中學(xué)解題研究之電化學(xué)

中學(xué)解題研究之電化學(xué)

陳靜棠衷明華

(韓山師范學(xué)院化學(xué)系，廣東 潮州 521041)

摘要：自2010年廣東高考進(jìn)行改革后，化學(xué)科歸入理科綜合的范疇內(nèi)，而且近年來電化學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，所以電化學(xué)成為了高考命題熱點(diǎn)。然而很多學(xué)生對電化學(xué)這類題型甚為苦惱，覺得太雜亂，不易把握。其實電化學(xué)所考察的要點(diǎn)側(cè)重于基礎(chǔ)知識，只要我們把基礎(chǔ)知識學(xué)好，將我們學(xué)習(xí)的知識點(diǎn)進(jìn)行歸納，再掌握一些解題技巧，就可以在高考中以不變應(yīng)萬變。

關(guān)鍵詞：高考改革電化學(xué)解題技巧

一、近年高考試題分析

表　近年高考試題分析

從表中我們可以看出，2011—2014年廣東高考卷對電化學(xué)知識的考查題量為1至3道題，分值比例在4%至12%之間，題型以填空題、綜合題為主，在綜合題中進(jìn)行考查，對考生的電化學(xué)的掌握程度要求較高，考察要點(diǎn)側(cè)重于基礎(chǔ)知識，估計2015年電化學(xué)這部分知識點(diǎn)占廣東高考理綜分值為10%左右。

二、常見考點(diǎn)歸納

1、判斷電極的極性、電子轉(zhuǎn)移、電流方向、電解質(zhì)溶液中的離子轉(zhuǎn)移等問題。

2、能寫出電極反應(yīng)式并判斷電極反應(yīng)時電極現(xiàn)象、溶液濃度的變化或是酸堿性(pH)變化。

3、能根據(jù)原電池、電解池的電極變化判斷金屬活動性強(qiáng)弱。

4、理解金屬發(fā)生電化學(xué)腐蝕的原因，金屬腐蝕的危害，防止金屬腐蝕的措施。

5、了解原電池和電解池的主要運(yùn)用。

三、基礎(chǔ)知識及解題技巧

(一)判斷電極的極性、電子轉(zhuǎn)移、電流方向、電解質(zhì)溶液中的離子轉(zhuǎn)移等問題

1、原電池：把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，構(gòu)成的條件是能自發(fā)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，有電解質(zhì)溶液，兩個活潑型不同的電極、形成閉合回路。

(1)如何判斷原電池的極性——負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)正極還原反應(yīng)。

(2)如何判斷電子轉(zhuǎn)移、電流方向、電解質(zhì)溶液中的離子轉(zhuǎn)移——電子從負(fù)極流向正極，而電流方向與電子定向移動的方向相反，電解質(zhì)溶液中陰離子向負(fù)極遷移，陽離子向正極遷移。

2、電解池：把電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的裝置，它構(gòu)成的條件是有外加電源、與外電源相連的兩個電極、有電解質(zhì)溶液(或熔融)、形成閉合回路。

(1)如何判斷電解池的極性——陽極是與電源正極相連的電極，失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)，陰極是與電源負(fù)極相連的電極，得到電子發(fā)生還原反應(yīng)(陽極氧陰極還)。

(2)如何判斷電子轉(zhuǎn)移、電解質(zhì)溶液中的離子轉(zhuǎn)移——電子從電源負(fù)極經(jīng)外導(dǎo)線流向電解池陰極、電解質(zhì)溶液中陽離子向陰極移動，陰離子向陽極移動。

(二)書寫電極反應(yīng)方程式

1、原電池反應(yīng)式的書寫

(1)僅有一電極材料參與反應(yīng)：參與反應(yīng)的金屬電極失電子為負(fù)極，另一電極往往為正極，正極是介質(zhì)溶液中的微粒得電子(正極反應(yīng)一般為析氫、吸氧、析Cu、Ag等)。

a、酸性較強(qiáng)介質(zhì)：正極一般是析氫反應(yīng)。

負(fù)極：Zn-2e-=Zn2+；正極：2H++2e-=H2↑

b、接近中性介質(zhì)或堿性：正極一般是吸氧反應(yīng)。

負(fù)極：2Fe-4e-=2Fe2+；正極：O2+4e-+2H2O=4OH-

c、含不活潑金屬的鹽溶液為介質(zhì)：正極析出不活潑金屬(Cu、Ag等)。

負(fù)極：Fe-2e-=Fe2+；正極：Cu2++2e-=Cu

(2)兩電極材料均參與反應(yīng)：當(dāng)負(fù)極為金屬，正極為某金屬氧化物時(如：鉛蓄電池)，且負(fù)極金屬失電子后形成的離子能繼續(xù)與溶液形成沉淀時，此時負(fù)極為金屬失電子，形成的離子再和溶液中的離子發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)。正極為某金屬氧化物得電子，若形成的物質(zhì)能繼續(xù)跟電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，則正極反應(yīng)式為正極得電子，再發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)。下面我們以鉛蓄電池為例。[鉛蓄電池]負(fù)極：鉛；正極：二氧化鉛；電解質(zhì)溶液：硫酸溶液。

負(fù)極反應(yīng)式為：Pb-2e-+SO42-=PbSO4+2H2O

正極反應(yīng)式為：PbO2+2e-+4H++SO42-=PbSO4+2H2O

(3)電極材料本身均不參與反應(yīng)即都為惰性電極(常見于燃料電池)負(fù)極為該燃料失電子，正極一般為O2得電子。

例題：在堿性介質(zhì)中以CH4為燃料的燃料電池的正極反應(yīng)式為：2O2+4H2O+8e-=8OH-，請寫出該燃料電池的負(fù)極反應(yīng)方程式。

解析：該電池為燃料電池，故負(fù)極為燃料失電子，即CH4失電子。又電解質(zhì)溶液呈堿性，故負(fù)極反應(yīng)方程式為CH4+10OH--8e-=7H2O+CO32-

書寫原電池總結(jié)：準(zhǔn)確判斷原電池的正負(fù)極，高度注意電解質(zhì)的酸堿性，牢牢抓住總的反應(yīng)方程式，不能忽視電子轉(zhuǎn)移數(shù)相等。

2、電解池反應(yīng)式的書寫

(1)明白電解池原理：電解池是通過外接電流的作用，與電源負(fù)極相連的陰極得到電子，而陽極失去電子。

(2)列離子，判運(yùn)動：分析溶液中存在哪些離子，判斷離子的遷移。

如：氯化鈉溶液，由于具有電解質(zhì)氯化鈉和水，所以溶液中會存在H+、Cl-、Na+、OH-。根據(jù)物理學(xué)知識，在電場的作用下，陽離子(H+、Na+)會向陰極移動，陰離子(Cl-、OH-)會向陽極移動。

定得失：依照經(jīng)驗判定兩極得失電子的物質(zhì)。

陰極放電順序Ag+>Fe3+>Cu2+>H+酸>Pb2+>Sn2+>Fe2+>Zn2+>H+水>Al3+>Mg2+>Na+>Ca2+>K+；我們?nèi)绻?xì)看一下，就會發(fā)現(xiàn)這個放電順序，即是我們所講的氧化性強(qiáng)弱的順序，因為：H+>Na+，所以陰極的電極反應(yīng)式為：2H++2e-=H2↑

陽極放電順序：M(活性電極、即除金、鉑以外的金屬)>X-(S2->I->Br->Cl-)>OH->含氧酸根；我們細(xì)看一下，會發(fā)現(xiàn)這里同樣是氧化還原反應(yīng)知識：先強(qiáng)后弱規(guī)律，還原性強(qiáng)的物質(zhì)先失去電子。因為石墨電解為惰性電極，且Cl->OH-，所以陽極的電極反應(yīng)式為：2Cl--2e-=Cl2↑

四大電解類型

1.電解電解質(zhì)型(例：HCl、CuCl2)

2HCl=H2↑+Cl2↑

2.電解水型(例：NaOH、H2SO4、Na2SO4)

2H2O=2H2↑+O2↑

3.放H2生堿型(活潑金屬無氧酸鹽，例：NaCl)

陽極：2Cl-—2e-=Cl2↑(氧化反應(yīng))

陰極：2H+-2e-=H2↑(還原反應(yīng))

總：2NaCl+2H2O=2NaOH+H2↑+Cl2↑

4.放氧生酸型(不活潑金屬含氧酸鹽，例：CuSO4)

陽極：4OH-—4e-=2H2O+O2↑(氧化反應(yīng))

綜上可知，若想讓電解質(zhì)復(fù)原，只需加入電解后從溶液中出來的物質(zhì)(氣體和沉淀)即可，如電解H2SO4溶液，從溶液中出來的是H2和O2，相當(dāng)于電解水，故只需往溶液中加入適當(dāng)?shù)乃?具體多少得算)。

(三)原電池和電解池的應(yīng)用

1、原電池的應(yīng)用

(1)比較不同金屬的活動性強(qiáng)弱：根據(jù)原電池原理可知，在原電池反應(yīng)過程中，一般活動性強(qiáng)的金屬作負(fù)極，而活動性弱的金屬(或碳棒)作正極。

(2)加快反應(yīng)速率：原電池可以加快化學(xué)反應(yīng)速率。如鋅和稀硫酸反應(yīng)制取氫氣時，可向溶液中滴加少量硫酸銅，形成銅-鋅原電池，加快反應(yīng)進(jìn)行。

2、電解池的應(yīng)用

(1)電解飽和食鹽水

陽極反應(yīng)式：2Cl--2e-=Cl2↑

陰極反應(yīng)式：2H++2e-=H2↑

總反應(yīng)式：2NaCl+2H2O=Cl2↑+H2↑+2NaCl

應(yīng)用：氯堿工業(yè)制Cl2、H2和NaCl。

(2)電鍍或電解精煉銅

1待鍍金屬或精銅作陰極；鍍層金屬或粗銅作陽極。

2電極反應(yīng)：陽極：Cu-2e-=Cu2+；陰極：Cu2++2e-=Cu

(3)冶煉金屬(以冶煉Na為例)

1電極反應(yīng)：陽極：2Cl-—2e-=Cl2↑；陰極：2Na++2e-=2Na

2總反應(yīng)式：2NaCl(熔融)=2Na+Cl2↑

應(yīng)用：冶煉鈉、鎂、鋁等活潑金屬。

(四)金屬的防護(hù)

1、加防護(hù)層，如涂油漆、覆蓋陶瓷、電鍍、金屬鈍化等。

2、改變金屬的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如將普通鋼制成不銹鋼。

3、電化學(xué)保護(hù)法。

①犧牲陽極的正極(陰極)保護(hù)法：原電池原理，正極被保護(hù)。如在被保護(hù)的鋼鐵設(shè)備上裝上若干較活潑的金屬如鋅，讓在被保護(hù)的金屬作原電池的正極。

②外加電源的陰極保護(hù)法：利用電解池原理，陰極被保護(hù)。如用被保護(hù)的鋼鐵設(shè)備作陰極，惰性電極作陽極，外接直流電源。

四、典型習(xí)題

例1(雙項)銅鋅原電池(如圖)工作時，下列敘述正確的是()。

圖　銅鋅原電池

A.正極反應(yīng)為：Zn—2e-=Zn2+

B.電池反應(yīng)為：Zn+Cu2+=Zn2++Cu

C.在外電路中，電子從負(fù)極流向正極

D.鹽橋中的K+移向ZnSO4溶液

解析：我們知道Zn的活潑性比Cu強(qiáng)，所以Zn是負(fù)極，故A錯。電池總反應(yīng)和沒有形成原電池時的氧化還原反應(yīng)相同，故B正確。根據(jù)閉合回路的電流方向，在外電路中，電子由負(fù)極流向正極，故C正確。在溶液中，陽離子往正極移動，陰離子往負(fù)極移動，故D錯誤。答案：BC。

例2(2011年廣東高考32(5))鋼材鍍鋁后，表面形成的致密氧化鋁膜能防止鋼材腐蝕，其原因是()。

答案：(5)陽極：Al-+3e-=Al3+；陰極：4Al2Cl7―+3e-=7AlCl4―+Al。

解析：鋁在空氣中易形成一層極薄的致密而堅固的氧化膜，它能阻止氧化深入內(nèi)部，起到防腐保護(hù)作用。從上面幾個高考電化學(xué)題來看，高考題其實并不難，只要掌握了上面的知識點(diǎn)，高考電化學(xué)就沒什么可怕的。

例3(2013 年廣東高考33)能量之間可以相互轉(zhuǎn)化：電解食鹽水制備Cl2是將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，而原電池可將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。設(shè)計兩種類型的原電池，探究其能量轉(zhuǎn)化效率限選材料：ZnSO4(aq)，F(xiàn)eSO4(aq)，CuSO4(aq)；銅片，鐵片，鋅片和導(dǎo)線。①完成原電池的裝置示意圖(如圖)，并作相應(yīng)標(biāo)注。要求：在同一燒杯中，電極與溶液含相同的金屬元素。

②銅片為電極之一，CuSO4(aq)為電解質(zhì)溶液，只在一個燒杯中組裝原電池乙，工作一段時間后，可觀察到負(fù)極。(如圖)

③根據(jù)犧牲陽極的陰極保護(hù)法原理，為減緩電解質(zhì)溶液中鐵片的腐蝕，在②的材料中應(yīng)選()作陽極。

答案：①

圖　原電池的裝置示意圖

②電極逐漸溶解

③Zn

解析：②由題給試劑，結(jié)合原電池的形成條件可知可以組合的原電池可以是：鋅銅、鋅鐵、鐵銅原電池。由圖示所給電子移動方向可知左邊為負(fù)極(活潑金屬)、右邊為正極(不活潑金屬)，則組裝的原電池可以如下：

圖　組裝的原電池

由所給的電極材料可知，當(dāng)銅片做電極時，銅片一定是正極，則負(fù)極是活潑的金屬(失電子發(fā)生氧化反應(yīng))。反應(yīng)的現(xiàn)象是電極逐漸溶解。以Zn和Cu做電極為例，如果不用鹽橋則Zn與CuSO4反應(yīng)，置換出的Cu附著在Zn表面，阻礙了Zn與CuSO4的接觸，不能提供穩(wěn)定電流。

③根據(jù)犧牲陽極的陰極保護(hù)法，可知被保護(hù)的金屬作陰極，即Zn作為陽極。

五、命題趨勢

電化學(xué)知識的考查可以在一定程度上體現(xiàn)出題人的情感價值觀，因為許多學(xué)生一看到電化學(xué)的相關(guān)題型，就有點(diǎn)害怕了，考生在考試時，應(yīng)該調(diào)整好心態(tài)，平時把基礎(chǔ)知識學(xué)好，將電化學(xué)的知識點(diǎn)進(jìn)行歸納，再掌握一些解題技巧，考試時應(yīng)該沉著冷靜分析題型。近年來，隨著能源的日趨緊張合理開發(fā)，綜合利用陸上資源與海水顯得尤為重要，而金屬礦物和海水資源的開發(fā)利用過程主要涉及金屬的冶煉和防護(hù)，在高考中就可以結(jié)合氧化還原反應(yīng)，電化學(xué)知識進(jìn)行考查的題型就不會只局限在選擇題上，而是越來越趨向于與化工流程題相結(jié)合的命題類型，考查金屬精煉、電解海水、新型電池、電鍍等知識點(diǎn)。因此，這是考生應(yīng)重點(diǎn)復(fù)習(xí)的一個方向。

參考文獻(xiàn)

[1]王秀杰，中學(xué)化學(xué)開放性試題教學(xué)的研究.

[2]韓家勛，素質(zhì)教育與高考化學(xué)命題改革研究.