品味化學(xué)電源發(fā)展史,螺旋式認(rèn)識(shí)原電池原理

　　摘要：以“化學(xué)電源”發(fā)展史為課堂教學(xué)素材，遵循課堂教學(xué)的科學(xué)發(fā)展觀，從能量與物質(zhì)變化兩個(gè)層面品味、解讀各時(shí)期經(jīng)典化學(xué)電源，分析、比較各時(shí)期化學(xué)電源的工作原理和特征，螺旋式認(rèn)識(shí)原電池工作原理，提出突破原電池工作原理的教學(xué)難點(diǎn)、重點(diǎn)的策略和建議。
　　關(guān)鍵詞：化學(xué)電源；發(fā)展史；原電池原理；螺旋式
　　文章編號(hào)：1005–6629（2016）12–0085–05 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B
　　許多學(xué)者[1、2、3]從不同視角對(duì)原電池工作原理以及課堂教學(xué)設(shè)計(jì)作了細(xì)致的研究，對(duì)教師準(zhǔn)確把握有關(guān)原電池的教學(xué)起到很大作用。本文試以“化學(xué)電源”的發(fā)展史為素材，遵循和挖掘化學(xué)史中所體現(xiàn)的科學(xué)發(fā)展規(guī)律，采用《物理化學(xué)》[4]中有關(guān)熱力學(xué)電極電位等相關(guān)理論，對(duì)原電池原理做出全面解讀（有關(guān)物理化學(xué)理論和計(jì)算，都出自該文獻(xiàn)），理解“螺旋式上升”教材的編寫理念及有關(guān)教學(xué)策略、設(shè)計(jì)的初衷[5]，以饋?zhàn)x者。
　　1 伏打電堆與Daniell電池
　　教學(xué)建議：讓學(xué)生依據(jù)伏打電堆工作實(shí)景畫出等效電路圖，如圖1（c）。
　　教學(xué)意義：許多學(xué)生開始對(duì)原電池的認(rèn)識(shí)只停留在電流表指針會(huì)偏轉(zhuǎn)這一“奇特”的現(xiàn)象上，教學(xué)中，教師引導(dǎo)學(xué)生通過畫出等效電路圖，可讓學(xué)生深刻體會(huì)：原電池實(shí)際上就是一種電源裝置。
　　比較伏打電堆與Zn|H2SO4|Cu所組成的單液電池發(fā)現(xiàn)：前者裝置中并不存在一個(gè)顯而易見的自發(fā)的氧化還原反應(yīng)，而后者很容易得出裝置中發(fā)生氧化還原反應(yīng)是發(fā)生原電池反應(yīng)前提的結(jié)論。
　　教學(xué)建議：與其先引入Zn|H2SO4|Cu所組成的單液電池有關(guān)實(shí)驗(yàn)，不如先展示伏打電堆這一最早的原電池，以避免學(xué)生產(chǎn)生電極必須參與反應(yīng)的錯(cuò)誤認(rèn)知。
　　1.2 Daniell（丹尼爾）電池
　　科學(xué)家Daniell在1836年采用鹽橋?qū)�兩種電解質(zhì)溶液連通起來的裝置，解決了H+與金屬Zn接觸而發(fā)生反應(yīng)的問題。鹽橋中的陰、陽(yáng)離子的遷移速率幾乎相同，如K+和Cl-的遷移率非常接近，當(dāng)鹽橋插入到濃度不大的兩電解質(zhì)溶液之間的界面時(shí)，K+和Cl-向外擴(kuò)散是接界面上離子擴(kuò)散的主流，從而消除液接電位。
　　教學(xué)困惑：電解質(zhì)溶液中的離子會(huì)進(jìn)入鹽橋嗎——由于鹽橋中的離子濃度很高，電化學(xué)反應(yīng)中電解質(zhì)溶液不會(huì)進(jìn)入鹽橋；若電解質(zhì)是AgNO3溶液時(shí)，則不能使用KCl鹽橋，而應(yīng)使用NH4NO3鹽橋，其道理一樣——NH4+和NO3-的遷移速率也非常接近。
　　隨著Daniell電池反應(yīng)的進(jìn)行，溶液中的c（Zn2+）升高，c（Cu2+）降低，在非標(biāo)態(tài)下的E（Zn2+/Zn）變正，E（Cu2+/Cu）變負(fù)，最終E（Zn2+/Zn）=E（Cu2+/Cu），電流表指針歸零。
　　此時(shí)，若在電池的ZnSO4溶液中繼續(xù)加適量的固體ZnSO4溶解，在CuSO4溶液中加水稀釋，則c（Zn2+）升高，c（Cu2+）降低，則將發(fā)生Cu|Cu2+電極失去電子，而Zn|Zn2+電極得到電子，發(fā)生的電極反應(yīng)與Daniell電池反應(yīng)剛好相反，其總反應(yīng)為：Cu（s）+Zn2+（aq）=Zn（s）+Cu2+（aq）——是一個(gè)非自發(fā)的氧化還原反應(yīng)。
　　對(duì)于Zn（s）+Cu2+（aq）=Zn2+（aq）+Cu（s）而言，該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能易于理解，但對(duì)于相反的過程，其電能又是如何產(chǎn)生的？
　　邢瑞斌等[7]在“能設(shè)計(jì)成原電池的反應(yīng)一定是放熱反應(yīng)嗎”一文中很好地回答了這一問題，認(rèn)為放熱反應(yīng)不是發(fā)生原電池反應(yīng)的必要條件，原電池反應(yīng)是吸熱反應(yīng)時(shí)，完全可以理解成電池反應(yīng)過程中吸收環(huán)境中提供的熱量（開放體系的化學(xué)電池），認(rèn)為原電池反應(yīng)必須是放熱反應(yīng)是建立在孤立體系的前提下的，實(shí)際上，反應(yīng)體系往往與外界有能量和物質(zhì)的交換，相關(guān)案例不再贅述。
　　教學(xué)建議：對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)過程，何嘗不是如此？螺旋式上升的學(xué)習(xí)過程，對(duì)知識(shí)漸進(jìn)感悟的過程是客觀事實(shí)，一步到位的教學(xué)思想不可取。
　　2 采用《物理化學(xué)》中相關(guān)理論準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)原電池工作原理
　　2.1 金屬在鹽溶液中的“溶解-沉積”平衡和雙電層理論
　　金屬在水溶液中存在著金屬的“溶解-沉積”過程，金屬與其一定濃度的鹽溶液會(huì)形成一種動(dòng)態(tài)平衡，金屬越活潑（如金屬Zn），越容易失去電子，Zn2+進(jìn)入溶液的傾向越大，進(jìn)入溶液的Zn2+受晶體負(fù)電荷的吸引，聚集到金屬表面附近，形成一個(gè)正電荷層，與晶體上的負(fù)電荷層形成雙電層，如圖2（a）、（c），在正負(fù)電層之間產(chǎn)生了一定的電位差，金屬銅也一樣，只是產(chǎn)生的電位方向相反，如圖2（b）。
　　教學(xué)建議：教師設(shè)問——Zn分別與Zn、Fe、石墨能否構(gòu)成原電池，指針是否偏轉(zhuǎn)？若把稀硫酸改成食鹽水，電流表指針會(huì)偏轉(zhuǎn)嗎？
　　這樣的設(shè)問可避免帶來一個(gè)問題：學(xué)生原以為形成原電池需要兩個(gè)電極材料不同的電極，給后續(xù)的教學(xué)帶來不必要的負(fù)擔(dān)——如蘇教版《化學(xué)2》中在第42頁(yè)就介紹了使用相同的電極（石墨）所組成的氫氧燃料電池。因此在教學(xué)中，不過分強(qiáng)調(diào)電極不同是發(fā)生原電池的必要條件是明智的。
　　教學(xué)意義：不同電極在不同的電解質(zhì)溶液的電極電位不一樣，因此“電源”的電動(dòng)勢(shì)也不一樣；兩個(gè)完全相同的金屬電極在相同的電解質(zhì)溶液中，不能形成電勢(shì)差；若兩電極的金屬材料一樣，而電解質(zhì)溶液不相同，則還能形成電勢(shì)差。那種形成原電池必須是兩個(gè)不同材料的電極的觀點(diǎn)是不恰當(dāng)?shù)摹?p style="margin-bottom:10px">相關(guān)熱詞搜索：發(fā)展史 品味 原理 電源 化學(xué)