培養學生模型認知核心素養的教學實踐研究

劉志剛 李淑敏

摘 ?要：模型認知是在深入學習和探索化學問題時，逐步培養起來的一種系統性思維方法。在氧化還原方程式配平的學習過程中，部分學生存在一些理解上的誤區，無法準確描述電子得失的過程，這主要源于對氧化還原方程式中電子轉移守恒理解不夠深入。通過詳細解析“雙線橋”配平氧化還原方程式的步驟，可以構建一個系統化的氧化還原方程式配平認知模型。同時，這個模型也可適用于特殊情況的修正，并可擴展應用于電極方程式的書寫，從而進一步提升學生的模型認知素養。

關鍵詞：模型認知;氧化還原方程式;電極方程式;核心素養

一、氧化還原方程式配平的模型構建

氧化還原反應的本質特征是電子轉移守恒，在模型構建的過程中要始終抓住這一點，以更好地幫助學生理解氧化還原方程式的配平過程。

以+Cl→Cl2+2↑配平為例，教師可以把氧化還原方程式配平全過程分解成六個步驟，構建氧化還原方程式配平模型。

第一步：標出反應物和生成物中化合價有變化的元素價態。標價態時，教師只需要標出化合價有變化的元素，化合價沒有變化的元素不需要標出。

+Cl→Cl2+2↑

第二步：畫出雙線橋。把反應物和生成物中同一元素的不同價態用線橋連接起來。具體而言，用一條線橋連接0價和+2價的鋅元素，用另一條線橋連接+1價和0價的氫元素。

[+Cl→Cl2+2↑]

第三步：選變價物質，計算1mol變價物質得失電子數目。每一條線橋連接一個反應物和一個生成物，選擇其中一個物質，計算1mol該物質得到或失去電子數目。計算的方法是用該線橋變價元素（高價態-低價態）×變價原子個數，計算結果寫在選定物質正下方。在線橋上標出1mol變價物質得到或失去電子數目。鋅元素線橋失去2mole-，氫元素線橋得到2mole-。

[（+1-0）×2=2][（+2-0）×1=2][失去2e-][+Cl→Cl2+2↑][得到2e-]

第四步：求出兩條線橋上得到和失去電子數目的最小公倍數。兩條線橋上得到和失去電子數目都是2，最小公倍數也是2，即轉移的電子總數守恒。“×”后面的1，分別是Zn和H2的系數。將每條線橋上“×”后面的數寫在選定物質前，作為選定物質的系數。

[（+1-0）×2=2][（+2-0）×1=2][失去2e- ×1][+Cl→Cl2+12↑][得到2e- ×1]

第五步：根據原子守恒，仔細觀察反應前后各元素原子個數，配平其他物質系數。根據原子守恒，HCl的系數應該配成2，ZnCl2的系數配成1。

+2Cl=Cl2+12↑

第六步：檢查化學方程式，確保方程式正確。配平中沒有使用到的元素，要檢查其左右兩邊原子個數是否相等。本例中用氯原子來檢查，左右各為2個氯原子，“=”左右的各元素原子個數是相等的，說明配平是正確的。

氧化還原化學方程式配平的難點和關鍵在第三、四兩個步驟。第三步中，計算電子得失數目前一定要明確是選擇線橋連接的哪個物質來計算，這決定了第四步中求出的最小公倍數“×”后面的數字寫在該物質前面，即“×”后面的數字是所選取物質的系數。在第三步中，計算1mol變價物質得失電子數目特意寫在選取物質的正下方，就是為了避免第四步中“×”后面的數字寫錯位置。

二、氧化還原方程式配平的模型修正

針對復雜氧化還原方程式的配平，難點還是在于第三步，如何選取變價物質，可以把上述模型進一步修正。

（一）歸中反應可以采用正向配平法

歸中反應中同一元素的不同價態之間發生反應得到同一價態的生成物，可以采用正向配平法。正向配平法是指兩條線橋都要選擇反應物來計算電子得失，不能選擇生成物，如H2+O2→H2O+。本例中H2→，O2→，只能選取反應物H2S和SO2，而不能選擇S來計算電子得失。“×”后面的數應寫在反應物H2S和SO2的前面做系數。其余物質系數根據原子守恒配平，可得到正確的方程2H2+1O2=2H2O+3。

[（+4-0）×1=4][（+2-0）×1=2][2H2+1O2→H2O+][失去2e- ×2][得到4e- ×1]

其余物質系數根據原子守恒配平，可得到正確的方程2H2+1O2→H2O+。

（二）歧化反應和部分氧化還原反應可采用逆向配平法

歧化反應同一元素部分價態升高，部分價態降低，可以采用逆向配平法。逆向配平法是指兩條線橋都要選擇生成物來計算電子得失，不能選擇反應物。如2+OH→O3++H2O本例中2→O3，2→，只能選取生成物ClO3和Cl而不能選擇Cl2來計算電子得失。“×”后面的數應寫在生成物ClO3和Cl的前面做系數。其余物質系數根據原子守恒，電荷守恒配平，可得到正確的方程32+6OH=1O3+5+3H2O。

部分氧化還原反應中，某些元素一部分價態變化，另一部分價態不變，也要采用逆向配平法。如+HO3→（O3）2+O↑+H2O，在配平過程中，氮元素的線橋中要選擇NO，計算1mol NO得到的電子數，不能選擇HNO3計算。

[[0-（-1）]×1=1][（+5-0）×1=5][得到1e- ×5][2+OH→1O3+5+H2O][失去5e- ×1]

（三）整體歸一法

某些氧化還原反應中有兩種以上的價態變化，其中一種物質中有多種元素價態發生變化，用常規的雙線橋模型已經配不平該方程，需要把有多種價態變化的物質作為一個整體計算電子得失數目。例如2+2→23+2。本例中共有三種價態變化，→，→，→，其中FeS2含有二種價態變化→，→，在配平過程中要選擇FeS2，計算1mol FeS2失去的電子總數，O2的價態變化只有一種，但O2的降價產物有2種，需要計算1mol O2得到的電子總數。

[[0-（-2）]×2=4][[+3-2+（+4-（-1））×2]=11][失去11e- ×4][2+112→23+2][得到4e- ×11]

整體歸一法模型修正是要選擇含多種價態變化的物質做為一個整體來計算1mol該物質得到或失去電子的總數。某物質元素只有一種價態變化但有多種產物的情況，也需要選擇該物質來計算1mol該物質得到或失去電子的總數，而不是把價態升高（或降低）的元素價態加起來計算電子總數。

三、綜合應用各種修正模型

一些有更加復雜化合價變化的氧化還原反應，需要綜合應用上述方法。例如：

[（+5-0）=5][[（+2-1）×3+0-（-3）]=6][得6e- ×5][（SO4）++H2O→3+H2SO4+6H3O4][失5e- ×6]

本例中應用了整體歸一法和逆向配平法。計算1mol 3和1mol H3O4得失電子總數，其他物質系數用觀察法配平。

15（SO4）+11+24H2O=53+6H3O4+15H2SO4

上述復雜氧化還原方程式的模型構建可以繼續再修正，進一步提升學生模型認知核心素養。以H2+O2→H2O+配平法為例。

[+4-0=4][[0-（-2）]=2][失2e- ×2][2H2+O2→H2O++1][得4e- ×1]

把歸中反應不同價態反應物得到的同一價態產物拆開寫成兩部分，可以區分同一元素不同價態變化得到的氧化產物和還原產物，再用觀察法配平其他系數，進一步提升學生的模型構建能力。

2H2+O2=2H2O+2+1 即 2H2+1O2=2H2O+3

四、氧化還原方程式配平的模型應用

（一）原電池電極方程式書寫

以（-）Zn│HCl│Cu（+）原電池為例，電池總反應為：1Zn+2Cl=Cl2+1H2↑，離子方程式為：Zn+2H+=Zn2++H2↑。雙線橋表示如下：

[1 + 2+ = 2+ + 12↑][失去2e-][得到2e-]

原電池裝置把氧化還原反應分開在兩個電極分別進行氧化反應和還原反應，在兩個電極反應中得到的電子總數和失去的電子總數仍然相等，遵循電子守恒規律。負極反應物化合價升高，發生氧化反應，負極電極方程式為：Zn-2e-=Zn2+。正極反應物化合價降低，發生還原反應，方程式為：2H++2e-=H2↑。氧化還原方程式的兩條線橋分別對應著負極和正極的電極方程式。對復雜一些的原電池裝置，也可以用配平模型直接書寫正負極電極方程式。例如堿性甲烷燃料電池的負極電極方程式書寫。甲烷在負極上發生反應，堿性環境中CH4→CO32-。應用模型配平過程如下：

負極：H4→O32-。化合價升高+4-（-4）=8價，1mol CH4失去8mol e-，H4-8e-→O32-。根據電荷守恒，左邊8個正電荷，右邊2個負電荷，在堿性環境中，左邊應該加10個OH。再根據H、O原子守恒，配平其他物質系數。

H4-8e-+10OH=O32-+7H2O

（二）電解池電極方程式書寫

鉛蓄電池：（-）Pb│H2SO4│PbO2（+）二次電池，電池總反應方程式為：

Pb+PbO2+2H2SO4 [放電

充電] 2PbSO4+2H2O

放電過程是原電池反應，充電過程是電解池反應，用雙線橋畫出電子得失。

[失去2e-][得到2e-][+O2+2H2SO4 [放電

充電] 2SO4+2H2O]

寫充電的電極方程式，要從右往左看，反應物在右邊，生成物在左邊。電解池中陽極反應失電子，陰極反應的電子。陰極：PbSO4+2e-→Pb，補齊原子和電荷，就可以得出正確的電極方程式。陰極：PbSO4+2e-=Pb+SO42-。陽極的電極方程式可以采用同樣的方法得到。

陽極：PbSO4-2e-+2H2O=PbO2+SO42-+4H+

模型構建是需要對某一類問題進行“舉三反一”的分析歸納，找出這一類問題的共同之處，總結出一定模式。這是一個對某一類問題的研究從特殊到一般的深化的過程，形成系統思路和相對固定的模式。模型構建的目的是要能夠應用構建好的模型解決實際問題。同時，教師要引導學生在模型應用過程中還要不斷修正完善模型，從而提高學生的模型認知素養。

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（責任編輯：張涵淋）