過熱力學能壘，質子和電子就可以在陰極直接結合生成氫氣。由乙酸產氫的理論外加電壓在0.14 V，而實際外加電壓需要高于0.22 V 才能實現產氫[2]。

PPT 展示：利用微生物燃料電池和微生物電解池串聯，一邊處理有機物污水，一邊產氫原理如圖5，請同學進行機理分析，標出外電路電子流向和內電路電子流向。

生：（興致盎然）討論得出結論，如圖6 所示：

師：可見若想實現既產生氫氣又產電，能量的來源問題一定要解決，目前看最為廉價和可行的能源就是太陽能。

PPT 展示：微生物三室電解脫鹽產氫池如圖7，請同學觀察并對照山東高考題進行思考。

生：該池和山東高考題非常相似，不同之處是外加了電源，這個是電解池。

師：該池是利用電解可以達到處理廢水，同時淡化海水的目的，但是它的陽極區隨著反應的進行，產生大量的離子，使得溶液 PH 降低，對微生物的生存環境發生改變，微生物工作效率下降，實際生產中要進行陽極 PH 值的調節控制。

PPT 展示：微生物四室產酸產堿脫鹽電池進行海水淡化如圖8 所示，其中使用的雙極膜亦稱雙極性膜，是特種離子交換膜，它是由一張陽膜和一張陰膜復合制成的陰、陽復合膜。該膜的特點是在直流電場的作用下，陰、陽膜復合層間的 H2O 解離成 H+和 OH-并分別通過陰膜和陽膜，作為 H+和 OH-離子源，請同學根據信息分析其工作原理，指出雙極膜釋放 H+和 OH-的 方向，并同時指出產酸和產堿的區域。

生：（熱烈討論）雙極膜向陽極區釋放 OH-離子，向產品室釋放 H+離子，同時海水中的 Cl-離子通過陰離子交換膜進入產品室生成鹽酸，海水中的 Na+離子進入陰極區生成堿 NaOH。

師：分析得很好，這個四室產酸產堿脫鹽電池進行海水淡化時由于使用了雙極膜，在陽極區微生物雖然不斷分解乙酸產生 H+離子，但和雙極膜產生的 OH-離子發生中和，所以陽極區 pH 值可以穩定不變，有效地保障了微生物的生存工作效率。

師：本節課的問題是我班 L等同學對高考題目的質疑而引發的討論，至此，本節課對這一質疑給予了證實。（此處掌聲響起）

三、小結與反思

本節課源于一個偶然的思考性問題，但正是這個問題迸濺出了思維的火花，我在查閱文獻時發現了微生物電池的有趣性，遂萌生科普的想法，然又想到一般說教的誤區，就產生了做一節電化學小專題課的想法，進行整理后進入課堂，與學生一同討論、分析、研究，既復習了學生知識性的問題，又拓展了微生物電池、微生物電解池、膜技術、污水處理、海水淡化及生物制氫等科學前沿知識，達到了預期的設計目標。

本節課學生的興奮度非常的高，我想主要是因為一是問題本身來源于學生自己的生成，他們感觸較深;二是問題的生成源是對一條高考題的質疑，質疑權威本身就是一種具有興奮度的挑戰，而我在設計本節課時也處處圍繞這個質疑展開，并且一步一步走向真相。質疑是科學的基本精神之一，本節課看似一節對 L等同學質疑的證實，其實更重要的是鼓勵和倡導了這種精神，使學生的質疑的思維火花不斷迸濺。

最后對于考試命題的思考，考試命題應與社會、生產、生活、科學技術緊密聯系，這樣試題命制才不會單調、呆板。在考試中應試者閱讀材料、理解新情境，與已有知識聯系、重組，通過合理的想象、推理或論證然后解決問題。這樣對命題者的要求就更高了，要求命題的素材不但要具有新穎性、前沿性，還能夠將素材簡化，建立最基本而又不能失真的模型。

參考文獻

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[6] 華濤，李勝男，周啟星，李鳳祥，李亞寧.生物電化學系統3種典型構型及其應用研究進展[J].應用與環境生物學報，2018，24（3）：663-670.