培养学生模型认知核心素养的教学实践研究

摘

要：模型认知是在深入学习和探索化学问题时，逐步培养起来的一种系统性思维方法。在氧化还原方程式配平的学习过程中，部分学生存在一些理解上的誤区，无法准确描述电子得失的过程，这主要源于对氧化还原方程式中电子转移守恒理解不够深入。通过详细解析“双线桥”配平氧化还原方程式的步骤，可以构建一个系统化的氧化还原方程式配平认知模型。同时，这个模型也可适用于特殊情况的修正，并可扩展应用于电极方程式的书写，从而进一步提升学生的模型认知素养。关键词：模型认知;氧化还原方程式;电极方程式;核心素养一、氧化还原方程式配平的模型构建氧化还原反应的本质特征是电子转移守恒，在模型构建的过程中要始终抓住这一点，以更好地帮助学生理解氧化还原方程式的配平过程。以+Cl→Cl2+2↑配平为例，教师可以把氧化还原方程式配平全过程分解成六个步骤，构建氧化还原方程式配平模型。第一步：标出反应物和生成物中化合价有变化的元素价态。标价态时，教师只需要标出化合价有变化的元素，化合价没有变化的元素不需要标出。+Cl→Cl2+2↑第二步：画出双线桥。把反应物和生成物中同一元素的不同价态用线桥连接起来。具体而言，用一条线桥连接0价和+2价的锌元素，用另一条线桥连接+1价和0价的氢元素。[+Cl→Cl2+2↑]第三步：选变价物质，计算1mol变价物质得失电子数目。每一条线桥连接一个反应物和一个生成物，选择其中一个物质，计算1mol该物质得到或失去电子数目。计算的方法是用该线桥变价元素（高价态-低价态）×变价原子个数，计算结果写在选定物质正下方。在线桥上标出1mol变价物质得到或失去电子数目。锌元素线桥失去2mole-，氢元素线桥得到2mole-。[（+1-0）×2=2][（+2-0）×1=2][失去2e-][+Cl→Cl2+2↑][得到2e-]第四步：求出两条线桥上得到和失去电子数目的最小公倍数。两条线桥上得到和失去电子数目都是2，最小公倍数也是2，即转移的电子总数守恒。“×”后面的1，分别是Zn和H2的系数。将每条线桥上“×”后面的数写在选定物质前，作为选定物质的系数。[（+1-0）×2=2][（+2-0）×1=2][失去2e-×1][+Cl→Cl2+12↑][得到2e-×1]第五步：根据原子守恒，仔细观察反应前后各元素原子个数，配平其他物质系数。根据原子守恒，HCl的系数应该配成2，ZnCl2的系数配成1。+2Cl=Cl2+12↑第六步：检查化学方程式，确保方程式正确。配平中没有使用到的元素，要检查其左右两边原子个数是否相等。本例中用氯原子来检查，左右各为2个氯原子，“=”左右的各元素原子个数是相等的，说明配平是正确的。氧化还原化学方程式配平的难点和关键在第三、四两个步骤。第三步中，计算电子得失数目前一定要明确是选择线桥连接的哪个物质来计算，这决定了第四步中求出的最小公倍数“×”后面的数字写在该物质前面，即“×”后面的数字是所选取物质的系数。在第三步中，计算1mol变价物质得失电子数目特意写在选取物质的正下方，就是为了避免第四步中“×”后面的数字写错位置。二、氧化还原方程式配平的模型修正针对复杂氧化还原方程式的配平，难点还是在于第三步，如何选取变价物质，可以把上述模型进一步修正。（一）归中反应可以采用正向配平法归中反应中同一元素的不同价态之间发生反应得到同一价态的生成物，可以采用正向配平法。正向配平法是指两条线桥都要选择反应物来计算电子得失，不能选择生成物，如H2+O2→H2O+。本例中H2→，O2→，只能选取反应物H2S和SO2，而不能选择S来计算电子得失。“×”后面的数应写在反应物H2S和SO2的前面做系数。其余物质系数根据原子守恒配平，可得到正确的方程2H2+1O2=2H2O+3。[（+4-0）×1=4][（+2-0）×1=2][2H2+1O2→H2O+][失去2e-×2][得到4e-×1]其余物质系数根据原子守恒配平，可得到正确的方程2H2+1O2→H2O+。（二）歧化反应和部分氧化还原反应可采用逆向配平法歧化反应同一元素部分价态升高，部分价态降低，可以采用逆向配平法。逆向配平法是指两条线桥都要选择生成物来计算电子得失，不能选择反应物。如2+OH→O3++H2O本例中2→O3，2→，只能选取生成物ClO3和Cl而不能选择Cl2来计算电子得失。“×”后面的数应写在生成物ClO3和Cl的前面做系数。其余物质系数根据原子守恒，电荷守恒配平，可得到正确的方程32+6OH=1O3+5+3H2O。部分氧化还原反应中，某些元素一部分价态变化，另一部分价态不变，也要采用逆向配平法。如+HO3→（O3）2+O↑+H2O，在配平过程中，氮元素的线桥中要选择NO，计算1molNO得到的电子数，不能选择HNO3计算。[[0-（-1）]×1=1][（+5-0）×1=5][得到1e-×5][2+OH→1O3+5+H2O][失去5e-×1]（三）整体归一法某些氧化还原反应中有两种以上的价态变化，其中一种物质中有多种元素价态发生变化，用常规的双线桥模型已经配不平该方程，需要把有多种价态变化的物质作为一个整体计算电子得失数目。例如2+2→23+2。本例中共有三种价态变化，→，→，→，其中FeS2含有二种价态变化→，→，在配平过程中要选择FeS2，计算1molFeS2失去的电子总数，O2的价态变化只有一种，但O2的降价产物有2种，需要计算1molO2得到的电子总数。[[0-（-2）]×2=4][[+3-2+（+4-（-1））×2]=11][失去11e-×4][2+112→23+2][得到4e-×11]整体归一法模型修正是要选择含多种价态变化的物质做为一个整体来计算1mol该物质得到或失去电子的总数。某物质元素只有一种价态变化但有多种产物的情况，也需要选择该物质来计算1mol该物质得到或失去电子的总数，而不是把价态升高（或降低）的元素价态加起来计算电子总数。三、综合应用各种修正模型一些有更加复杂化合价变化的氧化还原反应，需要综合应用上述方法。例如：[（+5-0）=5][[（+2-1）×3+0-（-3）]=6][得6e-×5][（SO4）++H2O→3+H2SO4+6H3O4][失5e-×6]本例中应用了整体归一法和逆向配平法。计算1mol3和1molH3O4得失电子总数，其他物质系数用观察法配平。15（SO4）+11+24H2O=53+6H3O4+15H2SO4上述复杂氧化还原方程式的模型构建可以继续再修正，进一步提升学生模型认知核心素养。以H2+O2→H2O+配平法为例。[+4-0=4][[0-（-2）]=2][失2e-×2][2H2+O2→H2O++1][得4e-×1]把归中反应不同价态反应物得到的同一价态产物拆开写成两部分，可以区分同一元素不同价态变化得到的氧化产物和还原产物，再用观察法配平其他系数，进一步提升学生的模型构建能力。2H2+O2=2H2O+2+1即2H2+1O2=2H2O+3四、氧化还原方程式配平的模型应用（一）原电池电极方程式书写以（-）Zn│HCl│Cu（+）原电池为例，电池总反应为：1Zn+2Cl=Cl2+1H2↑，离子方程式为：Zn+2H+=Zn2++H2↑。雙线桥表示如下：[1+2+=2++12↑][失去2e-][得到2e-]原电池装置把氧化还原反应分开在两个电极分别进行氧化反应和还原反应，在两个电极反应中得到的电子总数和失去的电子总数仍然相等，遵循电子守恒规律。负极反应物化合价升高，发生氧化反应，负极电极方程式为：Zn-2e-=Zn2+。正极反应物化合价降低，发生还原反应，方程式为：2H++2e-=H2↑。氧化还原方程式的两条线桥分别对应着负极和正极的电极方程式。对复杂一些的原电池装置，也可以用配平模型直接书写正负极电极方程式。例如碱性甲烷燃料电池的负极电极方程式书写。甲烷在负极上发生反应，碱性环境中CH4→CO32-。应用模型配平过程如下：负极：H4→O32-。化合价升高+4-（-4）=8价，1molCH4失去8mole-，H4-8e-→O32-。根据电荷守恒，左边8个正电荷，右边2个负电荷，在碱性环境中，左边应该加10个OH。再根据H、O原子守恒，配平其他物质系数。H4-8e-+10OH=O32-+7H2O（二）电解池电极方程式书写铅蓄电池：（-）Pb│H2SO4│PbO2（+）二次电池，电池总反应方程式为：Pb+PbO2+2H2SO4[放电充电]2PbSO4+2H2O放电过程是原电池反应，充电过程是电解池反应，用双线桥画出电子得失。[失去2e-][得到2e-][+O2+2H2SO4[放电充电]2SO4+2H2O]写充电的电极方程式，要从右往左看，反应物在右边，生成物在左边。电解池中阳极反应失电子，阴极反应的电子。阴极：PbSO4+2e-→Pb，补齐原子和电荷，就可以得出正确的电极方程式。阴极：PbSO4+2e-=Pb+SO42-。阳极的电极方程式可以采用同样的