摘要：以“化學電源”發(fā)展史為課堂教學素材，遵循課堂教學的科學發(fā)展觀，從能量與物質(zhì)變化兩個層面品味、解讀各時期經(jīng)典化學電源，分析、比較各時期化學電源的工作原理和特征，螺旋式認識原電池工作原理，提出突破原電池工作原理的教學難點、重點的策略和建議。
　　關鍵詞：化學電源；發(fā)展史；原電池原理；螺旋式
　　文章編號：1005–6629（2016）12–0085–05 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B
　　許多學者[1、2、3]從不同視角對原電池工作原理以及課堂教學設計作了細致的研究，對教師準確把握有關原電池的教學起到很大作用。本文試以“化學電源”的發(fā)展史為素材，遵循和挖掘化學史中所體現(xiàn)的科學發(fā)展規(guī)律，采用《物理化學》[4]中有關熱力學電極電位等相關理論，對原電池原理做出全面解讀（有關物理化學理論和計算，都出自該文獻），理解“螺旋式上升”教材的編寫理念及有關教學策略、設計的初衷[5]，以饋讀者。
　　1 伏打電堆與Daniell電池
　　教學建議：讓學生依據(jù)伏打電堆工作實景畫出等效電路圖，如圖1（c）。
　　教學意義：許多學生開始對原電池的認識只停留在電流表指針會偏轉這一“奇特”的現(xiàn)象上，教學中，教師引導學生通過畫出等效電路圖，可讓學生深刻體會：原電池實際上就是一種電源裝置。
　　比較伏打電堆與Zn|H2SO4|Cu所組成的單液電池發(fā)現(xiàn)：前者裝置中并不存在一個顯而易見的自發(fā)的氧化還原反應，而后者很容易得出裝置中發(fā)生氧化還原反應是發(fā)生原電池反應前提的結論。
　　教學建議：與其先引入Zn|H2SO4|Cu所組成的單液電池有關實驗，不如先展示伏打電堆這一最早的原電池，以避免學生產(chǎn)生電極必須參與反應的錯誤認知。
　　1.2 Daniell（丹尼爾）電池
　　科學家Daniell在1836年采用鹽橋將兩種電解質(zhì)溶液連通起來的裝置，解決了H+與金屬Zn接觸而發(fā)生反應的問題。鹽橋中的陰、陽離子的遷移速率幾乎相同，如K+和Cl-的遷移率非常接近，當鹽橋插入到濃度不大的兩電解質(zhì)溶液之間的界面時，K+和Cl-向外擴散是接界面上離子擴散的主流，從而消除液接電位。
　　教學困惑：電解質(zhì)溶液中的離子會進入鹽橋嗎——由于鹽橋中的離子濃度很高，電化學反應中電解質(zhì)溶液不會進入鹽橋；若電解質(zhì)是AgNO3溶液時，則不能使用KCl鹽橋，而應使用NH4NO3鹽橋，其道理一樣——NH4+和NO3-的遷移速率也非常接近。
　　隨著Daniell電池反應的進行，溶液中的c（Zn2+）升高，c（Cu2+）降低，在非標態(tài)下的E（Zn2+/Zn）變正，E（Cu2+/Cu）變負，最終E（Zn2+/Zn）=E（Cu2+/Cu），電流表指針歸零。
　　此時，若在電池的ZnSO4溶液中繼續(xù)加適量的固體ZnSO4溶解，在CuSO4溶液中加水稀釋，則c（Zn2+）升高，c（Cu2+）降低，則將發(fā)生Cu|Cu2+電極失去電子，而Zn|Zn2+電極得到電子，發(fā)生的電極反應與Daniell電池反應剛好相反，其總反應為：Cu（s）+Zn2+（aq）=Zn（s）+Cu2+（aq）——是一個非自發(fā)的氧化還原反應。
　　對于Zn（s）+Cu2+（aq）=Zn2+（aq）+Cu（s）而言，該反應是放熱反應，化學能轉化為電能易于理解，但對于相反的過程，其電能又是如何產(chǎn)生的？
　　邢瑞斌等[7]在“能設計成原電池的反應一定是放熱反應嗎”一文中很好地回答了這一問題，認為放熱反應不是發(fā)生原電池反應的必要條件，原電池反應是吸熱反應時，完全可以理解成電池反應過程中吸收環(huán)境中提供的熱量（開放體系的化學電池），認為原電池反應必須是放熱反應是建立在孤立體系的前提下的，實際上，反應體系往往與外界有能量和物質(zhì)的交換，相關案例不再贅述。
　　教學建議：對學生的學習過程，何嘗不是如此？螺旋式上升的學習過程，對知識漸進感悟的過程是客觀事實，一步到位的教學思想不可取。
　　2 采用《物理化學》中相關理論準確認識原電池工作原理
　　2.1 金屬在鹽溶液中的“溶解-沉積”平衡和雙電層理論
　　金屬在水溶液中存在著金屬的“溶解-沉積”過程，金屬與其一定濃度的鹽溶液會形成一種動態(tài)平衡，金屬越活潑（如金屬Zn），越容易失去電子，Zn2+進入溶液的傾向越大，進入溶液的Zn2+受晶體負電荷的吸引，聚集到金屬表面附近，形成一個正電荷層，與晶體上的負電荷層形成雙電層，如圖2（a）、（c），在正負電層之間產(chǎn)生了一定的電位差，金屬銅也一樣，只是產(chǎn)生的電位方向相反，如圖2（b）。
　　教學建議：教師設問——Zn分別與Zn、Fe、石墨能否構成原電池，指針是否偏轉？若把稀硫酸改成食鹽水，電流表指針會偏轉嗎？
　　這樣的設問可避免帶來一個問題：學生原以為形成原電池需要兩個電極材料不同的電極，給后續(xù)的教學帶來不必要的負擔——如蘇教版《化學2》中在第42頁就介紹了使用相同的電極（石墨）所組成的氫氧燃料電池。因此在教學中，不過分強調(diào)電極不同是發(fā)生原電池的必要條件是明智的。
　　教學意義：不同電極在不同的電解質(zhì)溶液的電極電位不一樣，因此“電源”的電動勢也不一樣；兩個完全相同的金屬電極在相同的電解質(zhì)溶液中，不能形成電勢差；若兩電極的金屬材料一樣，而電解質(zhì)溶液不相同，則還能形成電勢差。那種形成原電池必須是兩個不同材料的電極的觀點是不恰當?shù)摹?p style="margin-bottom:10px">相關熱詞搜索：發(fā)展史 品味 原理 電源 化學