用电子得失来讲授氧化还原反应的四条建议 | eic

文摘   教育   2024-07-18 16:53   英国  



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学生一开始会从氧的得失来理解氧化还原反应,文作者曼彻斯特大学的 Kristy 老师分享了用电子得失讲授氧化还原的四条建议,帮助 14-16 岁学生将氧化还原反应与电子得失联系起来。

Dr Kristy Turner 是英国曼彻斯特大学/ Bolton School 的学校教师,在英格兰西北部的公立和私立学校拥有丰富的教学经验。她的研究兴趣包括评估、发展课程内概念模型以及中学和大学化学教育之间的过渡。



氧化还原反应无处不在。有些反应对生命至关重要,例如光合作用、呼吸作用和燃烧。其他反应,例如生锈,则有有些困难。学生理解氧化反应时,用氧气的得失来表达,则相对比较容易理解。得到氧的是氧化,失去氧的是还原。这样直观的定义可以追溯到 18 世纪后期安托万·拉瓦锡 (Antoine Lavoisier) 为推翻“燃素理论”而进行的经典实验。

  • Source: Composite image: atomic structures © Anarda Studio/Shutterstock and photo © Pchyburrs/Getty Images

01

举例明确
Make examples explicit

为了理解更广泛的反应,学生需要从电子的角度理解氧化和还原的定义。这是一个抽象的概念,因此无法自然而然地引起他们的兴趣。它的难度也从简单的定义迅速增加到氧化还原半反应方程,这需要对原子结构和键合的核心概念有扎实的理解。 

“升失氧,降得还”是一个经典的帮助学生记忆的口诀(英文中也有类似的口诀:OIL, oxidation is loss; RIG: reduction is gain),对于理解也很有帮助。通过可以给学生展示各种不同方程式的例子,并让他们分辨哪些元素被氧化以及哪些元素被还原来强化对氧化和还原的理解。可以从明确展示出电子得失的半方程开始练习,然后可以让学生根据整体方程式,分别写出半方程并联系不同的学习主题来延伸和增加挑战。


02

拆分方程式
Break down equations

根据班级的情况安排主题的覆盖范围。从最简单的概念开始,但如果班上的学生在配平没有电荷的正常符号方程式遇到了困难,那就没必要让学生继续练习反应半方程了。应该花些时间让学生建立从给定方程式中区分氧化和还原物种的信心,并逐步让学生写出反应方程式。了解此前测试的问题,了解考官设置的题型,以便相应地指导练习。

分步拆解,让学生不畏惧半方程式练习。半方程式可能看起来令人生畏,将过程拆解分步骤完成,能更容易成功。配平反应半方程式的过程可以简单概括为两个步骤,必须按顺序完成:首先平衡原子,然后再添加电子平衡电荷


03

练习,练习,再练习
Practise, practise, practise

给学生展示大量的例题。即使不是试卷中的真题或者例题也没关系,这是让学生了解这两个步骤在各种情况下如何应用的机会。 

了解考试的出题机构,弄清楚他们在半方程式中对电子的要求。有些考试机构允许在方程式中减去或添加电子。正常情况下,学生应该只在半方程式中添加电子,但一些成绩不理想的学生则发现减去电子更直观。 

以铁为例,添加电子以平衡电荷:

Fe → Fe2+ + 2e

但对于一些学生来说这样更容易理解:

Fe – 2e- → Fe2+ 

  • 向学生展示氧化是如何损失(减去)电子,以及还原是如何获得(增加)电子

04

模型掌握
Model mastery

帮助学生掌握约翰斯通三角(Johnstone’s triangle) 的三个角来掌握知识。将精心策划的演示(例如钢丝球的燃烧)纳入课程以吸引兴趣。学生观察现象(宏观),用方程式(符号)表示,并思考在粒子尺度上发生了什么(微观)。 

向学生说明,就氧气而言的氧化还原和就电子而言的氧化还原是同一回事。当出现新的定义时,学生可能会感觉困惑,因为他们觉得新定义与他们已经理解的内容相冲突。您可以使用熟悉的例子来证明这些定义是一致的,例如先前学习的金属提取或您可能展示过的钢丝球燃烧演示。

铁和氧反应的平衡符号方程是 

4Fe + 3O2 → 2Fe2O3

将其分离成两种元素并用电子平衡电荷,可得到

Fe → Fe3+ + 3e-

O2 + 4e- → 2O2-

有些学生需要这样的解释才能继续思考,而有些学生则会毫无疑问地接受以电子为中心的定义。

  • 约翰斯通三角 最上:宏观;左下微观;右下:符号  Source: © Claudia Flandoli 





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