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关于人教版高中化学《化学反应原理》书中两处表述的思考
关于人教版高中化学《化学反应原理》书中两处表述的思考 在执教高中化学《化学选择性必修1 化学反应原理》（人民教育出版社，2019 年审定）时，教材中有两处表述，引起了我的思考。下面我从一线教学角度对这两处进行探讨，希望各位老师指正。一处是锂离子电池的负极表述；一处是关于金属防护的插图（图4-23）的注解。 教材在原电池一节的“资料卡片”（99-100页）中介绍：“一种锂离子电池，其负极材料为嵌锂石墨，正极材料为 LiCoO₂（钴酸锂），电解质溶液为 LiPF₆（六氟磷酸锂）的碳酸酯溶液（无水）”；随后给出放电时的负极式 LiₓCᵧ − xe⁻ = xLi⁺ + Cᵧ、正极式 Li₁₋ₓCoO₂ + xLi⁺ + xe⁻ = LiCoO₂，以及总反应 LiₓCᵧ + Li₁₋ₓCoO₂ = LiCoO₂ + Cᵧ，并说明“放电时，锂离子由石墨中脱嵌移向正极，嵌入钴酸锂晶体中；充电时，锂离子从钴酸锂晶体中脱嵌，由正极回到负极，嵌入石墨中”。 
这些表述本身准确无误，但立足学生在必修阶段已形成的原电池认知，容易生出两处误解。 其一，“负极材料为嵌锂石墨，正极材料为 LiCoO₂”这样并列介绍，容易把“嵌锂石墨”解读成“嵌了锂（原子）的石墨”，而忽略它是锂离子嵌入石墨层间形成的层间化合物。 其二，在此基础上面对负极式中的“− xe⁻”与“xLi⁺”，学生很自然地会套用“活泼金属失电子被氧化”的模型，以为石墨层间嵌着的是锂原子，放电时锂原子失电子变成锂离子，再向正极迁移并嵌入钴酸锂晶体；教材虽用“脱嵌”描述迁移，却没有先说明嵌入石墨层间的究竟是什么粒子，所以容易引起学生在学习时的误解。 那么，放电时负极失去的电子究竟来自哪里？嵌锂石墨并不是“石墨里嵌着金属锂原子”，而是 Li⁺ 进入石墨层间形成的层间化合物，如 LiC₆：锂以 Li⁺ 形式处于层间，其 2s 电子转移给石墨主体，使石墨层带负电、费米能级升高。石墨充分嵌锂后 Li 2s 电子转移到石墨层内由2p_z 轨道反相组合成的反键 π 能带，费米能级附近态密度升高、电子呈离域特征；更早的理论计算也得出Li-2s 电子转移进碳 π 带、使费米能级移入高态密度区，从而使嵌锂石墨呈现金属性。于是 LiₓCᵧ 可以近似写作 xLi⁺·Cᵧˣ⁻·xe⁻（离域）——被氧化的不是某个中性锂原子，而是整个嵌锂石墨层间化合物。 放电时，Li⁺ 从层间脱出进入电解液，补偿电子则留在导电的石墨与集流体中，经外电路流向正极；文献把这一步写成 LiC₆(s) → 6C(s) + Li⁺(solv) + e⁻，并明确称之为脱嵌。电解液只导离子、不导电子，电子无法在电池内部“抄近路”，只能经外电路做功，到正极后由高价过渡金属离子或氧接受，使 Li₁₋ₓCoO₂ 重新嵌锂生成 LiCoO₂。充电时方向相反：外电源把电子经外电路压入负极，Li⁺ 从正极脱嵌、穿过电解液同时到达以维持电中性，重新生成 LiₓC₆（6C + xLi⁺ + xe⁻ → LiₓC₆）。整个循环中锂始终以 Li⁺ 形态往返，正常情况下并不生成金属锂；若真在石墨表面析出 0 价金属锂，那是快充、低温等条件下的“析锂”副反应，会造成容量损失与安全隐患，而非正常的嵌锂反应。 部分教学材料把充电写成“Li⁺ 得电子、还原成中性锂后重新嵌入石墨”，把放电写成“锂原子由 0 价氧化为 +1 价”，这与光谱和理论研究的结果并不一致，恰恰是“石墨里有锂原子、放电时锂原子失电子”这一误解的一个来源。 据此，建议对负极的结构与电子来源作一简要说明，明确嵌入石墨层间的是锂离子而不是锂原子，并交代放电时失去的电子应从嵌锂石墨整体的电子结构去理解。 教材在“在金属表面覆盖保护层”一节写道：“在金属表面覆盖致密的保护层，将金属制品与周围物质隔开是一种普遍采用的防护方法。例如，在钢铁制品的表面喷涂油漆、矿物性油脂或覆盖搪瓷、塑料等（如图 4-23）”；该图图注为“图 4-23 在汽车表面涂漆”。 
问题在于，这张照片呈现的是汽车车身在涂装线上进行电泳涂装（electrophoretic coating，亦称 electrocoating、e-coating、电沉积涂装）的情景，而不是喷涂面漆。电泳涂装是把经脱脂、水洗、磷化等前处理的白车身整个浸入水性漆槽，以工件为一极、槽内另设电极，通直流电后带电的树脂与颜料粒子定向迁移至工件表面、放电沉积成连续漆膜，再经水洗与烘烤固化。由于漆膜本身绝缘，沉积到一定厚度便自行减慢乃至停止，因而能均匀覆盖腔体、焊缝、边角等喷枪难以到达的部位；在汽车工业中，电泳层是新车车身的第一道涂层，主要承担防腐底漆的功能，其后才有中涂、色漆、清漆等喷涂工序。 这样看来，正文的“喷涂油漆”、图注的“在汽车表面涂漆”与图中汽车车架电泳处理，虽然在工艺的底层逻辑是一致的，但表述不是特别贴切。正文列举的是喷涂，配图却是电泳，二者并非同一道工序；图注既未点出工艺名称，正文也没有借这张图把电泳及其防腐作用交代清楚。这张照片本可提供的真实工业情境和相关知识也可能会在教学中被放过。 另外关于这张图片的来历也利用网络做了一些分析。教材致谢页注明“图 4-23 Chemistry Nelson Science Thomas Nelson and Sons Ltd.”。文献显示，原书属Nelson Science 系列，作者为 John S. Holman 与 Philip Stone，初版 1995 年由 Thomas Nelson and Sons 出版，2001 年由Nelson Thornes第 2 版（ISBN 0748762396 / 9780748762392，314 页），面向英国国家课程 Key Stage 4 与 GCSE，以叙述式写法、案例研究与科学探究材料见长。换言之，这是一张来自上世纪90年代中期英国GCSE 化学教材的照片，移植到本书时被配上了“在汽车表面涂漆”的图注。 
原书与这幅图相关的表述为：“nother common method is to put a barrier layer over the metal, to keep out air and water. Painting is used for large steel objects such as car bodies.”译为：另一种普遍采用的防护方法，是在金属表面覆盖致密的保护层，将金属制品与空气、水隔开。对于汽车车身等大型钢铁制品，可采用喷涂油漆（涂漆）的办法。可见原书在定义这张照片时，就讲得比较含糊。人教版在引用时，没有进一步优化说明。 因此建议，选用资料图片时不妨对画面内容作更明确准确的说明：把图注改为“汽车车身的电泳涂装”，或在正文补充电泳涂装的原理及其与喷涂的区别；若正文仍要列举“喷涂油漆”，则另选对应图片或加注说明。如此既保持图文一致，也能把“覆盖保护层”这一上位概念与真实的工业情境对应起来，让资料图片真正发挥教材价值。 两处分别关乎概念表述可能产生的误解与图文情境的对应性，都不涉及知识性错误。但是建议可以从学生认知与素材使用角度进行微调，让教科书更完美。笔者水平有限，认知也可能有较大错误，敬请指正。 主要参考资料 1.人民教育出版社《普通高中教科书化学选择性必修1 化学反应原理》（2019 年审定），第 99-100页、图 4-23 及照片致谢页。 2.L. Zhang, X. Li, A. Augustsson, et al. Revealing the electronic structure of LiC₆ by soft X-ray spectroscopy [J]. Applied Physics Letters, 2017, 110(10): 104106. DOI: 10.1063/1.4978432. 3.J.S.Holman, P. Stone,Chemistry(Nelson Science), 2nd ed., Nelson Thornes, 2001.
一、锂离子电池：负极失去的电子究竟来自哪里
二、金属防护：关于教材113页插图4-23 的分析
