突破高中化学教学难点的策略

  蓬莱市教学研究室 王扬柱

(该文刊登在《烟台教育》2013年第12期)

    高中化学中的基本概念和化学反应原理部分是高中知识的骨架,而该骨架的支撑点往往又是教学的难点,显然破解该部分知识的难点在高中化学教学中尤为重要。我平时教学中，每节课后都写教学反思，把教学中的“闪光点”，好的解题方法都整理了下来，今天拿出来重新浏览，才知道自己积累的是收获。现将整理的高中化学书写热化学方程式、书写燃料电池的电极反应式、化学平衡常数的应用等部分内容的难点突破策略呈现如下，以供大家参考。

一、“三步法”书写热化学方程式

    热化学方程式就是指能够表示化学反应热效应的化学方程式。其难点就是反应热的定量计算，而书写热化学方程式在近几年各省（区）、市高考理综试题中频繁出现，是考察学生学习规范和计算能力的热点题型。遵循盖斯定律，依据热化学方程式之间可以进行加减运算的特点，从培养学生的思维有序性为突破点，我帮助学生总结了“三步法”书写热化学方程式。

例：2013年高考理综全国新课标（Ⅰ）28题，二甲醚（CH₃OCH₃）是无色气体，可作为一种新型能源。由合成气（组成为H₂、CO和少量CO₂）直接制备二甲醚，其中的主要过程包括以下四个反应：

甲醇合成反应：

（ⅰ）CO(g)+2H₂(g)=CH₃OH(g)                △H₁=-90.1kJ·mol^-1

（ⅱ）CO₂(g)+3H₂(g)=CH₃OH(g) +2H₂O(g)       △H₂=-49.0kJ·mol^-1

水煤气变换反应：

（ⅲ）CO(g)+H₂O(g)=CO₂ (g) +H₂ (g)          △H₃=-41.1kJ·mol^-1

二甲醚合成反应：

（ⅳ）2CH₃OH(g)= CH₃OCH₃ (g) +H₂O(g)        △H₄=-24.5kJ·mol^-1

        完成由H₂和CO直接制备二甲醚（另一产物为水蒸气）的热化学方程式为                      。

第一步：先写出目标方程式并配平。

2CO(g)+4H₂(g)= CH₃OCH₃ (g) +H₂O(g)    △H= ？

第二步：比较已知方式和目标方式，找出目标方程式中每种物质出现在已知方程式的什么地方。

   联系目标方程式可观察出CO和H₂这两个点同时出现在（ⅰ）CO(g)+2H₂(g)=CH₃OH(g)的反应物中；CH₃OCH₃这个点出现在（ⅳ）2CH₃OH(g)= CH₃OCH₃ (g) +H₂O(g)的生成物中，所以（ⅰ）×2+(ⅳ)可得方程式2CO(g)+4H₂(g)= CH₃OCH₃ (g) +H₂O(g)

第三步：依据第二步求出的已知方程式的运算公式计算反应热。

△H= △H₁×2 +△H₄=-90.1×2+（-24.5）=-204.7kJ·mol^-1,

所以：2CO(g)+4H₂(g)= CH₃OCH₃ (g) +H₂O(g)  △H=-204.7kJ·mol^-1

二、“介质分类法”书写燃料电池的电极反应式

 燃料电池是现代社会中具有广阔发展前景的新能源，具有能量转换效率高，洁净无污染等特点。而燃料电池电极反应式的书写也成为近年各省（区）、市高考考查的热点，但是燃料的种类繁多，电解质的类型复杂多变，造成了燃料电池的电极反应书写成为考生得分低的难点之一。

对燃料电池电极反应式的书写，大多教师都是按照“三步法”给学生讲授的：

第一步，先写出燃料电池的总反应方程式并配平；

第二步，再写出燃料电池的正极反应式；

第三步，在电子守恒的基础上用燃料电池的总反应式减去正极反应式即得到负极反应式。

我觉得这种方式除了应用氧化还原的守恒规律外，并没有真正揭示燃料电池的内在规律，如果学生遇到了某种新型介质的燃料电池时，有时就会束手无策。经过对比和教学实践，我总结了“介质分类法”书写燃料电池的电极反应，任何燃料电池的实质都是燃料在负极、氧化剂在正极反应时，电极反应式缺的物质要由介质（电解质溶液）提供，生成的物质要由介质接受，介质在两电极之间除了传递电荷形成电流，还要以各种形式的电解质离子来传递H⁺或O^2-，依据介质的这种传递作用对介质进行了分类：

（一）磷酸型燃料电池（PAFC）

磷酸型燃料电池电解质为H₃PO₄，属传递H⁺型

例： 科学家近年来研制出一种新型细菌燃料电池，利用细菌将有机物转化为氢气，氢气进入以磷酸为电解质的燃料电池发电，电池负极反应为  (     )

A．H₂＋2OH^- ＝2H₂O＋2e^-          B．O₂＋4H⁺＋4e^- ＝2H₂O

C．H₂＝2H⁺＋2e^-                   D．O₂＋2H₂O＋4e^- ＝4OH^-

解析  氢气在电池的负极失电子发生氧化反应，氧气在电池的正极得电子发生还原反应，在酸性或中性溶液条件下负极反应式为：H₂-2e^-＝2H⁺，负极产生的H⁺由酸性介质接受，传递到正极与O₂得电子后产生的O^2-结合成H₂O，正极电极反应式为：O₂＋4H⁺＋4e^-＝2H₂O，总反应式为：2H₂+O₂=2H₂O。

答案：C

（二）质子交换膜燃料电池（PEMFC）

质子交换膜燃料电池的电解质为质子交换膜，属直接传递H⁺型

例：如图是2004年批量生产的笔记本电脑所用的甲醇燃料电池的结构示意图。甲醇在催化剂作用下提供质子(H⁺)和电子。电子经外电路、质子经内电路到达另一极与氧气反应。电池总反应式为：2CH₃OH＋3O₂＝2CO₂＋4H₂O。

下列说法中正确的是  (   )

A．左边的电极为电池的负极，a处通入的是甲醇

B．右边的电极为电池的负极，b处通入的是空气

C．电池负极的反应式为：CH₃OH+H₂O－6e^-=CO₂+6H⁺

D．电池的正极反应式为：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-

解析  根据图中电子移动方向，左边的电极为电池的负极，a处通入的是甲醇；右边的电极为电池的正极，b处通入的是空气；H⁺通过质子交换膜进入右边，所以电池的正极发生的反应为：O₂＋4H⁺＋4e^- ＝2H₂O；电池的负极反应为： CH₃OH+H₂O－6e^-=CO₂+6H⁺；电池总反应式为：2CH₃OH＋3O₂＝2CO₂＋4H₂O，

答案：A、C

（三）碱性燃料电池（AFC）

碱性燃料电池的电解质溶液常为KOH溶液，以OH^-为载体传递O^2-  

例1  用两根铂丝作电极插入KOH溶液中，再分别向两极通入CH₄和O₂，可形成燃料电池，该电池放电时负极发生的反应为__________________

解析  甲烷与氧气反应的方程式为：CH₄+2O₂=CO₂+2H₂O，由于在碱性环境下CO₂会与OH^-反应生成CO₃^2-，所以在KOH溶液中电池的总反应式为：CH₄+2O₂+2OH^-= CO₃^2-+3H₂O（方程式的叠加结果）。在碱性（或中性水溶液环境中）都是正极O₂得电子后产生的O^2-与H₂O结合成载体OH^-，所以正极反应式都为：2O₂+4H₂O+8e^-=8OH^-；载体离子OH^-负责把O^2-传递到负极以供CH₄反应所需，所以负极反应式为：CH₄+10OH^--8e^-=7H₂O+CO₃^2-。

答案：CH₄+10OH^--8e^-=7H₂O+CO₃^2-

（四）熔融碳酸盐燃料电池 (MCFC)

熔融碳酸盐燃料电池电解质一般为Li₂CO₃、K₂CO₃或Na₂CO₃，以CO₃^2-为载体传递O^2-

例：燃料电池是一种利用能源物质的新的形式，比如我们可用熔融的K₂CO₃作电解质，惰性材料作电极，一极通入CH₂=CH₂，另一极通入O₂、CO₂。下列说法不正确的是（   ）

A．通入乙烯的一极为正极      B．正极发生的电极反应为：3O₂+6CO₂+12e^-=6CO₃^2-

C．负极发生的电极反应为：CH₂=CH₂+6CO₃^2-=8CO₂+2H₂O+12e^-

D．电池的总反应式为：CH₂=CH₂+3O₂=2CO₂+2H₂O

解析  乙烯定在负极失电子发生氧化反应，氧气定在正极得电子发生还原反应，正极O₂得电子后产生的O^2-与CO₂结合成载体CO₃^2-，所以正极发生的反应为：3O₂+6CO₂+12e^-=6CO₃^2-；载体CO₃^2-负责把O^2-传递到负极以供CH₂=CH₂发生反应所需，所以负极反应为：CH₂=CH₂+6CO₃^2--12e^- =8CO₂+2H₂O

（五）固态氧化物燃料电池（SOFC）

固态氧化物燃料电池电解质常为ZrO₂、Y₂O₃，直接传递O^2-型

例： 固体氧化物燃料电池是美国西屋（Westinghous）公司研制开发的。它以固体氧化锆一氧化钇为电解质，这种固体电解质在高温下允许氧离子（ ）在其间通过。该电池的工作原理如图所示，其中多孔电极 、 均不参与电极反反应。下列判断正确的是  （    ）

A．有 参加反应的 极为电池的负极      B．有 参加反应的 极为电池的正极

C． 极对应的电极反应式为：

D．该电池的总反应方程式为：

解析：根据电子的转移方向，有 参加反应的 极为电池的负极；有 参加反应的 极为电池的正极。由于是在无水环境下，O^2-在固体氧化物中的可直接由正极向负极发生定向移动，所以正极反应式为：O₂ +4e- = 2O^2- ；负极反应式为：2H₂ + 2O^2--4e- = 2H₂O 。

三、“数学模型”法破解化学平衡原理

    化学平衡原理在以前的高中教学中只是考虑定性的判断问题，一般应用勒沙特列原理的定性的规律而没有定量计算。新教材更注重了化学平原理的定量分析，所以引入了热力学理论解决化学反应问题的伟大成果--平衡常数，而利用平衡常数定量判断平衡移动方向、平衡常数与温度的关系等定量研究化学平衡的知识就是该部分的难点，我的突破策略是利用数学建模思想，变抽象为具体，具体方法如下：

1、“数轴法”判断化学平衡移动的方向

对于依据浓度商（Q）与平衡常数(K)的相对大小判断平衡移动方向的问题，大多数教师的教学方法是让学生先理解再记住结论，我认为虽然学生能理解记忆但还是太抽象，时间长了容易遗忘，如果考场上再去靠理解从新推算规律固然很好但是浪费时间，最好的策略是变抽象为具体，记住不容易忘，于是我发现了“数轴法”判断化学平衡移动的方向，经过实践效果很好，学生们都觉得很受益。

具体的策略就是，利用“数轴”规律右边数值大于左边数值来表示Q与K的相对大小，再利用物理运动学的位移思想，规定数轴上的点向右移动代表化学平衡向“正反应”方向移动，数轴上的点向左移动代表化学平衡向“逆反应”方向移动。如果当Q与K不在同一点时，Q点应该向K点移动使该反应达到平衡状态，Q点在数轴上移动的方向也就是该化学平衡移动的方向，具体表示如图：

（1）浓度商（Q）小于平衡常数(K)时

（2）浓度商（Q）大于平衡常数(K)时

2、“坐标系”法判断平衡常数（K）与温度（T）的关系

关于K与T之间关系的命题是近几年各省区命题的热点，但是又是教学中的弱点，很多教师都认为这个难点的突破没什么好的策略，只能让学生拼命的记住。我发现如果用数学的“坐标系”思维模型去理解记忆K与T之间关系，就可以让学生解脱死记硬背的烦恼，能够提高学习兴趣。

我借用数学的抛物线图像，第一象限区间表示△H﹥0时，K与T的关系；第二象限区间表示△H﹤0时，K与T的关系。图像如下：

总之，高中化学的复习难点有很多，但是只要我们教师勤于钻研，就不难发现化学突破难点的策略。教师教学中要善于揭示规律、渗透方法，让复杂的知识简单化，抽象的知识具体化，多方位探索化学难点的突破策略，促成学生在解题能力上的提升。