基于“随机进入教学”的得失电子守恒规律的应用

来源:用户上传      作者:

　　[摘   要]基于“随机进入教学”思想，从得失电子守恒规律的基本认识与应用、在具有“中间态”的反应体系中的应用、在多氧化还原反应体系中的应用等层次和角度，设计与解决高中氧化还原反应相关问题，引导学生“随机进入”，促其实现对氧化还原反应中得失电子守恒规律的深度学习，建立变化与守恒观念，培养核心素养。
　　[关键词]随机进入教学;得失电子守恒;氧化还原反应
　　[中图分类号]   G633.8        [文献标识码]   A        [文章编号]   1674-6058（2019）14-0067-04
　　“随机进入教学”又称随机通达教学，是基于认知灵活性理论的一种教学模式。20世纪90年代，美国学者斯皮罗等人提出认知灵活性理论。认知灵活性，是指通过多种方式，并从不同的角度来重建自己的知识，从而能够对变化的情境领域做出适当反应[1]。由于概念知识本身内在的复杂性、概念事实之间错综复杂的联系性、概念知识与实例之间的差异性，想要对事物的概念有全面深刻的理解是很困难的。处于认知发展阶段的学生，往往以单一的视角看待事物，对事物及其所处环境的认识并不全面，对事物的认识大多是不成熟、不完善的，有时对事物的片面认识甚至会导致错误的认知。基于认知灵活性理论的随机进入教学，强调针对同一内容多次进入，从不同角度实现对知识的意义建构，让学生认识到知识的不同侧面，不断地更新、完善学生已有的认知结构，从而能够让学生针对变化的情境提出适宜的问题解决策略，最终实现对该内容的深度学习[2]。
　　氧化还原反应是高中化学的核心知识，该部分内容的学习对于学生认识化学反应规律有重要意义。氧化还原反应的本质是电子的得失或共用电子对的偏移，在氧化还原反应中，氧化剂得到的电子总数与还原剂失去的电子总数相等，即得失电子守恒。“得失电子守恒”是学生认识、分析与解决氧化还原反应相关问题的重要思维模型，是培养学生“变化观念与平衡思想”以及“证据推理与模型认知”化學学科核心素养的重要载体。因此，如何通过变化的问题设计，引导学生多角度、多层次地认识氧化还原反应中“得失电子守恒”，逐步牢固建立与灵活运用得失电子守恒规律是氧化还原反应教学中的重要问题。
　　通过对历年考题的分析发现，“得失电子守恒”也是高考考查氧化还原反应相关问题的一个重点。例如，氧化还原反应中物质的化合价、氧化剂与还原剂的化学计量数之比，以及在多个反应存在的复杂反应体系中有关物质的量的计算等考查内容均涉及对得失电子守恒规律的深入认识与灵活运用。结合课程标准要求与高考相关问题的分析，设计三层次氧化还原反应相关问题，引导学生从多角度“随机进入”，从而实现对氧化还原反应中得失电子守恒规律的深度学习。
　　一、得失电子守恒规律的基本认识与应用
　　氧化还原反应中还原剂失去的电子总数等于氧化剂得到的电子总数，等于电子转移总数。通常也可以理解为氧化剂化合价降低总数与还原剂化合价升高总数相等，可用下列等式表示：
　　n（氧化剂）×（变价原子个数）×（化合价变化数）= n（还原剂）×（变价原子个数）×（化合价变化数），其中n代表参加反应的氧化剂或还原剂的物质的量。
　　创设问题情境，给出氧化剂、还原剂、氧化产物、还原产物中任意三种物质化合价、化学计量数等相关条件，就可以求得另外一种物质的化合价或者化学计量数等。这类问题用于考查与训练学生对得失电子守恒规律的基本认识与应用。
　　解析：得失电子守恒规律首先是指氧化剂、还原剂、氧化产物、还原产物之间的得失电子守恒。而这四类物质在反应前后均有元素化合价的变化，因此得失电子守恒又指有化合价变化的元素之间的守恒。该问题中，氧化剂为[SO2]，其中[S]的化合价为+4价;还原剂为[Na2S]，其中[S]的化合价为-2价。氧化产物和还原产物均为[Na2S2O3]，其中[S]的化合价为+2价，根据得失电子守恒，则有[n（SO2）×（4-2）=n（Na2S）×[2-（-2）]]，可以得出氧化剂与还原剂的比值为2∶1，答案为A。
　　例1中通过已知的氧化剂或还原剂反应前后核心元素化合价的变化，运用得失电子守恒规律，可以求得物质的化学计量数之比，因此得失电子守恒规律也是对氧化还原反应方程式进行配平的基本方法之一。同时，此问题也可让学生意识到不仅不同种元素间存在着得失电子守恒，同种元素不同化合价间也存在着变化守恒。例2可使学生认识到，得失电子守恒规律的适用范围不局限于反应方程式的配平，通过已知氧化剂、还原剂、氧化产物的化合价以及参加反应的物质的量，运用得失电子守恒规律，还可求得还原产物中元素的化合价。事实上，根据氧化剂化合价降低总数等于还原剂化合价升高总数，还可以求得参加反应的氧化剂或还原剂的质量或物质的量等。
　　二、得失电子守恒规律在具有“中间态”的反应体系中的应用
　　对于有多个反应存在的反应体系来说，存在初始物质被还原（被氧化）生成中间价态物质，并且在经历了不同的反应过程之后，中间价态物质又全部被氧化（被还原）变成原来初始物质的反应过程。纵观这两个反应过程，初始状态和最终状态下物质的化合价并没有发生变化，但这两个反应过程中同样存在得失电子守恒。这就需要学生在单一氧化还原反应得失电子守恒的基础上，在多个反应的联系中建立得失电子守恒的观念。
　　取已加过一定量[CaO2·8H2O]的池塘水样100.00 mL，按上述方法测定水中溶解氧量，消耗0.01000 mol· [ L-1][  Na2S2O3]标准溶液13.50 mL。计算该水样中的溶解氧（用[mg·L-1]表示）。
　　解析：学生在解答这类问题时，通常要先写出每个反应的反应方程式，再根据各个反应间的关系，建立起关系式。根据题意可知，在该反应体系中存在以下几个反应： 　　根据反应方程式可建立关系式：
　　通过建立的关系式可求得氧气的物质的量。但是运用这种方法解答该类问题时，学生要能够准确写出反应方程式（配平复杂），梳理反应物与生成物的关系，建立关系式，然后再逐步求解。该解决问题的过程较为复杂，容易出错。
　　例3和例4设计了有中间态存在的问题情境。例3是对具有多个中间态过程的得失电子守恒规律的考查。通过参加反应的中间态物质在两个反应过程中的变化与守恒，即元素化合价变化守恒以及参加反应的物质的量守恒，来认识反应体系中的得失电子守恒规律。例4是在例3的基础上的进一步提升。当反应体系中，中间态物质无法确定，并且中间态物质涉及的反应过程复杂多样时，运用得失电子守恒规律能够独辟蹊径，把握问题实质，快速有效地解决复杂的氧化还原问题，并逐步建立解决这类问题的思维模型。
　　三、得失电子守恒规律在多氧化还原反应体系中的应用
　　当反应体系中存在着多个可能进行的氧化还原反应时，存在比较复杂的竞争关系和反应量的关系，但反应的最终结果仍然遵循得电子总数等于失电子总数，得失电子守恒规律依然适用。这就要求学生能够梳理多个反应的得失电子数目关系，以及整个反应过程的得失电子总数间的关系，能够从部分与整体的视角来认识得失电子守恒。同时对于存在连续反应的复杂反应体系，借助方程式叠加的方法，能够让学生认识到在反应体系中存在着初始与最终状态间的得失电子守恒。
　　学生在解答该类习题时，通常先根据题意写出可能发生的各个反应的反应方程式;再设未知数表示参加反应的铁、硝酸铁的物质的量;最后根据题中已知条件，建立关系式进行求解。运用常规方法解题，要求学生能够正确分析题意，运用质量守恒、原子守恒规律建立起物质之间的关系式，步骤烦琐且容易出错。而运用得失电子守恒规律能够对该类问题进行简化处理，运算简单。为了能更好地辨析多个反应间的得失电子守恒，可对该反应过程中存在的反应方程式进行叠加，运用终态法进行求解。
　　例5和例6均涉及复杂反应体系中得失电子守恒规律的运用。通过例5，先让学生从单一反应间存在的得失电子守恒入手，建立總的反应过程中的守恒关系，在此基础上引导学生直接从总反应过程的初始与最终状态建立得失电子守恒关系。运用得失电子守恒规律，从多个视角进行分析与解答，加深了学生对该守恒规律的认识和理解。而例6是对例5的进一步延伸与拓展。通过方程式叠加，便于直观理解反应体系中存在的得失电子守恒规律。运用终态法有助于学生认识整个反应体系中初始与最终状态间存在着的得失电子守恒关系，对得失电子守恒多角度进入，深入理解得失电子守恒规律，建立得失电子守恒模型。
　　综上，通过问题情境的变化，引导学生多次“进入”得失电子守恒规律，从而获得对氧化还原反应中得失电子守恒规律的完整、深入认识。第一层次，是对得失电子守恒规律的基本认识与应用的考查。通过得失电子守恒，不仅可以确定反应物计量数之比，从而对氧化还原反应进行配平;同时运用得失电子守恒，还可以求得元素化合价、物质的质量等。第二层次是在对得失电子守恒规律有一定认识的基础上，从局限在单一氧化还原反应中存在的得失电子守恒的认识，进阶到对存在中间态物质的系列反应间的得失电子守恒的认识。通过“在两个反应过程中存在着同一物质元素化合价变化相同，参加反应的物质的量也相同”，认识到这两个反应间存在着得失电子守恒。第三层次是在第二层次的基础上的进一步延伸，是从整体上宏观地认识整个反应过程中存在的得失电子总数间的关系。通过对得失电子守恒多层次、多角度随机进入，让学生逐步建立得失电子守恒的思维模型，培养学生的化学学科素养。
　　不仅如此，在纵向上对同一问题还可以通过不同解答方式，对题目进行多角度分析。例如，例3可以运用待定系数法、电极反应式法等多种方式进行解答[3];例5可以从多个反应间存在的得失电子守恒、总的反应体系中初始与最终状态存在的得失电子守恒等角度对得失电子守恒规律多次进入。另外，还可以针对同一题干进行多个不同角度的设问，进行多次进入，考查学生综合运用知识的能力与思维的灵活性。又如例4，基于该题干还可以设置“若已知一氧化氮、二氧化氮以及四氧化二氮的物质的量之比，求该反应中消耗硝酸的物质的量”等问题。
　　[  参   考   文   献  ]
　　[1]  Spiro，R.J.& Jehng，J.Cognitive flexibility and hypertext： Theory and technology for the nonlinear and multidimensional traversal of complex subject matter[A].D.Nix & R.J.Spiro （Eds.） Cognition，education，and multimedia： Exploring ideas in high technology[C].1990.163-205.
　　[2]  陈素余，蔡亚萍.论随机进入化学教学[J].化学教学，2008（7）： 17-19.
　　[3]  姜广勇.由一题多解归纳氧化还原反应计算题的解析方法[J].化学教学，2013（6）： 66-68.
　　[4]  季春阳，朱琳琳.基于学生与教师化学问题解决认知过程差异的教学启示[J].化学教育，2016（19）： 21-25.
　　[5]  王文虎.《电子得失守恒法》解题探讨[J].化学教育，2000（9）： 47.
　　注：王秋为本文通讯作者。
　　（责任编辑 罗   艳）
转载注明来源:https://www.xzbu.com/9/view-14835435.htm