电荷守恒定律与氧化还原反应实质的对比分析与系统整合.doc

电荷守恒定律与氧化还原反应实质的对比分析与系统整合 摘要：在引用电荷守恒定律概念与氧化还原反应实质的基础上，对电荷守恒定律与氧化还原反应实质进行对比分析和系统整合，以期对学界进行相关内容的教学以及引导学生对各学科知识体系进行系统整合有所启示。/关键词：电荷守恒定律；氧化还原反应实质；对比分析；系统整合：1005?c6629（xx）7?c0013?c03：g633.8：b电荷守恒定律是物理学中重要的基本定律之一，对氧化还原反应实质的认识是理解氧化还原反应理论知识的关键。电荷守恒定律与氧化还原反应实质分属物理和化学两门不同学科，但却是分别从不同学科视角对电荷转移情况的描述。然而，从现有文献来看，学界并未对两者之间的关系进行深入分析。本文运用系统论对两者进行对比分析和系统整合，以期引导学界在进行电荷守恒定律教学时，充分运用氧化还原反应实质作为电荷守恒定律在微观领域具体应用的实例之一，帮助学生从电子在氧化还原反应中的转移和守恒来理解和掌握电荷守恒定律的微观本质，帮助学生架起从微观本质上来认清宏观物理学定律实质的桥梁；在进行氧化还原反应教学时充分运用电荷守恒定律来帮助学生从物理学电荷转移和守恒这一宏观角度来认清氧化还原反应实质，帮助学生架起运用宏观物理学定律来认清微观化学反应实质的桥梁，进而帮助学生构建起完整的电荷转移知识体系。1电荷守恒定律与氧化还原反应实质的内容人教版高中物理教材选修3-1首先在对电荷进行介绍的基础上给出了电荷守恒定律传统的表述：“大量事实表明，电荷既不会创生，也不会消灭，它只能从一个物体转移到另一个物体，或者从物体的一部分转移到另一部分；在转移过程中，电荷的总量保持不变。这个结论叫做电荷守恒定律。1”然后在介绍带电粒子产生和湮没知识的基础上给出了电荷守恒定律现在的表述：“一个与外界没有电荷交换的系统，电荷的代数和保持不变。2”人教版高中化学教材必修1首先通过分析氧化还原反应实例中元素化合价的升降情况对初中教材中氧化还原反应概念进行拓展而给出氧化还原反应的定义：“并非只有得氧、失氧的反应才是氧化还原反应，凡是有元素化合价升降的化学反应都是氧化还原反应。”然后通过介绍原子结构以及电子在氧化还原反应中转移（得失或偏移）情况阐明氧化还原反应的实质是电子转移，并从氧化还原反应实质（电子转移）的角度给出了氧化还原反应的定义：“通过以上的分析，我们认识到有电子转移（得失或偏移）的反应，是氧化还原反应。3”教材没有提及在氧化还原反应中是否存在带电粒子的产生和湮没以及相关情况。本文也在不考虑带电粒子产生和湮没的情况下对电荷守恒定律与氧化还原反应实质做一浅显对比分析。2电荷守恒定律与氧化还原反应实质的对比分析从教材对比我们发现，关于电荷守恒定律与氧化还原反应的实质，两者之间存在着一些相似之处、差异和联系，需要我们重视。2.1电荷守恒定律与氧化还原反应实质之间的相似之处电荷守恒定律与氧化还原反应实质都是对“电荷转移情况”进行描述，两者之间必然存在着相似之处。（1）所描述对象都是一个与外界没有电荷交换的系统。电荷守恒定律适用的前提是“一个与外界没有电荷交换的系统”；同样，如果把发生氧化还原反应的化学反应体系看作一个系统，虽然该系统通过氧化还原反应使系统中的电子发生了转移，但从氧化还原反应实质来看，该系统与环境没有任何电荷交换，必然是“一个与外界没有电荷交换的系统”。正如物理教材所举用丝绸摩擦玻璃棒这一“摩擦起电”的例子时所描述的那样，“用丝绸摩擦玻璃棒时，玻璃棒上有些电子跑到丝绸上了，玻璃棒因缺少电子而带正电，丝绸因有了多余的电子而带负电”。在玻璃棒和丝绸组成的这一系统中，电子只是从玻璃棒这一子系统转移了该系统的另一子系统丝绸上而使该系统的两个子系统带有不同种类的电荷，而该系统与环境并没有任何电荷交换，是“一个与外界没有电荷交换的系统”。同样，在化学教材所举fe+cuso4=feso4+cu这一氧化还原反应系统中，电子只是从fe转移到了cu2+上，而该系统与环境没有任何电荷交换，也是“一个与外界没有电荷交换的系统”。（2）系统内的电荷都“既不会创生，也不会消灭”。电荷守恒定律传统的表述首先强调“大量事实表明，电荷既不会创生，也不会消灭”；氧化还原反应实质表明，在氧化还原反应过程中只是发生了电子的转移，必然没有“电荷的创生与消灭”。其实，无论“摩擦起电”、“感应起电”还是“氧化还原反应中电子的转移”，其微观实质都是因“电子的转移”而发生的电现象，在这三个过程中都没有“电荷的创生与消灭”。（3）都是电荷在系统内发生转移。电荷守恒定律表明，电荷可以从一个物体转移到另一个物体或者从物体的一部分转移到另一部分；氧化还原反应实质表明，在氧化还原反应中，电子可以从一个微粒（还原剂）转移到另一个微粒（氧化剂）而发生电子的得失或者从某些微粒的一部分转移到另一部分而发生电子的偏移（因共价键的形成或断裂而导致原子的电子云形状发生改变）。就物理教材所举摩擦起电和静电感应的例子而言，摩擦起电的实质是由于构成不同物体的原子或分子对电子的引力不同，在环境的作用（摩擦）下迫使电子从一个物体转移到了另一个物体而使两个物体带有不同种电荷；静电感应的实质是在环境（带电体）的作用下迫使电子从导体的一部分转移到了另一部分而使导体两端带有不同种电荷。同样，在氧化还原反应中，诸如2na+cl2=2nacl、fe+cuso4=feso4+cu等这一类涉及到离子键的氧化还原反应，其实质是由于氧化剂和还原剂对电子的引力不同而迫使电子从一个微粒（na、fe）转移到另一个微粒（cl、cu2+）而发生电子的得失；而h2+cl2=2hcl、h2o+c=h2+co等这类只涉及共价键的氧化还原反应，其实质是电子从某些微粒（h、cl和h、o、c）的一部分转移到另一部分而发生电子的偏移。（4）系统的电荷的代数和保持不变。电荷守恒定律现在的表述是将电荷及其发生转移的媒介（电荷发生转移的不同物体或者某一物体）看作一个系统，那么，“一个与外界没有电荷交换的系统，电荷的代数和保持不变”；同样，在氧化还原反应系统中，虽然通过氧化还原反应使该系统的电子发生了转移，但电子只是发生了转移，电子的个数自然不会发生改变，电荷的代数和必然保持不变。2.2电荷守恒定律与氧化还原反应实质之间的差异电荷守恒定律与氧化还原反应实质又是从“不同学科视角”来描述电荷转移情况，两者之间的差异具体如下。（1）所属学科不同。很显然，电荷守恒定律是物理学中重要的基本定律之一，是对电荷在不同物体之间或者同一物体不同部分之间发生转移的这一宏观现象及其所遵循规律的描述；而认清氧化还原反应实质则是学习化学学科重点理论知识氧化还原反应的关键，氧化还原反应实质是对电子在不同微粒之间或者某些微粒不同部分之间发生转移的这一微观现象及其所遵循规律的描述。（2）所描述的电荷不同。电荷守恒定律描述的电荷包括正电荷和负电荷，是对电荷在物体上发生转移的现象及其所遵循规律的描述；而氧化还原反应实质描述的电荷就是电子，是对电子在氧化还原反应中发生转移的现象及其所遵循规律的描述。（3）所描述的电荷转移媒介不同。电荷守恒定律中电荷发生转移的媒介为物体；而氧化还原反应中电子发生转移的媒介为微粒（包括原子和离子）。2.3电荷守恒定律与氧化还原反应实质之间的联系原子是构成物质的最小单元，从原子结构知识可知，原子是由原子核和核外电子构成，原子核中的质子和核外电子所带的电荷数量相等符号相反，所以整个原子对外界较远位置表现为电中性。要产生电荷守恒定律中所描述的正负电荷和发生电荷转移，其前提条件是必须要使构成物体的物质的部分或全部原子发生电子转移，即只有发生电子转移才会产生电荷和电荷转移。而构成物体的物质的部分或全部原子发生电子定向转移，则必然会发生“电荷从一个物体转移到另一个物体或者从物体的一部分转移到另一部分”的宏观现象。同样，通过运用原子结构知识以及与电荷在物体上的转移进行对比分析很容易理解，氧化还原反应实质是由于氧化剂和还原剂对电子的引力不同而迫使电子在不同微粒之间或者某些微粒不同部分之间发生的转移，且电子在转移的过程中遵守电荷守恒。3电荷守恒定律与氧化还原反应实质的系统整合知识需要不断地整合，产生一般性的高质量知识、综合性知识和全面的知识，实现知识整体化，从而形成完整的知识体系4。高中各门课程作为学校所开设课程体系这个大系统中的子系统，它们之间必然有着密切的联系5。物理学是研究物质结构、物质相互作用和运动规律的自然科学。化学是在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、性质及其应用的自然科学，其特征是研究分子和创造分子。物理学与化学的关系是唇齿相依、息息相关的，无论是从宏观上还是从微观上都是相辅相成、共同发展的6。对物理知识与化学知识进行系统整合包括在学科之间不同层次上的纵向整合和同一层次上的横向整合。而对物理与化学的基础知识进行整合是进行学科知识整合的基础，是学生认知结构进行重组的关键，是帮助学生对物理与化学知识进行系统整合的重点7。在物理教学中，我们理应在讲解电荷守恒定律时，引导学生将电荷在物体上发生转移的这一宏观现象及其所遵循规律与电子在微粒上发生转移（氧化还原反应实质）的这一微观现象及其所遵循规律进行对比分析，注重引导学生运用氧化还原反应实质来理解和掌握电荷守恒定律的微观本质，帮助学生架起从微观本质上来认清宏观物理学定律实质的桥梁，在此基础上通过对两者进行系统整合来帮助学生初步形成较为完整的电荷转移知识体系。在化学教学中，我们理应在讲解氧化还原反应时，引导学生将电子在微粒上发生转移的这一微观现象及其所遵循规律与电荷在物体上发生转移的这一宏观现象及其所遵循规律进行对比分析，并注重引导学生运用电荷守恒定律来理解和掌握氧化还原反应实质，帮助学生架起运用宏观物理学定律来认清微观化学反应实质的桥梁，在此基础上通过对两者进行系统整合来帮助学生初步形成较为完整的电荷转移知识体系。通过物理和化学两门学科的教学，帮助学生从不同学科视角来理解和掌握电荷转移知识，通过对电荷守恒定律与氧化还原反应实质的对比分析和系统整合帮助学生构建起完整的电荷转移知识体系。4电荷守恒定律与氧化还原反应实质的对比分析与系统整合对教学的启示总之，知识的生成和发展过程已经由知识的分化占主导地位转变为知识的整合占主导地位，自然科学也在分科越来越细致、更加具体化的基础上正逐渐走向统一与整合8。物理和化学作为自然科学中联系最为紧密的两门学科，其相互交叉和融合程度也必然越来越高。通过对电荷守恒定律与氧化还原反应实质的对比分析与系统整合，必然会产生一般性的高质量知识、综合性知识和全面的知识，通过系统的整体涌现实现“整体大于部分之和”的效果。在指导学生对电荷守恒定律与氧化还原反应实质进行对比分析与系统整合的基础上，力求对各学科中的相关知识进行系统整合而形成完整的知识，进而对各学科知识体系进行系统整合而形成完整的知识体系，有利于帮助学生构建起符合素质教育要求的知识体系，有利于帮助学生不断提高综合应用知识的能力。参考文献：12张大昌，张维善.物理选修3-1（第3版）m.北京：人民教育出版社，xx：4.3宋心琦主编.普通高中课程标准实验教科书?化学1（必修）m.北京：人民教育出版社，xx：3537.4李喜先等.知识系统论m.北京：科学出版社，xx：123.5陈伟，谢铁丽.系统学习法的学习方法指导基于系统论的学习方法指导j.学园（教育科研），xx，（11）：9394.6李晔，周青.学科教学之间的交叉与融合对美国高中化学教材prenticehall中物理知识作用的分析j.外国中小学教育，xx，（4）：3034.7陈伟.赏析物体的平衡与化学平衡j.科学教育，xx，（5）：5758.8陈伟.对尖端放电与电解池电解的对比分析和系统整合j.中学化学教学参考，xx，（5）：1517. 摘要：在引用电荷守恒定律概念与氧化还原反应实质的基础上，对电荷守恒定律与氧化还原反应实质进行对比分析和系统整合，以期对学界进行相关内容的教学以及引导学生对各学科知识体系进行系统整合有所启示。/关键词：电荷守恒定律；氧化还原反应实质；对比分析；系统整合：1005?c6629（xx）7?c0013?c03：g633.8：b电荷守恒定律是物理学中重要的基本定律之一，对氧化还原反应实质的认识是理解氧化还原反应理论知识的关键。电荷守恒定律与氧化还原反应实质分属物理和化学两门不同学科，但却是分别从不同学科视角对电荷转移情况的描述。然而，从现有文献来看，学界并未对两者之间的关系进行深入分析。本文运用系统论对两者进行对比分析和系统整合，以期引导学界在进行电荷守恒定律教学时，充分运用氧化还原反应实质作为电荷守恒定律在微观领域具体应用的实例之一，帮助学生从电子在氧化还原反应中的转移和守恒来理解和掌握电荷守恒定律的微观本质，帮助学生架起从微观本质上来认清宏观物理学定律实质的桥梁；在进行氧化还原反应教学时充分运用电荷守恒定律来帮助学生从物理学电荷转移和守恒这一宏观角度来认清氧化还原反应实质，帮助学生架起运用宏观物理学定律来认清微观化学反应实质的桥梁，进而帮助学生构建起完整的电荷转移知识体系。1电荷守恒定律与氧化还原反应实质的内容人教版高中物理教材选修3-1首先在对电荷进行介绍的基础上给出了电荷守恒定律传统的表述：“大量事实表明，电荷既不会创生，也不会消灭，它只能从一个物体转移到另一个物体，或者从物体的一部分转移到另一部分；在转移过程中，电荷的总量保持不变。这个结论叫做电荷守恒定律。1”然后在介绍带电粒子产生和湮没知识的基础上给出了电荷守恒定律现在的表述：“一个与外界没有电荷交换的系统，电荷的代数和保持不变。2”人教版高中化学教材必修1首先通过分析氧化还原反应实例中元素化合价的升降情况对初中教材中氧化还原反应概念进行拓展而给出氧化还原反应的定义：“并非只有得氧、失氧的反应才是氧化还原反应，凡是有元素化合价升降的化学反应都是氧化还原反应。”然后通过介绍原子结构以及电子在氧化还原反应中转移（得失或偏移）情况阐明氧化还原反应的实质是电子转移，并从氧化还原反应实质（电子转移）的角度给出了氧化还原反应的定义：“通过以上的分析，我们认识到有电子转移（得失或偏移）的反应，是氧化还原反应。3”教材没有提及在氧化还原反应中是否存在带电粒子的产生和湮没以及相关情况。本文也在不考虑带电粒子产生和湮没的情况下对电荷守恒定律与氧化还原反应实质做一浅显对比分析。2电荷守恒定律与氧化还原反应实质的对比分析从教材对比我们发现，关于电荷守恒定律与氧化还原反应的实质，两者之间存在着一些相似之处、差异和联系，需要我们重视。2.1电荷守恒定律与氧化还原反应实质之间的相似之处电荷守恒定律与氧化还原反应实质都是对“电荷转移情况”进行描述，两者之间必然存在着相似之处。（1）所描述对象都是一个与外界没有电荷交换的系统。电荷守恒定律适用的前提是“一个与外界没有电荷交换的系统”；同样，如果把发生氧化还原反应的化学反应体系看作一个系统，虽然该系统通过氧化还原反应使系统中的电子发生了转移，但从氧化还原反应实质来看，该系统与环境没有任何电荷交换，必然是“一个与外界没有电荷交换的系统”。正如物理教材所举用丝绸摩擦玻璃棒这一“摩擦起电”的例子时所描述的那样，“用丝绸摩擦玻璃棒时，玻璃棒上有些电子跑到丝绸上了，玻璃棒因缺少电子而带正电，丝绸因有了多余的电子而带负电”。在玻璃棒和丝绸组成的这一系统中，电子只是从玻璃棒这一子系统转移了该系统的另一子系统丝绸上而使该系统的两个子系统带有不同种类的电荷，而该系统与环境并没有任何电荷交换，是“一个与外界没有电荷交换的系统”。同样，在化学教材所举fe+cuso4=feso4+cu这一氧化还原反应系统中，电子只是从fe转移到了cu2+上，而该系统与环境没有任何电荷交换，也是“一个与外界没有电荷交换的系统”。（2）系统内的电荷都“既不会创生，也不会消灭”。电荷守恒定律传统的表述首先强调“大量事实表明，电荷既不会创生，也不会消灭”；氧化还原反应实质表明，在氧化还原反应过程中只是发生了电子的转移，必然没有“电荷的创生与消灭”。其实，无论“摩擦起电”、“感应起电”还是“氧化还原反应中电子的转移”，其微观实质都是因“电子的转移”而发生的电现象，在这三个过程中都没有“电荷的创生与消灭”。（3）都是电荷在系统内发生转移。电荷守恒定律表明，电荷可以从一个物体转移到另一个物体或者从物体的一部分转移到另一部分；氧化还原反应实质表明，在氧化还原反应中，电子可以从一个微粒（还原剂）转移到另一个微粒（氧化剂）而发生电子的得失或者从某些微粒的一部分转移到另一部分而发生电子的偏移（因共价键的形成或断裂而导致原子的电子云形状发生改变）。就物理教材所举摩擦起电和静电感应的例子而言，摩擦起电的实质是由于构成不同物体的原子或分子对电子的引力不同，在环境的作用（摩擦）下迫使电子从一个物体转移到了另一个物体而使两个物体带有不同种电荷；静电感应的实质是在环境（带电体）的作用下迫使电子从导体的一部分转移到了另一部分而使导体两端带有不同种电荷。同样，在氧化还原反应中，诸如2na+cl2=2nacl、fe+cuso4=feso4+cu等这一类涉及到离子键的氧化还原反应，其实质是由于氧化剂和还原剂对电子的引力不同而迫使电子从一个微粒（na、fe）转移到另一个微粒（cl、cu2+）而发生电子的得失；而h2+cl2=2hcl、h2o+c=h2+co等这类只涉及共价键的氧化还原反应，其实质是电子从某些微粒（h、cl和h、o、c）的一部分转移到另一部分而发生电子的偏移。（4）系统的电荷的代数和保持不变。电荷守恒定律现在的表述是将电荷及其发生转移的媒介（电荷发生转移的不同物体或者某一物体）看作一个系统，那么，“一个与外界没有电荷交换的系统，电荷的代数和保持不变”；同样，在氧化还原反应系统中，虽然通过氧化还原反应使该系统的电子发生了转移，但电子只是发生了转移，电子的个数自然不会发生改变，电荷的代数和必然保持不变。2.2电荷守恒定律与氧化还原反应实质之间的差异电荷守恒定律与氧化还原反应实质又是从“不同学科视角”来描述电荷转移情况，两者之间的差异具体如下。（1）所属学科不同。很显然，电荷守恒定律是物理学中重要的基本定律之一，是对电荷在不同物体之间或者同一物体不同部分之间发生转移的这一宏观现象及其所遵循规律的描述；而认清氧化还原反应实质则是学习化学学科重点理论知识氧化还原反应的关键，氧化还原反应实质是对电子在不同微粒之间或者某些微粒不同部分之间发生转移的这一微观现象及其所遵循规律的描述。（2）所描述的电荷不同。电荷守恒定律描述的电荷包括正电荷和负电荷，是对电荷在物体上发生转移的现象及其所遵循规律的描述；而氧化还原反应实质描述的电荷就是电子，是对电子在氧化还原反应中发生转移的现象及其所遵循规律的描述。（3）所描述的电荷转移媒介不同。电荷守恒定律中电荷发生转移的媒介为物体；而氧化还原反应中电子发生转移的媒介为微粒（包括原子和离子）。2.3电荷守恒定律与氧化还原反应实质之间的联系原子是构成物质的最小单元，从原子结构知识可知，原子是由原子核和核外电子构成，原子核中的质子和核外电子所带的电荷数量相等符号相反，所以整个原子对外界较远位置表现为电中性。要产生电荷守恒定律中所描述的正负电荷和发生电荷转移，其前提条件是必须要使构成物体的物质的部分或全部原子发生电子转移，即只有发生电子转移才会产生电荷和电荷转移。而构成物体的物质的部分或全部原子发生电子定向转移，则必然会发生“电荷从一个物体转移到另一个物体或者从物体的一部分转移到另一部分”的宏观现象。同样，通过运用原子结构知识以及与电荷在物体上的转移进行对比分析很容易理解，氧化还原反应实质是由于氧化剂和还原剂对电子的引力不同而迫使电子在不同微粒之间或者某些微粒不同部分之间发生的转移，且电子在转移的过程中遵守电荷守恒。3电荷守恒定律与氧化还原反应实质的系统整合知识需要不断地整合，产生一般性的高质量知识、综合性知识和全面的知识，实现知识整体化，从而形成完整的知识体系4。高中各门课程作为学校所开设课程体系这个大系统中的子系统，它们之间必然有着密切的联系5。物理学是研究物质结构、物质相互作用和运动规律的自然科学。化学是在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、性质及其应用的自然科学，其特征是研究分子和创造分子。物理学与化学的关系是唇齿相依、息息相关的，无论是从宏观上还是从微观上都是相辅相成、共同发展的6。对物理知识与化学知识进行系统整合包括在学科之间不同层次上的纵向整合和同一层次上的横向整合。而对物理与化学的基础知识进行整合是进行学科知识整合的基础，是学生认知结构进行重组的关键，是帮助学生对物理与化学知识进行系统整合的重点7。在物理教学中，我们理应在讲解电荷守恒定律时，引导学生将电荷在物体上发生转移的这一宏观现象及其所遵循规律与电子在微粒上发生转移（氧化还原反应实质）的这一微观现象及其所遵循规律进行对比分析，注重引导学生运用氧化还原反应实质来理解和掌握电荷守恒定律的微观本质，帮助学生架起从微观本质上来认清宏观物理学定律实质的桥梁，在此基础上通过对两者进行系统整合来帮助学生初步形成较为完整的电荷转移知识体系。在化学教学中，我们理应在讲解氧化还原反应时，引导学生将电子在微粒上发生转移的这一微观现象