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

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；系统整合文章编号：1005?C6629（2014）7?C0013?C03 中图分类号：G633.8 文献标识码：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