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基于铅蓄电池的电极方程式书写思维建模策略

时间:2020年06月15日 所属分类:电子论文 点击次数:

摘要:浙江省新高考改革后,化学选考试题对学生的能力要求越来越高,电极方程式的书写,是化学选考的热点和难点,电极方程式书写思维建模能够帮助学生摆脱学习思考困境,提高化学核心素养,能够提高学生的知识迁移和应用能力。 关键词:化学选考;电极方程式;

  摘要:浙江省新高考改革后,化学选考试题对学生的能力要求越来越高,电极方程式的书写,是化学选考的热点和难点,电极方程式书写思维建模能够帮助学生摆脱学习思考困境,提高化学核心素养,能够提高学生的知识迁移和应用能力。

  关键词:化学选考;电极方程式;铅蓄电池;思维建模

电池工业

  一、问题的提出

  浙江省新高考改革后,化学选考试题对学生的能力要求越来越高,通过分析浙江省新高考历年化学选考试题真题,不难看出,电极方程式的书写,是选考的一大热点,也是难点,大部分的学生对电极方程式书写感到困惑,因此,对电极方程式书写进行建模有很大的必要,思维建模能够帮助学生摆脱学习思考困境[1],在高三化学复习课中,运用思维建模,帮助学生构建知识体系,能够提高学生的知识迁移和应用能力。

  二、分析电化学电极方程式书写思维建模的意义

  电极方程式思维建模,是对高考电化学知识的自我思维构建,是在原有知识的基础上,进一步将方法和知识内化[2],建一个让学生能看得懂的电化学思维模型,对解决电化学方程式书写问题至关重要,学生只有学会了书写电极方程式,才能更深层次理解电解池、原电池的含义,才能从“面”的角度全方位把握好电化学知识,一个典型的电化学思维建模,首先要理解电化学原理,两个电极分别发生何种电极反应,物质变化是什么,即谁变成了谁,发生了氧化反应还是还原反应;其次要有“守恒”思想,“守恒”思想是指元素守恒、电荷守恒、化合价升降守恒,“守恒”思想是准确书写电极方程式不可缺少的环节;再次要有“环境”意识,“环境”意识是指电解池、原电池中电解质所处的环境,“环境”意识要和电荷守恒思想紧密结合,不同的“环境”用来平衡电荷的离子不同,如酸性环境一般用H+平衡电荷,而不能用OH-,而碱性条件一般用OH-平衡电荷,而不能用H+。

  以教材中铅蓄电池为例进行思维建模铅蓄电池是常用的可充电电池,其优点是放电时电动势较稳定,缺点是比能量(单位重量所蓄电能)小,对环境腐蚀性强。铅蓄电池的工作电压平稳、使用温度及使用电流范围宽、能充放电数百个循环、贮存性能好(尤其适于干式荷电贮存)、造价较低,因而应用广泛。目前最常见还是使用在汽车、摩托车发动之上。接下来从铅蓄电池充电放电两个角度讲述电极方程式书写思维建模的步骤。

  铅蓄电池放电时,电化学原理为原电池原理,以铅蓄电池放电时正极的电极方程式为例掌握建模步骤,首先要明白正极物质之间的变化,即正极是谁变为谁,紧扣原电池的反应原理,正极得到电子,化合价降低PbO2变为了PbSO4;其次利用电解质所处的酸性环境使电荷平衡,平衡电荷用H+;再次使左右两边元素守恒。序号代表的含义为:①写出正极物质的变化;②写出由物质变化引起的电子得失;③根据电解质的化学环境,用H+平衡电荷;④使左右两边元素守恒,在右边补充H2O,这样一个完整的电极方程式建模就完成了。是一个简单建模的过程。再如书写铅蓄电池充电时阳极的电极方程式,按思维建模步骤①写出阳极物质的变化,PbSO4变为PbO2;②写出由物质变化引起的电子得失;③根据电解质的化学环境,用H+平衡电荷;④使左右两边元素守恒,在左边补充H2O。

  简而言之,无论是原电池还是电解池,电极方程式书写思维建模的步骤可归纳为:列物质变化,标电子得失,有“环境”意识,使电荷守恒,再元素守恒。迁移应用典例1(2017年4月浙江省选考)据文献报道,CO2可以在碱性水溶液中电解生成甲烷,生成甲烷的电极反应式是。分析:①要明白物质之间的变化,CO2变为了CH4;②标明电子得失,碳元素由+4价变为-4价,得到8e-;③利用电解质所处碱性环境使电荷平衡,平衡电荷用OH-;④使左右两边元素守恒。故电极方程式为CO2+6H2O+8e−===8OH-+CH4.典例2(2017年11月浙江省选考)科学家发现,以H2O和N2为原料,熔融NaOH-KOH为电解质,纳米Fe2O3作催化剂,在250℃和常压下可实现电化学合成氨。阴极区发生的变化可视为按两步进行,请补充完整。

  电极反应式:2Fe+3H2O+N2=Fe2O3+2NH3。分析:本题纳米Fe2O3作催化剂,据催化剂在化学反应中的特点,联系题意,故①物质变化,Fe2O3变为了Fe;②标明电子得失,铁元素由+3价变为0价,两个铁得到6e-;③电解质为熔融NaOH-KOH,平衡电荷用OH-;④使左右两边元素守恒。故电极方程式为Fe2O3+6e-+3H2O==2Fe+6OH-。典例3(2018年11月浙江省选考)高铁酸钾(K2FeO4)可用作水处理剂。某同学通过“化学-电解法”探究的合成。

  接通电源,调节电压,将一定量Cl2通入KOH溶液,然后滴入含Fe3+的溶液,控制温度,可制得K2FeO4。请写出阳极的电极反应式(含FeO42-)。分析:据题意,①阳极物质变化为,Fe3+变为了FeO42-;②标明电子得失,铁元素由+3价变为+6价,失去6e-;③阳极为KOH溶液,平衡电荷用OH-;④使左右两边元素守恒。故电极方程式为Fe3++8OH--3e-==FeO42-+4H2O。典例4(2019年4月浙江省选考)以铂阳极和石墨阴极设计电解池,通过电解NH4HSO4溶液产生(NH4)2S2O8,再与水反应得到H2O2,其中生成的NH4HSO4可以循环使用。

  分析:据题意,阳极物质变化为,SO42-变为了S2O82-,硫元素化合价升高,共失去2e-,故阳极的电极反应式为2SO42--2e-==S2O82-。建模反思化学学习是思维不断建模的的过程,要跳出繁琐的知识,就必须思维建模,形成最本质、最核心的东西,本文回归课本,以铅蓄电池为例进行思维建模,使知识和方法进一步内化,将电化学思维建模方法有机的渗透到化学知识的学习中,可有效摆脱学习困境,提高化学核心素养。

  参考文献

  [1]王滋旻.改进化学建模教学,优化学生思维品质.中学化学教学参考,2014(4):11-13.

  [2]韩殿君.建模思维:突破化学学习困境的良方.教研,2018(17):88.

  作者:黄雄

  电池论文投稿刊物:《电池工业》双月刊是经国家科学技术部批准的科技类专业刊物,中国电池工业协会会刊,国内外公开发行。由国家轻工业联合会主管,中国电池工业协会,轻工业化学电源研究所主办。