體會程序性知識解題的妙處

任瀚旻

一、案例背景

隨著社會的不斷發(fā)展，能源始終是人類研究的一個主題，各種綠色化學(xué)電源研究應(yīng)用層出不窮。在高中化學(xué)教學(xué)中，新課程新教材對化學(xué)電源提出了更高、更符合時代發(fā)展的要求。在浙江省新課程指導(dǎo)意見中對“化學(xué)電源”內(nèi)容提出了不同的要求：知道常見化學(xué)電源的種類，能根據(jù)已知的電池總反應(yīng)式判斷電池的正、負(fù)極，書寫電極反應(yīng)式。發(fā)展要求：知道銀鋅紐扣電池、鉛蓄電池、燃料電池的工作原理及其應(yīng)用價值。新課程背景下，書寫新型電池的電極反應(yīng)是學(xué)生必須攻破的“堡壘”。

二、困難的出現(xiàn)

新課程標(biāo)準(zhǔn)有了明確要求，社會的發(fā)展又需要學(xué)生學(xué)會從本質(zhì)上去認(rèn)識各種新電池，但事實上學(xué)生能輕松解決這些問題嗎？

案例1.新型電池電極反應(yīng)方程式的書寫

陌生的化學(xué)反應(yīng)，讓學(xué)生無措

[材料]蘇教版化學(xué)反應(yīng)原理教材中的化學(xué)電源的“問題解決”版塊中。

（1）銀鋅紐扣電池的電極分別為Ag2O和Zn，電解質(zhì)溶液為KOH溶液，發(fā)生氧化還原反應(yīng)后生成Ag和ZnO。

（2）堿性鋅錳電池的總反應(yīng)為：2MnO2+Zn+2H2O=2MnOOH+ Zn（OH）2

[問題]請指出上述電池的正、負(fù)極，并寫出電池的電極反應(yīng)式。

[拓展應(yīng)用]在很多習(xí)題中，往往也會出現(xiàn)一些特殊電池的應(yīng)用。

例：鎂/H2O2酸性燃料電池采用海水作電解質(zhì)（加入一定量的酸），電池總反應(yīng)為：Mg+H2O2+2H+=Mg2++2H2O，請寫出電池的電極反應(yīng)式。

[反饋]大多數(shù)學(xué)生能指出電池的正負(fù)極，但能完全正確寫出電極反應(yīng)的寥寥無幾。下面是一些學(xué)生的部分錯誤答案：2MnO2+ H2O+e-=2MnOOH，2MnO2+2H2O=2MnOOH+2OH-，2MnO2+H2O+4e-=2MnOOH+2OH-，2MnO2+2H++2e-=2MnOOH，Ag2O+H2O+2e-=2Ag+ OH-，Ag2O+2e-=2Ag+H2O+2OH-……從中可以看出，學(xué)生錯誤是比較“豐富”的。

三、困難出現(xiàn)的原因分析

從反饋結(jié)果可以看出學(xué)生對類似題目基本是無解，有些學(xué)生碰到即主動放棄，究其原因主要包括以下幾點：

1.陌生、害怕

上述兩個電池雖然在生活中應(yīng)用非常廣泛，但是在課堂上學(xué)生具體的電池沒有看到過，更別說“MnOOH、ZnO、Zn（OH）2”這些陌生的化學(xué)式了。所以學(xué)生看到這些材料、題目就感到害怕，未戰(zhàn)先敗，肯定無法順利完成題目。

2.無法抓住問題的本質(zhì)

原電池的本質(zhì)是氧化還原反應(yīng)知識，對題目已經(jīng)產(chǎn)生心理陰影的學(xué)生當(dāng)然談不上去尋找合適的方法解決這個問題，對一些相對優(yōu)秀的學(xué)生來說，他們同樣無法冷靜地、系統(tǒng)地用氧化還原反應(yīng)知識去分析。例如上面學(xué)生錯誤答案中的2MnO2+H2O+4e-=2MnOOH+2OH-表明學(xué)生無法正確判斷元素的化合價，以致無法順利地寫出正確的反應(yīng)式。

3.學(xué)生缺少程序性知識

解決一個問題有一定的方法，那么解決同一類問題這個方法往往也是適用的。生活中、生產(chǎn)中有很多固定的程序，用來順利地解決問題，提高效率。如果這個程序是一個知識，那么它就是程序性知識，是指怎樣做的知識，是關(guān)于解決問題的操作過程的知識，即關(guān)于如何從已知狀態(tài)向目標(biāo)狀態(tài)轉(zhuǎn)化的知識。在化學(xué)中，我們有很多程序性知識，如：如何配平化學(xué)方程式，如何判斷物質(zhì)氧化性強弱，如何解決平衡移動問題等。同樣，書寫電化學(xué)方程式也有相對固定的程序性知識，很多學(xué)生平時缺少對題目的反思與總結(jié)，從而積累的這些知識是非常有限的。

四、解決困難

新教材的設(shè)計理念、知識應(yīng)用更體現(xiàn)了社會性和時代性，不管是書本知識內(nèi)容、課堂的呈現(xiàn)內(nèi)容、課外出現(xiàn)的一些習(xí)題都有更多與社會實際相關(guān)聯(lián)的內(nèi)容。隨著教學(xué)程度的深入和學(xué)生接觸面的擴展，學(xué)生對這些習(xí)題的陌生度會減輕，直至變得習(xí)以為常，所以解決此類問題的關(guān)鍵還是積累更多的程序性知識，下面通過案例一中的一個例子呈現(xiàn)解決這類問題的方法。

2MnO2+Zn+2H2O=2MnOOH+Zn（OH）2

[過程]

1.確定電池的正負(fù)極和相應(yīng)的發(fā)生氧化還原反應(yīng)的反應(yīng)物和產(chǎn)物這是一個氧化還原反應(yīng)，根據(jù)原電池原理負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，化合價升高；正極發(fā)生還原反應(yīng)，化合價降低。

負(fù)極：

正極：

2.利用電荷守衡完善正極的電極反應(yīng)（負(fù)極也可）

判斷溶液的酸堿性，往往用H+或OH-配電荷守衡。當(dāng)然判斷電解質(zhì)溶液的酸堿性也有一定的方法，有些題目中明確說明，如上面列舉的例題；有些可以根據(jù)產(chǎn)物判斷，如甲烷燃料電池的產(chǎn)物如果是CO2，就說明電解質(zhì)溶液顯酸性。從該電池總反應(yīng)的產(chǎn)物可以明確判斷出該電解質(zhì)溶液顯堿性，所以可以用OH-配平電荷。

正極：2MnO2+2e-→2MnOOH+2OH-

該式子的電荷已經(jīng)守衡，但是元素還沒有守衡

3.利用元素守衡寫出完整的正極反應(yīng)式（負(fù)極也可）

根據(jù)元素守衡寫出完整的反應(yīng)式時，往往用到是H2O，配平H、O等元素。

正極：2MnO2+2e-+2H2O=2MnOOH+2OH-

4.利用加減、合并同類項等簡單的數(shù)學(xué)工具寫出負(fù)極（正極）的反應(yīng)

總反應(yīng)：2MnO2+Zn+2H2O=2MnOOH+Zn（OH）2

正極：2MnO2+2e-+2H2O=2MnOOH+2OH-

負(fù)極反應(yīng)=總反應(yīng)式-正極反應(yīng)式

負(fù)極：Zn-2e-+2OH-=Zn（OH）2

簡單總結(jié)這個過程：

寫出發(fā)生氧化還原反應(yīng)的反應(yīng)物和生成物構(gòu)成反應(yīng)的雛形→ 根據(jù)溶液的酸堿性配平電荷→往往利用H2O配平元素→檢查、完成。事實上，書寫這個電池的電極反應(yīng)時，先寫出負(fù)極反應(yīng)會更簡單，因為負(fù)極反應(yīng)的書寫無需第3步過程。選擇正極的原因是為了呈現(xiàn)完整的過程。

五、感受成功

原電池電極反應(yīng)式書寫本質(zhì)就是氧化還原反應(yīng)式，只不過是把一個總反應(yīng)，拆成兩半書寫，那么，我們可否利用上面的知識書寫完整的氧化還原方程式呢？答案是肯定的。

案例2.利用上述程序性知識解決氧化還原方程式的書寫

[考題呈現(xiàn)]實驗室可由軟錳礦（主要成分為MnO2）制備KMnO4，方法如下：軟錳礦和過量的固體KOH和KClO3在高溫下反應(yīng)，生成錳酸鉀（K2MnO4）和KCl；用水溶解，濾去殘渣，濾液酸化后，K2MnO4轉(zhuǎn)變?yōu)镸nO2和KMnO4；濾去MnO2沉淀，濃縮溶液，結(jié)晶得到深紫色的針狀KMnO4。試回答：

（1）軟錳礦制備K2MnO4的化學(xué)方程式是 。

（2）K2MnO4制備KMnO4的離子方程式是 。

（3）若用2.5 g軟錳礦（含80%MnO2）進行上述實驗，計算KMnO4的理論產(chǎn)量。

（4）KMnO4能與熱的經(jīng)硫酸酸化的Na2C2O4反應(yīng)，生成Mn2+和CO2，該反應(yīng)的化學(xué)方程是 。

（5）上述制得的KMnO4產(chǎn)品0.165 g，恰好與0.335 g純Na2C2O4反應(yīng)。計算該KMnO4的純度。

該考題中（1）（2）（4）都是氧化還原方程式的書寫，（3）（5）則是根據(jù)所寫方程式的計算題。這里涉及的方程式都是教程中沒有的，學(xué)無法依靠死記硬背寫出答案，特別是（4）題的方程式較難，學(xué)生很難得分，有些學(xué)生即使得了分也要花較長時間，那么如何順利寫出這些陌生的氧化還原反應(yīng)的離子方程式或化學(xué)方程式呢？在這里我們同樣可以應(yīng)用上述總結(jié)的知識來解決這個問題，當(dāng)然這是一個完整的氧化還原反應(yīng)。

1.確定發(fā)生氧化還原反應(yīng)的反應(yīng)物和對應(yīng)的產(chǎn)物

很多較復(fù)雜的氧化還原反應(yīng)，題目往往會告知氧化劑和還原劑及其對應(yīng)的產(chǎn)物，如這個題目就告訴了我們，當(dāng)然，有一些沒有告之產(chǎn)物的靠學(xué)生平時的積累如Cl2、Fe3+還原產(chǎn)物分別是Cl-和Fe2+；SO2-3和I-的氧化產(chǎn)物分別是SO2-4和I2等。根據(jù)題意寫出如下式子：

MnO-4+C2O2-4→Mn2++CO2

2.利用電子得失守衡初步配平式子

氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)是氧化劑、還原劑間轉(zhuǎn)移的電子是守衡，那么電子的轉(zhuǎn)移只發(fā)生在氧化劑和還原劑之間，所以我們可以根據(jù)電子守衡寫出如下式子：

2MnO-4+5C2O2-4→2Mn2++10CO2

3.利用電荷守衡進一步完善式子

判斷溶液的酸堿性，往往用H+或OH-配電荷守衡，而在高中化學(xué)中很多氧化劑的環(huán)境往往是酸性的，當(dāng)然很多時候題目都會提供信息給我們，此題明確告訴我們是酸性環(huán)境，因此可以寫出如下式子：2MnO-4+5C2O2-4+16H+→2Mn2++10CO2

4.利用元素守衡寫出完整的反應(yīng)式

根據(jù)元素守衡寫出完整的反應(yīng)式時，與電極反應(yīng)一樣，H2O往往就是最終配平反應(yīng)式所需的“棋子”，寫出如下完整的離子方程式：

2MnO-4+5C2O2-4+16H+=2Mn2++10CO2+8H2O

最后根據(jù)離子反應(yīng)式寫出化學(xué)方程式應(yīng)該是水到渠成的。

總結(jié)反思是一種有效的教學(xué)手段，通過反思可以揚棄我們教學(xué)中的不足，使教師學(xué)會教學(xué)，學(xué)生學(xué)會學(xué)習(xí)；通過反思可以開闊我們的思路，發(fā)現(xiàn)知識的聯(lián)結(jié)點和生長點，將這些知識的聯(lián)結(jié)點進一步整理，使知識集成，生長點延伸，實現(xiàn)知識的嫁接、能力的轉(zhuǎn)換?？傊此伎梢允垢嗟年愂鲂灾R更有效地衍變?yōu)槌绦蛐灾R，從而更有效地幫助教師的教與學(xué)生的學(xué)。

參考文獻：

周娟.新型原電池電極反應(yīng)式的書寫技巧[J].數(shù)理化學(xué)習(xí)：教育理論，2012.

編輯 段麗君