電化學(xué)題目中所承載的“微粒觀”

■北京市十一學(xué)校 劉子宏

電化學(xué)題目中所承載的“微粒觀”

■北京市十一學(xué)校 劉子宏

高考是選拔性考試,因此高考化學(xué)試卷擔(dān)負(fù)著選拔出具有化學(xué)核心素養(yǎng)的優(yōu)秀人才的責(zé)任。而電化學(xué)在這個(gè)過程中起到的作用是什么?我認(rèn)為,是考查考生的“微粒觀”,更準(zhǔn)確地說應(yīng)該是“微粒運(yùn)動(dòng)觀”。通過電化學(xué)題目考查考生是否認(rèn)識(shí)到微觀粒子的客觀存在,以及微觀粒子是在一定作用驅(qū)動(dòng)下,按照一定規(guī)律運(yùn)動(dòng)的。

一、微觀粒子的存在

在對(duì)電化學(xué)裝置進(jìn)行分析時(shí),首先要明確體系中所存在的微觀粒子,即認(rèn)識(shí)到微觀粒子是客觀存在的。

例1某同學(xué)按圖1所示的裝置進(jìn)行電解實(shí)驗(yàn)。下列說法正確的是( )。

圖1

A.電解過程中,銅電極上有H2產(chǎn)生

C.電解過程中,溶液的顏色變化為“無色→藍(lán)色→無色”

D.整個(gè)電解過程中,溶液中H+的濃度不斷增大

解析：陽極是銅電極,故電解過程中陽極反應(yīng)為Cu-2e-══Cu2+,不產(chǎn)生H2,A項(xiàng)錯(cuò)誤。雖然Cu2+放電順序應(yīng)該在H+之前,但電解的初始階段,溶液中大量存在的陽離子是H+,而Cu2+濃度較低,故H+在陰極放電,B項(xiàng)正確。此過程中,陰極一直在消耗H+,故H+濃度不斷減小,D項(xiàng)錯(cuò)誤。隨著陽極Cu-2e-══Cu2+反應(yīng)的進(jìn)行,Cu2+濃度不斷增大,溶液由無色逐漸變?yōu)樗{(lán)色,陰極的主要反應(yīng)由2H++2e-══H2↑向Cu2++2e-══Cu過渡,陽極每產(chǎn)生一個(gè)Cu2+,陰極消耗一個(gè)Cu2+,此階段中Cu2+濃度不變,即溶液藍(lán)色不變。當(dāng)銅電極完全消耗掉時(shí),該裝置斷路,溶液維持在藍(lán)色,不會(huì)變無色,C項(xiàng)錯(cuò)誤。

答案：B

二、微觀粒子的“運(yùn)動(dòng)”

不知大家是否想過一個(gè)問題：仍用例1的裝置圖,將電解質(zhì)溶液換為氯化鈉溶液,電解一段時(shí)間以后,石墨電極上是否能鍍上銅呢?

咱們在電化學(xué)的題目中,演示電鍍原理時(shí),一般都選用硫酸銅溶液,銅電極為陽極。電鍍開始時(shí),陽極反應(yīng)為Cu-2e-══Cu2+,陰極反應(yīng)為Cu2++2e-══Cu,很快,同學(xué)們就能看到陰極上附著一層銅。如果換為例1中的稀硫酸,經(jīng)之前的分析我們不難想到,雖然電解初期陰極沒有銅附著,但是電解一段時(shí)間后,隨著陽極Cu-2e-══Cu2+反應(yīng)的進(jìn)行,Cu2+濃度不斷增大,陰極就會(huì)附著銅。那么換為氯化鈉溶液呢?我們來一起想象一下這個(gè)過程。

電解初期,陽極反應(yīng)為Cu-2e-══Cu2+,陰極反應(yīng)為2H2O+2e-══H2↑+2OH-,有的同學(xué)可能會(huì)想,開始的時(shí)候溶液中Cu2+濃度低,但是電解一段時(shí)間以后,陽極附近Cu2+濃度增大,Cu2+會(huì)從陽極向陰極移動(dòng),那陰極的電極反應(yīng)就會(huì)變?yōu)镃u2++2e-══Cu。請注意,此電化學(xué)裝置中,在電極電性的驅(qū)動(dòng)下,陽離子會(huì)向陰極移動(dòng),而同時(shí)陰離子也會(huì)向陽極移動(dòng),陰極產(chǎn)生的OH-不是靜止在陰極的,它們一旦產(chǎn)生,就會(huì)向著陽極不斷移動(dòng),請想象一下,會(huì)出現(xiàn)什么結(jié)果?是的,向陰極移動(dòng)的Cu2+和向陽極移動(dòng)的OH-會(huì)在溶液中某處相遇,生成Cu(OH)2沉淀,Cu2+幾乎難以到達(dá)陰極生成銅單質(zhì)。

在原電池中也是同樣的情況,陰離子會(huì)不斷向負(fù)極移動(dòng),陽離子會(huì)不斷向正極移動(dòng),離子一直處于不斷的運(yùn)動(dòng)中,不是靜止不動(dòng)的。

例2電解硫酸鋁和硫酸鐵的混合溶液(溶液A)得到液體聚合硫酸鋁鐵[AlaFeb(OH)m(SO4)n]。裝置如圖2所示(陰離子交換膜只允許陰離子通過,電極為惰性電極)。

圖2

(1)電解過程陽極室溶液pH的變化是____(填“增大”“減小”或“不變”)。

(2)簡述在反應(yīng)室中生成液體聚合硫酸鋁鐵的原理：____。

解析：陽極電極反應(yīng)式為2H2O-4e-══O2↑+4H+,H+濃度增大,故pH減小;對(duì)比進(jìn)入反應(yīng)室的溶液A和液體聚合硫酸鋁鐵[AlaFeb(OH)m(SO4)n]不難發(fā)現(xiàn),一進(jìn)一出的兩種物質(zhì)其差異在于陰離子的種類和數(shù)目。由Al2(SO4)3和Fe2(SO4)3的混合液A相當(dāng)于[AlaFeb(SO4)(1.5a+1.5b)],對(duì)比它與液體聚合硫酸鋁鐵[AlaFeb(OH)m(SO4)n]化學(xué)式不難發(fā)現(xiàn),是OH-替代了部分,因此在解釋時(shí)要描述出OH-移入反應(yīng)室,而移出反應(yīng)室的“動(dòng)態(tài)”過程。

答案：(1)減小 (2)電解過程中反應(yīng)室中的SO42-通過陰離子交換膜進(jìn)入陽極室,陰極室中的OH-通過陰離子交換膜進(jìn)入反應(yīng)室,生成聚合硫酸鋁鐵。

三、微觀粒子的“定量運(yùn)動(dòng)”

說了上述兩個(gè)問題之后,我們再來看看微觀粒子的定量運(yùn)動(dòng)。在電化學(xué)裝置中,電解質(zhì)溶液中離子的重要作用之一就是平衡電荷,形成閉合回路。我們先來看一個(gè)簡單的模型(圖3)：

圖3

此裝置中,鐵電極為負(fù)極,負(fù)極每失去x個(gè)電子(xe-),正極便得到x個(gè)電子(xe-),此時(shí)如果離子不移動(dòng),負(fù)極便帶x個(gè)正電,而正極帶x個(gè)負(fù)電,電荷不再平衡。為了平衡電荷,溶液中的離子就要進(jìn)行移動(dòng)。因?yàn)槭琴|(zhì)子交換膜,僅允許H+通過,因此負(fù)極室的H+透過質(zhì)子交換膜,移入正極室,共移動(dòng)x個(gè)H+時(shí),兩個(gè)電極室的電荷達(dá)到平衡。

若將上述裝置中的質(zhì)子交換膜改為陽離子交換膜(如圖4),此時(shí)負(fù)極室的陽離子(H+和Fe2+)透過陽離子交換膜,移入正極室,H+和Fe2+共移動(dòng)x個(gè)單位正電荷時(shí),兩個(gè)電極室的電荷到達(dá)平衡,與圖3裝置相比,此時(shí)移動(dòng)的H+個(gè)數(shù)少于x個(gè)。

我們再回頭看一下例2的(1),試想一下,若將例2裝置中的陰離子交換膜改為只允許OH-通過的交換膜,電解過程陽極室溶液的pH仍然是減小嗎?當(dāng)然不是。每當(dāng)電路中通過x個(gè)電子時(shí),陽極就會(huì)產(chǎn)生x個(gè)H+,為了平衡電荷,同時(shí)會(huì)有x個(gè)OH-通過交換膜進(jìn)入陽極室,等量的H+與OH-中和,溶液仍為中性(原陽極室液體中為Na2SO4溶液)。

我們再來看一道題。

圖4

例3電化學(xué)降解NO-3的原理如圖5所示。

若電解過程中轉(zhuǎn)移了2mole-,則膜兩側(cè)電解液的質(zhì)量變化差(Δm左-Δm右)為____g。

圖5

解析：B電極上NO-3轉(zhuǎn)變?yōu)镹2,N化合價(jià)降低,得電子,為陰極。

陽極(A)：2H2O-4e-══O2↑+4H+

陰極(B)：2NO-3+6H2O+10e-══N2↑+12OH-

因?yàn)殡娊膺^程中轉(zhuǎn)移了2mole-,故陽極生成O20.5 mol,即減重16g,陰極生成0.2molN2,即減重5.6g,所以膜兩側(cè)電解液的質(zhì)量變化差(Δm左-Δm右)為10.4g,是這樣嗎?注意,這樣想的同學(xué),是“看到”了微粒,但是還沒有“看到”微粒的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)移2mole-時(shí),為了平衡電荷,左側(cè)電極室必然有2molH+移入右側(cè)電極室,因此,左側(cè)減少2molH+,減重變?yōu)?8g,右側(cè)增加2molH+,減重從5.6g變?yōu)?.6g,故膜兩側(cè)電解液的質(zhì)量變化差(Δm左-Δm右)為(18-3.6)g,即14.4g。

答案：14.4

點(diǎn)評(píng)：從上述幾例我們可以看出,電化學(xué)習(xí)題所承載的是對(duì)考生“微粒觀”的考查,電化學(xué)題目中的“難點(diǎn)”,就是對(duì)考生化學(xué)核心素養(yǎng)的考查點(diǎn)。在日常的練習(xí)中,我們要有意識(shí)地去強(qiáng)化“微粒觀”,認(rèn)識(shí)到微觀粒子是在運(yùn)動(dòng)的,這樣,這些所謂的“難點(diǎn)”也就迎刃而解了。

(責(zé)任編輯 謝啟剛)

劉子宏,畢業(yè)于北京大學(xué),碩士,海淀區(qū)骨干教師。從教10年,有較為豐富的高中化學(xué)教學(xué)經(jīng)驗(yàn),曾公開發(fā)表《理科思維融合對(duì)提高化學(xué)教學(xué)實(shí)效性的研究》《大陸與臺(tái)灣化學(xué)必修教材中“電解質(zhì)”概念群編寫的比較》等文章。