電荷守恒定律與氧化還原反應(yīng)實質(zhì)的對比分析與系統(tǒng)整合

摘要：在引用電荷守恒定律概念與氧化還原反應(yīng)實質(zhì)的基礎(chǔ)上，對電荷守恒定律與氧化還原反應(yīng)實質(zhì)進行對比分析和系統(tǒng)整合，以期對學(xué)界進行相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)以及引導(dǎo)學(xué)生對各學(xué)科知識體系進行系統(tǒng)整合有所啟示。

關(guān)鍵詞：電荷守恒定律；氧化還原反應(yīng)實質(zhì)；對比分析；系統(tǒng)整合

文章編號：1005–6629（2014）7–0013–03 中圖分類號：G633.8 文獻標(biāo)識碼：B

電荷守恒定律是物理學(xué)中重要的基本定律之一，對氧化還原反應(yīng)實質(zhì)的認識是理解氧化還原反應(yīng)理論知識的關(guān)鍵。電荷守恒定律與氧化還原反應(yīng)實質(zhì)分屬物理和化學(xué)兩門不同學(xué)科，但卻是分別從不同學(xué)科視角對電荷轉(zhuǎn)移情況的描述。然而，從現(xiàn)有文獻來看，學(xué)界并未對兩者之間的關(guān)系進行深入分析。本文運用系統(tǒng)論對兩者進行對比分析和系統(tǒng)整合，以期引導(dǎo)學(xué)界在進行電荷守恒定律教學(xué)時，充分運用氧化還原反應(yīng)實質(zhì)作為電荷守恒定律在微觀領(lǐng)域具體應(yīng)用的實例之一，幫助學(xué)生從電子在氧化還原反應(yīng)中的轉(zhuǎn)移和守恒來理解和掌握電荷守恒定律的微觀本質(zhì)，幫助學(xué)生架起從微觀本質(zhì)上來認清宏觀物理學(xué)定律實質(zhì)的橋梁；在進行氧化還原反應(yīng)教學(xué)時充分運用電荷守恒定律來幫助學(xué)生從物理學(xué)電荷轉(zhuǎn)移和守恒這一宏觀角度來認清氧化還原反應(yīng)實質(zhì)，幫助學(xué)生架起運用宏觀物理學(xué)定律來認清微觀化學(xué)反應(yīng)實質(zhì)的橋梁，進而幫助學(xué)生構(gòu)建起完整的電荷轉(zhuǎn)移知識體系。

1 電荷守恒定律與氧化還原反應(yīng)實質(zhì)的內(nèi)容

人教版高中物理教材選修3-1首先在對電荷進行介紹的基礎(chǔ)上給出了電荷守恒定律傳統(tǒng)的表述：“大量事實表明，電荷既不會創(chuàng)生，也不會消滅，它只能從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，或者從物體的一部分轉(zhuǎn)移到另一部分；在轉(zhuǎn)移過程中，電荷的總量保持不變。這個結(jié)論叫做電荷守恒定律。[1]”然后在介紹帶電粒子產(chǎn)生和湮沒知識的基礎(chǔ)上給出了電荷守恒定律現(xiàn)在的表述：“一個與外界沒有電荷交換的系統(tǒng)，電荷的代數(shù)和保持不變。[2]”人教版高中化學(xué)教材必修1首先通過分析氧化還原反應(yīng)實例中元素化合價的升降情況對初中教材中氧化還原反應(yīng)概念進行拓展而給出氧化還原反應(yīng)的定義：“并非只有得氧、失氧的反應(yīng)才是氧化還原反應(yīng)，凡是有元素化合價升降的化學(xué)反應(yīng)都是氧化還原反應(yīng)。”然后通過介紹原子結(jié)構(gòu)以及電子在氧化還原反應(yīng)中轉(zhuǎn)移（得失或偏移）情況闡明氧化還原反應(yīng)的實質(zhì)是電子轉(zhuǎn)移，并從氧化還原反應(yīng)實質(zhì)（電子轉(zhuǎn)移）的角度給出了氧化還原反應(yīng)的定義：“通過以上的分析，我們認識到有電子轉(zhuǎn)移（得失或偏移）的反應(yīng)，是氧化還原反應(yīng)。[3]”教材沒有提及在氧化還原反應(yīng)中是否存在帶電粒子的產(chǎn)生和湮沒以及相關(guān)情況。本文也在不考慮帶電粒子產(chǎn)生和湮沒的情況下對電荷守恒定律與氧化還原反應(yīng)實質(zhì)做一淺顯對比分析。

2 電荷守恒定律與氧化還原反應(yīng)實質(zhì)的對比分析

從教材對比我們發(fā)現(xiàn)，關(guān)于電荷守恒定律與氧化還原反應(yīng)的實質(zhì)，兩者之間存在著一些相似之處、差異和聯(lián)系，需要我們重視。

2.1 電荷守恒定律與氧化還原反應(yīng)實質(zhì)之間的相似之處

電荷守恒定律與氧化還原反應(yīng)實質(zhì)都是對“電荷轉(zhuǎn)移情況”進行描述，兩者之間必然存在著相似之處。

（1）所描述對象都是一個與外界沒有電荷交換的系統(tǒng)。電荷守恒定律適用的前提是“一個與外界沒有電荷交換的系統(tǒng)”；同樣，如果把發(fā)生氧化還原反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)體系看作一個系統(tǒng)，雖然該系統(tǒng)通過氧化還原反應(yīng)使系統(tǒng)中的電子發(fā)生了轉(zhuǎn)移，但從氧化還原反應(yīng)實質(zhì)來看，該系統(tǒng)與環(huán)境沒有任何電荷交換，必然是“一個與外界沒有電荷交換的系統(tǒng)”。正如物理教材所舉用絲綢摩擦玻璃棒這一“摩擦起電”的例子時所描述的那樣，“用絲綢摩擦玻璃棒時，玻璃棒上有些電子跑到絲綢上了，玻璃棒因缺少電子而帶正電，絲綢因有了多余的電子而帶負電”。在玻璃棒和絲綢組成的這一系統(tǒng)中，電子只是從玻璃棒這一子系統(tǒng)轉(zhuǎn)移了該系統(tǒng)的另一子系統(tǒng)絲綢上而使該系統(tǒng)的兩個子系統(tǒng)帶有不同種類的電荷，而該系統(tǒng)與環(huán)境并沒有任何電荷交換，是“一個與外界沒有電荷交換的系統(tǒng)”。同樣，在化學(xué)教材所舉Fe+CuSO4=FeSO4+Cu這一氧化還原反應(yīng)系統(tǒng)中，電子只是從Fe轉(zhuǎn)移到了Cu2+上，而該系統(tǒng)與環(huán)境沒有任何電荷交換，也是“一個與外界沒有電荷交換的系統(tǒng)”。

（2）系統(tǒng)內(nèi)的電荷都“既不會創(chuàng)生，也不會消滅”。電荷守恒定律傳統(tǒng)的表述首先強調(diào)“大量事實表明，電荷既不會創(chuàng)生，也不會消滅”；氧化還原反應(yīng)實質(zhì)表明，在氧化還原反應(yīng)過程中只是發(fā)生了電子的轉(zhuǎn)移，必然沒有“電荷的創(chuàng)生與消滅”。其實，無論“摩擦起電”、“感應(yīng)起電”還是“氧化還原反應(yīng)中電子的轉(zhuǎn)移”，其微觀實質(zhì)都是因“電子的轉(zhuǎn)移”而發(fā)生的電現(xiàn)象，在這三個過程中都沒有“電荷的創(chuàng)生與消滅”。

（3）都是電荷在系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生轉(zhuǎn)移。電荷守恒定律表明，電荷可以從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體或者從物體的一部分轉(zhuǎn)移到另一部分；氧化還原反應(yīng)實質(zhì)表明，在氧化還原反應(yīng)中，電子可以從一個微粒（還原劑）轉(zhuǎn)移到另一個微粒（氧化劑）而發(fā)生電子的得失或者從某些微粒的一部分轉(zhuǎn)移到另一部分而發(fā)生電子的偏移（因共價鍵的形成或斷裂而導(dǎo)致原子的電子云形狀發(fā)生改變）。就物理教材所舉摩擦起電和靜電感應(yīng)的例子而言，摩擦起電的實質(zhì)是由于構(gòu)成不同物體的原子或分子對電子的引力不同，在環(huán)境的作用（摩擦）下迫使電子從一個物體轉(zhuǎn)移到了另一個物體而使兩個物體帶有不同種電荷；靜電感應(yīng)的實質(zhì)是在環(huán)境（帶電體）的作用下迫使電子從導(dǎo)體的一部分轉(zhuǎn)移到了另一部分而使導(dǎo)體兩端帶有不同種電荷。同樣，在氧化還原反應(yīng)中，諸如2Na+Cl2=2NaCl、Fe+CuSO4=FeSO4+Cu等這一類涉及到離子鍵的氧化還原反應(yīng)，其實質(zhì)是由于氧化劑和還原劑對電子的引力不同而迫使電子從一個微粒（Na、Fe）轉(zhuǎn)移到另一個微粒（Cl、Cu2+）而發(fā)生電子的得失；而H2+Cl2=2HCl、H2O+C=H2+CO等這類只涉及共價鍵的氧化還原反應(yīng)，其實質(zhì)是電子從某些微粒（H、Cl和H、O、C）的一部分轉(zhuǎn)移到另一部分而發(fā)生電子的偏移。

（4）系統(tǒng)的電荷的代數(shù)和保持不變。電荷守恒定律現(xiàn)在的表述是將電荷及其發(fā)生轉(zhuǎn)移的媒介（電荷發(fā)生轉(zhuǎn)移的不同物體或者某一物體）看作一個系統(tǒng)，那么，“一個與外界沒有電荷交換的系統(tǒng)，電荷的代數(shù)和保持不變”；同樣，在氧化還原反應(yīng)系統(tǒng)中，雖然通過氧化還原反應(yīng)使該系統(tǒng)的電子發(fā)生了轉(zhuǎn)移，但電子只是發(fā)生了轉(zhuǎn)移，電子的個數(shù)自然不會發(fā)生改變，電荷的代數(shù)和必然保持不變。

2.2 電荷守恒定律與氧化還原反應(yīng)實質(zhì)之間的差異

電荷守恒定律與氧化還原反應(yīng)實質(zhì)又是從“不同學(xué)科視角”來描述電荷轉(zhuǎn)移情況，兩者之間的差異具體如下。

（1）所屬學(xué)科不同。很顯然，電荷守恒定律是物理學(xué)中重要的基本定律之一，是對電荷在不同物體之間或者同一物體不同部分之間發(fā)生轉(zhuǎn)移的這一宏觀現(xiàn)象及其所遵循規(guī)律的描述；而認清氧化還原反應(yīng)實質(zhì)則是學(xué)習(xí)化學(xué)學(xué)科重點理論知識氧化還原反應(yīng)的關(guān)鍵，氧化還原反應(yīng)實質(zhì)是對電子在不同微粒之間或者某些微粒不同部分之間發(fā)生轉(zhuǎn)移的這一微觀現(xiàn)象及其所遵循規(guī)律的描述。

（2）所描述的電荷不同。電荷守恒定律描述的電荷包括正電荷和負電荷，是對電荷在物體上發(fā)生轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象及其所遵循規(guī)律的描述；而氧化還原反應(yīng)實質(zhì)描述的電荷就是電子，是對電子在氧化還原反應(yīng)中發(fā)生轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象及其所遵循規(guī)律的描述。

（3）所描述的電荷轉(zhuǎn)移媒介不同。電荷守恒定律中電荷發(fā)生轉(zhuǎn)移的媒介為物體；而氧化還原反應(yīng)中電子發(fā)生轉(zhuǎn)移的媒介為微粒（包括原子和離子）。

2.3 電荷守恒定律與氧化還原反應(yīng)實質(zhì)之間的聯(lián)系

原子是構(gòu)成物質(zhì)的最小單元，從原子結(jié)構(gòu)知識可知，原子是由原子核和核外電子構(gòu)成，原子核中的質(zhì)子和核外電子所帶的電荷數(shù)量相等符號相反，所以整個原子對外界較遠位置表現(xiàn)為電中性。要產(chǎn)生電荷守恒定律中所描述的正負電荷和發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，其前提條件是必須要使構(gòu)成物體的物質(zhì)的部分或全部原子發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，即只有發(fā)生電子轉(zhuǎn)移才會產(chǎn)生電荷和電荷轉(zhuǎn)移。而構(gòu)成物體的物質(zhì)的部分或全部原子發(fā)生電子定向轉(zhuǎn)移，則必然會發(fā)生“電荷從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體或者從物體的一部分轉(zhuǎn)移到另一部分”的宏觀現(xiàn)象。同樣，通過運用原子結(jié)構(gòu)知識以及與電荷在物體上的轉(zhuǎn)移進行對比分析很容易理解，氧化還原反應(yīng)實質(zhì)是由于氧化劑和還原劑對電子的引力不同而迫使電子在不同微粒之間或者某些微粒不同部分之間發(fā)生的轉(zhuǎn)移，且電子在轉(zhuǎn)移的過程中遵守電荷守恒。

3 電荷守恒定律與氧化還原反應(yīng)實質(zhì)的系統(tǒng)整合

知識需要不斷地整合，產(chǎn)生一般性的高質(zhì)量知識、綜合性知識和全面的知識，實現(xiàn)知識整體化，從而形成完整的知識體系[4]。高中各門課程作為學(xué)校所開設(shè)課程體系這個大系統(tǒng)中的子系統(tǒng)，它們之間必然有著密切的聯(lián)系[5]。物理學(xué)是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)、物質(zhì)相互作用和運動規(guī)律的自然科學(xué)。化學(xué)是在原子、分子水平上研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其應(yīng)用的自然科學(xué)，其特征是研究分子和創(chuàng)造分子。物理學(xué)與化學(xué)的關(guān)系是唇齒相依、息息相關(guān)的，無論是從宏觀上還是從微觀上都是相輔相成、共同發(fā)展的[6]。對物理知識與化學(xué)知識進行系統(tǒng)整合包括在學(xué)科之間不同層次上的縱向整合和同一層次上的橫向整合。而對物理與化學(xué)的基礎(chǔ)知識進行整合是進行學(xué)科知識整合的基礎(chǔ)，是學(xué)生認知結(jié)構(gòu)進行重組的關(guān)鍵，是幫助學(xué)生對物理與化學(xué)知識進行系統(tǒng)整合的重點[7]。在物理教學(xué)中，我們理應(yīng)在講解電荷守恒定律時，引導(dǎo)學(xué)生將電荷在物體上發(fā)生轉(zhuǎn)移的這一宏觀現(xiàn)象及其所遵循規(guī)律與電子在微粒上發(fā)生轉(zhuǎn)移（氧化還原反應(yīng)實質(zhì)）的這一微觀現(xiàn)象及其所遵循規(guī)律進行對比分析，注重引導(dǎo)學(xué)生運用氧化還原反應(yīng)實質(zhì)來理解和掌握電荷守恒定律的微觀本質(zhì)，幫助學(xué)生架起從微觀本質(zhì)上來認清宏觀物理學(xué)定律實質(zhì)的橋梁，在此基礎(chǔ)上通過對兩者進行系統(tǒng)整合來幫助學(xué)生初步形成較為完整的電荷轉(zhuǎn)移知識體系。在化學(xué)教學(xué)中，我們理應(yīng)在講解氧化還原反應(yīng)時，引導(dǎo)學(xué)生將電子在微粒上發(fā)生轉(zhuǎn)移的這一微觀現(xiàn)象及其所遵循規(guī)律與電荷在物體上發(fā)生轉(zhuǎn)移的這一宏觀現(xiàn)象及其所遵循規(guī)律進行對比分析，并注重引導(dǎo)學(xué)生運用電荷守恒定律來理解和掌握氧化還原反應(yīng)實質(zhì)，幫助學(xué)生架起運用宏觀物理學(xué)定律來認清微觀化學(xué)反應(yīng)實質(zhì)的橋梁，在此基礎(chǔ)上通過對兩者進行系統(tǒng)整合來幫助學(xué)生初步形成較為完整的電荷轉(zhuǎn)移知識體系。通過物理和化學(xué)兩門學(xué)科的教學(xué)，幫助學(xué)生從不同學(xué)科視角來理解和掌握電荷轉(zhuǎn)移知識，通過對電荷守恒定律與氧化還原反應(yīng)實質(zhì)的對比分析和系統(tǒng)整合幫助學(xué)生構(gòu)建起完整的電荷轉(zhuǎn)移知識體系。

4 電荷守恒定律與氧化還原反應(yīng)實質(zhì)的對比分析與系統(tǒng)整合對教學(xué)的啟示

總之，知識的生成和發(fā)展過程已經(jīng)由知識的分化占主導(dǎo)地位轉(zhuǎn)變?yōu)橹R的整合占主導(dǎo)地位，自然科學(xué)也在分科越來越細致、更加具體化的基礎(chǔ)上正逐漸走向統(tǒng)一與整合[8]。物理和化學(xué)作為自然科學(xué)中聯(lián)系最為緊密的兩門學(xué)科，其相互交叉和融合程度也必然越來越高。通過對電荷守恒定律與氧化還原反應(yīng)實質(zhì)的對比分析與系統(tǒng)整合，必然會產(chǎn)生一般性的高質(zhì)量知識、綜合性知識和全面的知識，通過系統(tǒng)的整體涌現(xiàn)實現(xiàn)“整體大于部分之和”的效果。在指導(dǎo)學(xué)生對電荷守恒定律與氧化還原反應(yīng)實質(zhì)進行對比分析與系統(tǒng)整合的基礎(chǔ)上，力求對各學(xué)科中的相關(guān)知識進行系統(tǒng)整合而形成完整的知識，進而對各學(xué)科知識體系進行系統(tǒng)整合而形成完整的知識體系，有利于幫助學(xué)生構(gòu)建起符合素質(zhì)教育要求的知識體系，有利于幫助學(xué)生不斷提高綜合應(yīng)用知識的能力。

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