雙液電池在實(shí)驗(yàn)探究中的解題思路分析

林耀昆

（福建省泉州市第十七中學(xué)，福建泉州 362121）

引 言

教育部新頒發(fā)的《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》提出，高中學(xué)生應(yīng)具有“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”的學(xué)科核心素養(yǎng)，學(xué)生要能認(rèn)識(shí)到科學(xué)探究是進(jìn)行科學(xué)解釋和發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)造與應(yīng)用的科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)；能發(fā)現(xiàn)和提出有探究?jī)r(jià)值的問題；能從問題和假設(shè)出發(fā)，依據(jù)探究目的，設(shè)計(jì)探究方案，運(yùn)用化學(xué)實(shí)驗(yàn)、調(diào)查等方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究；勤于實(shí)踐，善于合作，敢于質(zhì)疑，勇于創(chuàng)新[1]。筆者在研究高考試題過程中發(fā)現(xiàn)，近幾年北京市高考或高三質(zhì)檢的化學(xué)命題中多次出現(xiàn)了利用雙液電池進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的探究。本文以改編后的北京市高考和高三質(zhì)檢化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究題為例，探討雙液電池在實(shí)驗(yàn)探究中的解題思路。

一、應(yīng)用雙液電池進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究的主要考查內(nèi)容

電化學(xué)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)知識(shí)是氧化還原反應(yīng)，同時(shí)電化學(xué)的應(yīng)用是對(duì)氧化還原反應(yīng)知識(shí)的一種升華。物質(zhì)的氧化性或還原性強(qiáng)弱受離子濃度、介質(zhì)酸度、溫度等因素的影響。對(duì)于電池電動(dòng)勢(shì)比較小的反應(yīng)，離子濃度的改變可能會(huì)引起反應(yīng)方向的改變[2]。在高考命題中，應(yīng)用雙液電池進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究的考查內(nèi)容主要是離子濃度、介質(zhì)酸度的改變?nèi)绾斡绊懳镔|(zhì)的氧化性或還原性，以及氧化還原可逆反應(yīng)的方向等。

二、雙液電池在實(shí)驗(yàn)探究中的解題思路

控制變量法在探究實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用較多，利用雙液電池，控制或改變濃度、介質(zhì)酸度等因素探究物質(zhì)的氧化性或還原性強(qiáng)弱就是其中的一種應(yīng)用。筆者認(rèn)為，在高考復(fù)習(xí)中，教師可以教給學(xué)生采用以下思維模型進(jìn)行解題，如圖1所示。

圖1

三、案例分析

例1.（2015年高考北京卷第28 題，有適當(dāng)?shù)膭h減和改編）

為探討化學(xué)平衡移動(dòng)原理與氧化還原反應(yīng)規(guī)律的聯(lián)系，某同學(xué)通過改變濃度研究“2Fe3++2I-2Fe2++I2”，反應(yīng)中Fe3+和Fe2+的相互轉(zhuǎn)化。實(shí)驗(yàn)如表1。

表1

（1）根據(jù)氧化還原反應(yīng)的規(guī)律，該同學(xué)推測(cè)i 中Fe2+向Fe3+轉(zhuǎn)化的原因：外加Ag+使c(I-)降低，導(dǎo)致I-的還原性弱于Fe2+，用圖2裝置（a、b 均為石墨電極）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖2

①K 閉合時(shí)，指針向右偏轉(zhuǎn)，b 作_______極，a 電極區(qū)對(duì)應(yīng)溶液為___________。

②當(dāng)指針歸零（反應(yīng)達(dá)到平衡）后，向U 型管左管滴加0.01 mol/L AgNO3溶液，產(chǎn)生的現(xiàn)象證實(shí)了其推測(cè)，該現(xiàn)象是 ____________________________。

（2）按照（1）的原理，該同學(xué)用圖2裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了ii 中Fe2+向Fe3+轉(zhuǎn)化的原因，

①轉(zhuǎn)化原因是________________________________________________________________________。

②與（1）實(shí)驗(yàn)對(duì)比，不同的操作是_________________________________。

【答案】

（1）①正0.01 mol/L KI 溶液；②左管產(chǎn)生黃色沉淀，指針向左偏轉(zhuǎn)。

（2）①Fe2+隨濃度增大，還原性增強(qiáng)，使Fe2+還原性強(qiáng)于I-；②向U 型管右管中滴加1mol/L FeSO4溶液。

【解題思維模型分析】

1.依據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，得到氧化還原反應(yīng)為2Fe3++2I-2Fe2++I2。

2.設(shè)計(jì)雙液原電池：根據(jù)提供雙液電池的圖形，結(jié)合上述氧化還原反應(yīng)及題目實(shí)驗(yàn)操作，可以得出a 電極區(qū)對(duì)應(yīng)溶液為0.01 mol/L KI 溶液。

3.控制無關(guān)變量：KI 溶液的濃度為0.01 mol/L，F(xiàn)e2（SO4）3溶液的濃度為0.005 mol/L，溫度相同。

4.操縱實(shí)驗(yàn)變量：本實(shí)驗(yàn)探究的實(shí)驗(yàn)變量為外加Ag+濃度和外加Fe2+濃度，通過改變I-濃度和Fe2+濃度，使電池電動(dòng)勢(shì)比較小的反應(yīng)2Fe3++2I-2Fe2++I2的反應(yīng)方向發(fā)生改變。所以，第（1）小題的②實(shí)驗(yàn)操作是“向U 型管左管滴加0.01 mol/L AgNO3”，第（2）小題的②實(shí)驗(yàn)操作是“向U 型管右管中滴加1mol/L FeSO4溶液”。

5.現(xiàn)象和結(jié)論：由第（1）小題結(jié)論“外加Ag+使c(I-)降低，導(dǎo)致I-的還原性弱于Fe2+”反推出②實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為“左管產(chǎn)生黃色沉淀，指針向左偏轉(zhuǎn)”。

例2.（2017年北京市西城區(qū)一?？荚囶}，有適當(dāng)?shù)膭h減和改編）

某化學(xué)小組研究鹽酸被MnO2氧化的條件，進(jìn)行如表2實(shí)驗(yàn)。

表2

（1）III中無明顯現(xiàn)象的原因，可能是c(H+)或c(Cl－)較低，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)IV 進(jìn)行探究：

①將實(shí)驗(yàn)III、IV 作對(duì)比，得出的結(jié)論是__________________________；

②將i、ii 作對(duì)比，得出的結(jié)論是_______________________________________。

（2）用圖3裝置（a、b 均為石墨電極）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)V：

圖3

K 閉合時(shí)，指針向左偏轉(zhuǎn)；

向右管中滴加濃H2SO4至c(H+)≥7 mol·L-1，指針偏轉(zhuǎn)幅度變化不大；

再向左管中滴加濃H2SO4至c(H+)≥7 mol·L-1，指針向__________左偏轉(zhuǎn)幅度增大。

將i 和ii、iii 作對(duì)比，得出的結(jié)論是__________________________________。

【答案】

（1）①III 中沒有明顯現(xiàn)象的原因是c(H+)、c(Cl-)較低，需要增大到一定濃度才能被MnO2氧化。

②MnO2氧化鹽酸的反應(yīng)中c(H+)變化的影響大于c(Cl-)。

（2）HCl 的還原性與c(H+) 無關(guān)；MnO2的氧化性與c(H+)有關(guān)，c(H+)越大，MnO2的氧化性越強(qiáng)。

【解題思維模型分析】

1.依據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，得到氧化還原反應(yīng)為MnO2+4H++2Cl-Mn2++Cl2↑+2H2O。

2.設(shè)計(jì)雙液原電池（本題已經(jīng)提供雙液電池的圖形，只要判斷雙液電池的正負(fù)極就可以了）。

3.控制無關(guān)變量：MnO2的質(zhì)量，c(Cl-)為4mol/L，且溫度相同。

4.操縱實(shí)驗(yàn)變量：本實(shí)驗(yàn)探究的實(shí)驗(yàn)變量為H+的濃度，H+的濃度大小到底會(huì)影響Cl-的還原性或是會(huì)影響MnO2的氧化性呢？所以實(shí)驗(yàn)操作為“向右管中滴加濃H2SO4至c(H+)≥7 mol·L-1”和“再向左管中滴加濃H2SO4至c(H+)≥ 7 mol·L-1”。

5.現(xiàn)象和結(jié)論：由現(xiàn)象“向右管中滴加濃H2SO4至c(H+)≥7 mol·L-1，指針偏轉(zhuǎn)幅度變化不大”，而“再向左管中滴加濃H2SO4至c(H+)≥7 mol·L-1，指針向左偏轉(zhuǎn)幅度增大”得出的結(jié)論是“HCl 的還原性與c(H+)無關(guān)；MnO2的氧化性與c(H+)有關(guān)，c(H+)越大，MnO2的氧化性越強(qiáng)”。

結(jié) 語

近幾年，高考化學(xué)實(shí)驗(yàn)題的考查更注重實(shí)用性和開放性，控制變量法的探究實(shí)驗(yàn)是考查學(xué)生“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”的學(xué)科核心素養(yǎng)及科學(xué)探究能力、綜合解決實(shí)際問題的能力的最重要的題型之一。因此，化學(xué)教師在高考復(fù)習(xí)中要求學(xué)生會(huì)用電化學(xué)知識(shí)與氧化還原反應(yīng)、控制變量法，且結(jié)合一定的思維模型去解決有關(guān)雙液電池的實(shí)驗(yàn)探究題。