Zn-Cu原電池中有只“食蟻獸”

任圣穎

（深圳外國語學校 廣東 深圳 518000）

一、問題的提出

化學是基于實驗研究物質(zhì)的組成、性質(zhì)、結(jié)構(gòu)與變化規(guī)律的科學。當實驗現(xiàn)象與已有的化學認知存在較大差異的時候，通常會引起人們基于實驗現(xiàn)象的微觀探析基礎(chǔ)之上的進一步微觀探析。例如“煉鐵高爐尾氣之謎”，高爐尾氣中總是出現(xiàn)沒有利用的CO，正是經(jīng)過科學家進一步的微觀探析，才發(fā)現(xiàn)碳和二氧化碳生成一氧化碳的反應(yīng)是可逆反應(yīng)這一事實，從而解決了長達兩個世紀的困惑。［1］

原電池原理是中學化學體系中最重要的基礎(chǔ)理論之一，是化學教學中的重難點。Zn-Cu原電池是高中生最先接觸到的原電池，多數(shù)教學設(shè)計從實驗現(xiàn)象出發(fā)，推出正負極反應(yīng)，進而指出該電池反應(yīng)實質(zhì)上為氧化還原反應(yīng)。然而，即使能夠從實驗現(xiàn)象建立原電池的“氧化還原反應(yīng)模型”，類似于“煉鐵高爐尾氣之謎”，學生還是會被一個問題所困擾：Zn-Cu原電池為什么會發(fā)生這樣的反應(yīng)？需要注意的是，這個問題并不是在問“Zn-Cu原電池發(fā)生了怎樣的反應(yīng)？”，而是在問：Zn-Cu原電池為什么以這樣“反常”的形式發(fā)生反應(yīng)？

學生的這個問題是由于Zn-Cu原電池實驗現(xiàn)象和學生已有的Zn與稀硫酸反應(yīng)認知存在著巨大的差異造成的。這種認知差異主要來自于兩方面：第一，Cu片上有H2生成；第二，Zn-Cu原電池的氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)在“不同的區(qū)域”發(fā)生。學生這兩方面的認知差異，本質(zhì)原因是一樣的，只要能解釋電子“為什么”從Zn片轉(zhuǎn)移到Cu片上，就可以消除以上認知差異。遺憾的是，有關(guān)高一Zn-Cu原電池教學，還沒有文獻報導該如何處理這一問題。現(xiàn)有的教學設(shè)計僅僅是從電流表指針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)告訴學生Zn-Cu原電池“發(fā)生了”電子的轉(zhuǎn)移。因此在Zn-Cu原電池教學中，有兩個問題急需解決：其一，找到一種高一學生可以接受的，能夠解釋電子“為什么”從Zn片轉(zhuǎn)移到Cu片上問題的方法；其二，在此基礎(chǔ)上，找到強化“電子從Zn片轉(zhuǎn)移到Cu片上”思維的方法，以輔助理解第一個問題。

二、接觸電勢在Zn-Cu原電池工作原理上的應(yīng)用

學生有關(guān)Zn-Cu原電池“為什么以這種形式發(fā)生”的問題，實質(zhì)是Zn-Cu原電池的引發(fā)問題。如果想要解決這個問題，有必要從雙電層理論和接觸電勢理論來對此問題加以說明。［2］雖然已經(jīng)有教師將這兩個理論應(yīng)用在高三復習課中，［3］但考慮到高一同學的可接受性，本文嘗試基于較易接受的接觸電勢理論，構(gòu)建“金屬分子”模型解釋Zn-Cu原電池的引發(fā)問題。另外，雖然學生認知差異的兩個方面本質(zhì)是一樣的，但是氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)在“不同的區(qū)域”反應(yīng)，會在學生的思維上造成障礙。因此，在教學設(shè)計中，也應(yīng)將氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)分別在兩極反應(yīng)的距離考慮進來。

1.接觸電勢理論

不同的金屬相互接觸時，由于電子逸出功不同，相互逸入的電子數(shù)目不同，在接觸界面上電子分布不均勻，由此而產(chǎn)生的電勢差叫做接觸電勢。［2］逸出電子多的一側(cè)帶正電，逸出電子少的一側(cè)帶負電。當Zn和Cu兩種金屬接觸時，由于Zn的電子逸出功小于Cu的逸出功，Zn因逸出較多電子帶正電，Cu因逸入較多電子帶負電。接觸電勢是引發(fā)原電池反應(yīng)的因素之一。［2］

2.接觸電勢理論引入教學中的方法

將接觸電勢引入Zn-Cu原電池的教學中，一方面要考慮高一學生的可接受性，另一方面又要考慮到氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)在不同區(qū)域進行引起的思維障礙問題。在教學實踐中，我們可以利用兩種思想來解決以上兩方面的問題。其一，利用極性共價鍵知識引入簡化的接觸電勢知識點，以解釋電子為什么發(fā)生轉(zhuǎn)移；其二，利用思想實驗將Zn片、Cu片、導線自由地縮小或擴大，以解決距離上的思維障礙。如圖1所示，首先，利用極限思想將Zn片、Cu片、導線簡化為Zn原子、Cu原子、原子尺寸的導線，將“Zn原子+導線+Cu原子”想象為一個“Zn-Cu金屬分子”。然后利用金屬還原性強弱的本質(zhì)引入“金屬分子”的“極性”。金屬還原性越強，金屬的失電子能力就越強，而失電子能力的強弱和金屬原子的原子核（帶正電）的吸引力有關(guān)。當兩種不同還原性金屬相接觸時，還原性較弱的金屬原子核會將還原性較強金屬的外層電子吸向自己的一邊。這樣就會導致還原性強的金屬帶少量正電、還原性弱的金屬帶少量負電。因此當Zn原子與Cu原子通過原子尺寸導線相連時，還原性較弱的Cu原子將Zn上的電子吸向自己的一邊帶少量負電，而還原性較強的Zn原子因失去部分電子帶少量正電。這種情況下，“Zn-Cu金屬分子”類似于極性分子HCl的“極性”，高一學生已經(jīng)具備形成極性共價鍵原因的知識，因此這種解釋并不難理解。

圖1 “Zn-Cu”金屬分子模型的建立

“Zn-Cu金屬分子”中，Zn原子帶少量正電，根據(jù)相同電荷相斥原理，H+是不能接觸到Zn電極表面的，因此，理想狀態(tài)下，Zn原子不會與稀硫酸發(fā)生置換反應(yīng)；而Cu原子帶負電，會吸引帶正電的H+至其表面得到電子而生成氫氣H+得2e-的同時，Zn原子變成Zn2+釋放到溶液中如此，Zn-Cu原電池工作“為什么以這種形式發(fā)生”問題就得到了解決。接下來將導線拉長，將Zn原子、Cu原子還原為Zn片、Cu片，就可以將“Zn-Cu金屬分子”轉(zhuǎn)化為Zn-Cu原電池。如圖2所示。

圖2 “Zn-Cu金屬分子”還原為Zn-Cu原電池

將導線內(nèi)化為類似化學鍵大小，進而進行動態(tài)伸縮調(diào)節(jié)Zn、Cu電極的距離，有利于學生跨越原電池的氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)在“不同的區(qū)域”反應(yīng)的思維障礙，使學生深刻體會H+從Cu片上間接得到電子。

3.Zn-Cu原電池中Cu電極的作用再思考

令人感到意外的是，在高二的氫氧燃料電池的教學中，一般不會遇到學生提出“為什么以這樣的形式發(fā)生”的問題。這一方面是因為學生已有的認知與氫氧燃料電池不會有很大的差異，另一方面，是因為教材中已經(jīng)明確敘述了氫氧燃料電池為什么以這種形式發(fā)生反應(yīng)（即氫氧燃料電池的引發(fā)）：在負極室通入H2，H2在Pt的催化下分解為H，H失去電子成為H+進入電解質(zhì)溶液。在正極室通入O2，經(jīng)過Pt催化，O2得到電子生成H2O。［1］Pt電極作為一種催化劑將H2分解為H+原子和電子（電子均勻分布，轉(zhuǎn)移至正極）是理解氫氧燃料電池何以引發(fā)的關(guān)鍵。

在Zn-Cu原電池的教學中，Cu電極的作用通常被描述為“僅僅作為一種導體”。然而，在構(gòu)成原電池的條件時，我們又在強調(diào)，構(gòu)成原電池的條件之一就是要有兩個活潑性不同的金屬。那么，活潑性較弱的金屬Cu在Zn-Cu原電池中的作用到底是什么呢？從宏觀上看，Cu片沒有發(fā)生反應(yīng)，Cu片的作用僅僅是傳遞電子。但是，從微觀上來看，Cu片是Zn能夠轉(zhuǎn)移電子的首要條件。因此，Cu的作用類似于Pt催化劑，使Zn原子解離為鋅離子和電子，進而發(fā)生電子的轉(zhuǎn)移。

4.Zn-Cu原電池中的“食蟻獸”

從以上分析我們可以看出，Zn-Cu原電池的教學的起點應(yīng)該是“電子從Zn片轉(zhuǎn)移到Cu片上”。如何才能強化“電子發(fā)生轉(zhuǎn)移”這一思維呢？也就是，如何才能達到讓學生一看到Zn-Cu原電池立即就會想到電子發(fā)生轉(zhuǎn)移，進而引發(fā)原電池反應(yīng)這一原理呢？

根據(jù)教學經(jīng)驗，本文建議利用食蟻獸的生物學特點來強化這一思維。食蟻獸憨態(tài)可掬，其長長的舌頭令人印象深刻、過目不忘。如果把食蟻獸比作Cu片，那么伸長的舌頭就是向Zn片這個“螞蟻窩”取食“電子”的導線，如圖3所示。由于化學課堂中極少會出現(xiàn)動物的類比，因此只要告訴學生：Zn-Cu原電池中有只“食蟻獸”，學生一般都會記憶極為深刻。

圖3 Zn-Cu原電池中的“食蟻獸”

5.Zn-Cu原電池中教學建議

基于以上論述，本文建議實施引導學生建立“宏觀→微觀→微觀之微觀→宏觀”的思維過程的教學，如表1所示。首先從實驗的宏觀現(xiàn)象出發(fā)，進行微觀探析，讓學生知道“發(fā)生了什么”；然后利用H2產(chǎn)生的位置這一認知矛盾，解釋電子為什么會發(fā)生轉(zhuǎn)移，并利用“食蟻獸”強化記憶。最后又回到宏觀現(xiàn)象，雖然從宏觀現(xiàn)象出發(fā)又回到了宏觀現(xiàn)象，但學生的理解水平已經(jīng)提高了一個層次。

表1 “宏觀→微觀→微觀之微觀→宏觀”的教學過程

需要注意的是，雖然Zn-Cu原電池的教學是從宏觀現(xiàn)象開始的，但是如前所述，在學生將Zn-Cu原電池知識完整掌握后，以后遇到Zn-Cu或類似的原電池，分析的起點應(yīng)該是“電子的轉(zhuǎn)移”，也就是“食蟻獸”所強化的內(nèi)容。“食蟻獸”的強化必須建立在解決電子“為什么”從Zn片轉(zhuǎn)移到Cu片上去，否則就會變成機械的記憶。

三、結(jié)語

化學實驗現(xiàn)象不僅僅能告訴學生發(fā)生了什么（微觀探析），當實驗現(xiàn)象與已有的認知存在巨大差異時，還會誘導學生在“微觀探析”基礎(chǔ)之上，進一步的“微觀探析”。這種“誘導”體現(xiàn)出了學生求知的需求，化學課堂有義務(wù)滿足學生的這種需求。因此，在Zn-Cu原電池的教學過程中，有必要解決Zn-Cu原電池的引發(fā)問題。本文基于接觸電勢理論，同時利用吃電子的“食蟻獸”強化了“電子轉(zhuǎn)移”這一Zn-Cu原電池分析的起點，有效地滿足了學生的這種需要，賦予了學生分析、理解類似原電池的能力。