高中電化學基礎(chǔ)知識及其應用

陳謙明

[摘? ?要]電化學是高中化學的重要內(nèi)容之一，主要研究對象是原電池和電解池，對兩者電極的正確判斷和電極反應的熟練掌握有助于學生解決復雜的電化學題目，提高解題效率，同時，能使其更好地理解電化學在生產(chǎn)生活中的實際應用，真正實現(xiàn)學以致用。

[關(guān)鍵詞] 電化學;化學教學;高中化學

[中圖分類號]? ? G633.8? ? ? ?[文獻標識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2019）15-0062-02

在高中階段的化學課程體系中，電化學基礎(chǔ)知識是重要內(nèi)容之一。電化學知識的研究對象主要是原電池和電解池。簡單來說一個電池主要包括兩個電極以及電極之間的電解質(zhì)。因此，電化學基礎(chǔ)知識主要包括兩大部分：（1）關(guān)于電解質(zhì)的內(nèi)容，即電解質(zhì)的導電性以及相關(guān)離子的性質(zhì)。（2）關(guān)于電極的內(nèi)容，主要研究電極平衡以及通電后的極化性質(zhì)，即電極、電解質(zhì)界面處的電化學行為。不管是研究電解質(zhì)還是電極，都需要用到熱力學、動力學以及材料學方面的知識。

一、高中電化學基礎(chǔ)知識

1.電極的判斷

在現(xiàn)階段使用的高中化學課本中，電極名稱在原電池和電解池中明顯不同。前者的電極分為正極和負極，而后者分為陽極和陰極。原電池電極的判斷方法主要有以下四種：（1）根據(jù)構(gòu)成原電池的電極材料判斷：活潑金屬作負極，較不活潑金屬或?qū)щ姷姆墙饘偌敖饘傺趸镒髡龢O。（2）根據(jù)電子流向或電流流向判斷：電子流出或電流流入的電極為負極，反之為正極。（3）根據(jù)原電池的反應進行判斷：發(fā)生氧化反應的為負極，發(fā)生還原反應的為正極。（4）根據(jù)兩極現(xiàn)象判斷：溶解或質(zhì)量減少的一極為負極，質(zhì)量增加或有氣泡產(chǎn)生的一極為正極。電解池電極的判斷方法：和電源負極相連的是電解池的陰極，和電源正極相連的是電解池的陽極。

2.電極反應

在電化學中，原電池、電解池中都會發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，即氧化還原反應。依據(jù)反應中的電子得失情況，我們將原電池中得到電子的一極叫做正極，失去電子的一極叫做負極。而在電解池中我們將失去電子的一極叫做陽極，得到電子的一極叫做陰極。一般情況下，當兩電極的活性存在較大差異時，原電池中具有較強活性的電極會失去電子成為負電極;但是，也可能存在特殊情況。例如，活性金屬鎂、鋁作為電極，氫氧化鈉溶液作為電解質(zhì)組成原電池，雖然鎂的活性比鋁強，但鋁在氫氧化鈉溶液中的活性卻比鎂強，因此鋁作為電池負極：2Al-6e-+8OH-=2AlO2-+4H2O;鎂作為電池正極：6H2O-6e-=3H[2↑]+6OH-，電極總反應為：2Al+2OH-+2H2O=2AlO2-+3H2[↑]?？梢婃V、鋁在強堿性環(huán)境下的活性和平時不同。又如，銅、鋁電極和濃硝酸構(gòu)成原電池，負極反應：Cu-2e-=Cu2+;正極反應：4HNO3+2e-=2NO-3+2NO2+2H2O;總反應：Cu+4HNO3=Cu（NO3）2+2NO2+2H2O。其中鋁在濃硝酸溶液中發(fā)生鈍化，此時銅的活性比鋁強，因此作為電池負極。教師可以結(jié)合這兩個典型的原電池構(gòu)成及其相關(guān)電極反應讓學生明白原電池電極的判斷和電解質(zhì)溶液有關(guān)，不同的電解質(zhì)溶液中，同一種電極材料的活性會發(fā)生變化，甚至惰性電極也可能會發(fā)生反應。在實踐中常用的惰性電極材料有石墨、金屬鉑，惰性電極一般不參與反應，但也存在特例，如在工業(yè)中制備鋁金屬時可以利用石墨作電極電解熔融Al2O3來制取，其相關(guān)電極反應為，陽極：[6O2--12e-=3O2];陰極：[4Al3++12e-=4Al]，而在高溫環(huán)境下，C可以和O2反應生成CO2，可見石墨作為電極并不是任何條件下都不會發(fā)生反應，因此在工業(yè)生產(chǎn)中，石墨會有耗損，需要持續(xù)補充。

二、電化學知識的應用

1.原電池的應用

在學習電化學基礎(chǔ)知識時，教師要讓學生意識到原電池是電化學中非常關(guān)鍵的內(nèi)容。原電池是將化學能轉(zhuǎn)換為電能的一種裝置。當將兩個電極置于電解質(zhì)中，連通形成閉合電路時，原電池電極將發(fā)生氧化還原反應形成電流，這樣一來化學能就轉(zhuǎn)化成了電能。原電池的應用主要有兩類。一類是利用原電池發(fā)生氧化還原反應的原理，改變金屬的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如在鋼中加入Cr、Ni制取不銹鋼;利用電鍍方法在鋼鐵表明形成保護金屬的一層氧化膜，起到防腐蝕的作用。另一類是用作化學電池，原電池的氧化還原基本不可逆，因此反應結(jié)束后，電池不可重復充電使用，這也是原電池名稱的由來。在高中化學教學中，當講解到電化學知識的應用類題目時，教師要引導學生運用電化學知識和相關(guān)反應原理分析問題，解決問題。在高中化學學習中電化學基礎(chǔ)知識的應用通常與化學電源有關(guān)，如鋅-錳干電池、鉛蓄電池、鋅-銀紐扣電池和燃燒電池的相關(guān)應用問題等。

2.電解池及其應用

電解池和原電池相反，它是一種將電能轉(zhuǎn)化為化學能的裝置。電解池中的電化學反應需要外接電源，形成閉合電路才能發(fā)生。電解池知識在高中化學題目中的應用主要集中在放電順序的判定以及電解規(guī)律的分析上。在電解池應用題中，電鍍和氯堿工業(yè)的應用問題比較常見，這類問題通常出現(xiàn)在綜合分析題中，分值占比相對較大。因此，學生要重視對這部分知識的學習和掌握。

三、高中電化學題目的解題方法

1.解題基本步驟

在比較復雜的電化學題目中，基本的解題步驟和思路是先確定題目中提到的電化學反應裝置是原電池還是電解池，確定后再判斷電極名稱，書寫電極反應式，結(jié)合反應產(chǎn)物、電子轉(zhuǎn)移以及離子傳輸判斷電極反應類型，掌握其中規(guī)律，最后根據(jù)相關(guān)現(xiàn)象的描述和解釋進行計算，求解出問題答案。

2.判斷電極名稱

如上所述，在解答電化學題目時，我們需要判斷電極名稱，一般可以結(jié)合電極材料的活性強弱以及連接電極的外部電源的極性來判斷電極名稱，還可以依據(jù)電子的轉(zhuǎn)移方向或電極電勢的高低等電化學知識來判定電極名稱。此外，根據(jù)電極自身發(fā)生的的是氧化反應還是還原反應也能知道電極離子的移動情況，從而判斷出電極名稱。

3.書寫原電池電極反應式的方法

原電池的負極發(fā)生的是失去電子的氧化反應，正極發(fā)生的是得到電子的還原反應，兩個電極之間得失電子數(shù)必定相等。正極、負極的兩個電極反應相加得到電池的總反應式。假如溶液中存在氫氧根離子且該離子參與電極反應，則氫氧根離子必然會出現(xiàn)在負極中。如果溶液中的氫離子數(shù)量增加，則溶液的酸性增強，pH值降低;如果氫氧根離子增加，則溶液堿性增強，pH會升高。

綜上所述，電化學是重要的化學基礎(chǔ)知識，在實際生活和生產(chǎn)領(lǐng)域有著廣泛的應用，學生必須掌握好電化學的基礎(chǔ)知識才能有效解決原電池和電解池的相關(guān)問題，從而取得優(yōu)異的化學成績。

[? 參? ? 考? ? 文? ? 獻? ]

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（責任編輯? ? 斯? ?陌）