Zn-Cu原电池中有只“食蚁兽”

来源:用户上传      作者:任圣颖

　　摘要：基于接触电势理论，构建了“金属分子”模型，用以解释Zn-Cu 原电池何以引发的问题，同时利用食蚁兽这一动物形象帮助学生强化“电子转移”作为分析Zn-Cu原电池的起点。
　　关键词：接触电势；Zn-Cu原电池；微观探析
　　文章编号：1008-0546（2023）03-0053-03 中图分类号：G632.41 文献标识码：B
　　doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2023.03.012
　　一、问题的提出
　　化学是基于实验研究物质的组成、性质、结构与变化规律的科学。当实验现象与已有的化学认知存在较大差异的时候，通常会引起人们基于实验现象的微观探析基础之上的进一步微观探析。例如“炼铁高炉尾气之谜”，高炉尾气中总是出现没有利用的CO，正是经过科学家进一步的微观探析，才发现碳和二氧化碳生成一氧化碳的反应是可逆反应这一事实，从而解决了长达两个世纪的困惑。[1]
　　原电池原理是中学化学体系中最重要的基础理论之一，是化学教学中的重难点。Zn-Cu原电池是高中生最先接触到的原电池，多数教学设计从实验现象出发，推出正负极反应，进而指出该电池反应实质上为氧化还原反应。然而，即使能够从实验现象建立原电池的“氧化还原反应模型”，类似于“炼铁高炉尾气之谜”，学生还是会被一个问题所困扰：Zn-Cu原电池为什么会发生这样的反应？需要注意的是，这个问题并不是在问“Zn-Cu 原电池发生了怎样的反应？”，而是在问：Zn-Cu原电池为什么以这样“反常”的形式发生反应？
　　学生的这个问题是由于Zn-Cu 原电池实验现象和学生已有的Zn 与稀硫酸反应认知存在着巨大的差异造成的。这种认知差异主要来自于两方面：第一， Cu 片上有 H2生成；第二，Zn-Cu原电池的氧化反应和还原反应在“不同的区域”发生。学生这两方面的认知差异，本质原因是一样的，只要能解释电子“为什么”从 Zn 片转移到 Cu 片上，就可以消除以上认知差异。遗憾的是，有关高一Zn-Cu原电池教学，还没有文献报导该如何处理这一问题。现有的教学设计仅仅是从电流表指针发生了偏转告诉学生Zn-Cu原电池“发生了”电子的转移。因此在Zn-Cu原电池教学中，有两个问题急需解决：其一，找到一种高一学生可以接受的，能够解释电子“为什么”从Zn片转移到Cu片上问题的方法；其二，在此基础上，找到强化“电子从Zn 片转移到Cu片上”思维的方法，以辅助理解第一个问题。
　　二、接触电势在 Zn-Cu原电池工作原理上的应用
　　学生有关 Zn-Cu 原电池“为什么以这种形式发生”的问题，实质是Zn-Cu原电池的引发问题。如果想要解决这个问题，有必要从双电层理论和接触电势理论来对此问题加以说明。[2]虽然已经有教师将这两个理论应用在高三复习课中，[3]但考虑到高一同学的可接受性，本文尝试基于较易接受的接触电势理论，构建“金属分子”模型解释 Zn-Cu 原电池的引发问题。另外，虽然学生认知差异的两个方面本质是一样的，但是氧化反应和还原反应在“不同的区域”反应，会在学生的思维上造成障碍。因此，在教学设计中，也应将氧化反应和还原反应分别在两极反应的距离考虑进来。
　　1.接触电势理论
　　不同的金属相互接触时，由于电子逸出功不同，相互逸入的电子数目不同，在接触界面上电子分布不均颍由此而产生的电势差叫做接触电势。[2]逸出电子多的一侧带正电，逸出电子少的一侧带负电。当Zn和 Cu两种金属接触时，由于Zn 的电子逸出功小于Cu 的逸出功，Zn 因逸出较多电子带正电，Cu 因逸入较多电子带负电。接触电势是引发原电池反应的因素之一。[2]
　　2.接触电势理论引入教学中的方法
　　将接触电势引入Zn-Cu原电池的教学中，一方面要考虑高一学生的可接受性，另一方面又要考虑到氧化反应和还原反应在不同区域进行引起的思维障碍问题。在教学实践中，我们可以利用两种思想来解决以上两方面的问题。其一，利用极性共价键知识引入简化的接触电势知识点，以解释电子为什么发生转移；其二，利用思想实验将Zn片、Cu片、导线自由地缩小或扩大，以解决距离上的思维障碍。如图1所示，首先，利用极限思想将 Zn 片、Cu 片、导线简化为 Zn 原子、Cu原子、原子尺寸的导线，将“Zn原子+导线+Cu原子”想象为一个“Zn-Cu金属分子”。然后利用金属还原性强弱的本质引入“金属分子”的“极性”。金属还原性越强，金属的失电子能力就越强，而失电子能力的强弱和金属原子的原子核（带正电）的吸引力有关。当两种不同还原性金属相接触时，还原性较弱的金属原子核会将还原性较强金属的外层电子吸向自己的一边。这样就会导致还原性强的金属带少量正电、还原性弱的金属带少量负电。因此当Zn 原子与 Cu原子通过原子尺寸导线相连时，还原性较弱的 Cu 原子将Zn 上的电子吸向自己的一边带少量负电，而还原性较强的Zn 原子因失去部分电子带少量正电。这种情况下，“Zn-Cu金属分子”类似于极性分子 HCl 的“极性”，高一学生已经具备形成极性共价键原因的知识，因此这种解释并不难理解。
　　“Zn-Cu金属分子”中，Zn原子带少量正电，根据相同电荷相斥原理，H+是不能接触到Zn 电极表面的，因此，理想状态下，Zn原子不会与稀硫酸发生置换反应；而Cu原子带负电，会吸引带正电的H+至其表面得到电子而生成氢气（2H++2e-=H2↑）。 H+得2e-的同时，Zn原子变成Zn2+释放到溶液中（Zn-2e-= Zn2+）。如此，Zn-Cu原电池工作“为什么以这种形式发生”问题就得到了解决。接下来将导线拉长，将Zn原子、Cu原子还原为Zn片、Cu片，就可以将“ Zn-Cu金属分子”转化为Zn-Cu原电池。如图2所示。
　　将导线内化为类似化学键大小，进而进行动态伸缩调节Zn、Cu 电极的距离，有利于学生跨越原电池的氧化反应和还原反应在“不同的区域”反应的思维障碍，使学生深刻体会H+从Cu片上间接得到电子。

　　3. Zn-Cu原电池中Cu 电极的作用再思考
　　令人感到意外的是，在高二的氢氧燃料电池的教学中，一般不会遇到学生提出“为什么以这样的形式发生”的问题。这一方面是因为学生已有的认知与氢氧燃料电池不会有很大的差异，另一方面，是因为教材中已经明确叙述了氢氧燃料电池为什么以这种形式发生反应（即氢氧燃料电池的引发）：在负极室通入 H2，H2在 Pt 的催化下分解为 H，H失去电子成为 H+进入电解质溶液。在正极室通入 O2，经过 Pt催化，O2得到电子生成 H2O。[1] Pt 电极作为一种催化剂将 H2分解为H+原子和电子（电子均匀分布，转移至正极）是理解氢氧燃料电池何以引发的关键。
　　在Zn-Cu原电池的教学中，Cu 电极的作用通常被描述为“仅仅作为一种导体”。然而，在构成原池的条件时，我们又在强调，构成原电池的条件之一就是要有两个活泼性不同的金属。那么，活泼性较弱的金属 Cu在Zn-Cu原电池中的作用到底是什么呢？从宏观上看，Cu 片没有发生反应，Cu 片的作用仅仅是传递电子。但是，从微观上来看，Cu 片是Zn能够转移电子的首要条件。因此，Cu 的作用类似于Pt催化剂，使Zn 原子解离为锌离子和电子，进而发生电子的转移。
　　4. Zn-Cu原电池中的“食蚁兽”
　　从以上分析我们可以看出，Zn-Cu原电池的教学的起点应该是“电子从Zn片转移到Cu片上”。如何才能强化“电子发生转移”这一思维呢？也就是，如何才能达到让学生一看到Zn-Cu原电池立即就会想到电子发生转移，进而引发原电池反应这一原理呢？
　　根据教学经验，本文建议利用食蚁兽的生物学特点来强化这一思维。食蚁兽憨态可掬，其长长的舌头令人印象深刻、过目不忘。如果把食蚁兽比作Cu 片，那么伸长的舌头就是向Zn 片这个“蚂蚁窝”取食“电子”的导线，如图3所示。由于化学课堂中极少会出现动物的类比，因此只要告诉学生：Zn-Cu 原电池中有只“食蚁兽”，学生一般都会记忆极为深刻。
　　5. Zn-Cu原电池中教学建议
　　基于以上论述，本文建议实施引导学生建立“宏观→微观→微观之微观→宏观”的思维过程的教学，如表1所示。首先从实验的宏观现象出发，进行微观探析，让学生知道“发生了什么”；然后利用 H2产生的位置这一认知矛盾，解释电子为什么会发生转移，并利用“食蚁兽”强化记忆。最后又回到宏观现象，虽然从宏观现象出发又回到了宏观现象，但学生的理解水平已经提高了一个层次。
　　需要注意的是，虽然Zn-Cu原电池的教学是从宏观现象开始的，但是如前所述，在学生将Zn-Cu原电池知识完整掌握后，以后遇到 Zn-Cu 或类似的原电池，分析的起点应该是“电子的转移”，也就是“食蚁兽”所强化的内容。“食蚁兽”的强化必须建立在解决电子“为什么”从Zn 片转移到 Cu 片上去，否则就会变成机械的记忆。
　　三、结语
　　化学实验现象不仅仅能告诉学生发生了什么（微观探析），当实验现象与已有的认知存在巨大差异时，还会诱导学生在“微观探析”基础之上，进一步的“微观探析”。这种“诱导”体现出了学生求知的需求，化学课堂有义务满足学生的这种需求。因此，在Zn-Cu原电池的教学过程中，有必要解决Zn-Cu原电池的引发问题。本文基于接触电势理论，同时利用吃电子的“食蚁兽”强化了“电子转移”这一Zn-Cu原电池分析的起点，有效地满足了学生的这种需要，赋予了学生分析、理解类似原电池的能力。
　　参考文献
　　[1]人民教育出版社，课程教材研究所，化学课程教材研究开发中心.普通高中教科书・化学（第二册）[M].北京：人民教育出版社，2019.
　　[2]傅献彩，沈文霞，姚天扬，等.物理化学[M].北京：高等教育出版社，2006.
　　[3]罗一芳，吴文中.建立学科本质认知模型深刻体验原电池工作原理[J].中学化学教学参考，2019（1）：25-28.


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