學(xué)科核心素養(yǎng)下電化學(xué)命題、解題和教學(xué)模型分析——以2017—2019年全國(guó)卷Ⅰ電化學(xué)選擇題為例

廣東

近幾年高考電化學(xué)試題都以新穎的原電池和電解池形式進(jìn)行呈現(xiàn)，大部分學(xué)生在面對(duì)較為復(fù)雜的電化學(xué)試題時(shí)，出現(xiàn)“毫無(wú)頭緒”“沒有邏輯”“思維混亂”“無(wú)從下手”的情況。出現(xiàn)這些情況的主要原因是對(duì)電極材料本身是否發(fā)生反應(yīng)混淆；對(duì)電解質(zhì)溶液本身是否參與反應(yīng)混淆；面對(duì)新型陌生的裝置，缺少合理的認(rèn)識(shí)角度和思路；不能準(zhǔn)確、全面地捕獲圖示信息等等。歸根結(jié)底是學(xué)生對(duì)電化學(xué)裝置的能量轉(zhuǎn)化過程不能系統(tǒng)地、有邏輯地分析，只停留在電極、電解質(zhì)溶液等外觀形式，沒有深入理解其本質(zhì)原因，如電子的得失和定向轉(zhuǎn)移引起的各種微粒之間的相互作用，以及環(huán)境微粒對(duì)生成物微粒的后續(xù)影響等等。針對(duì)這些問題，本文從命題、解題和教學(xué)三個(gè)維度深度剖析學(xué)科核心素養(yǎng)視域下電化學(xué)的命題機(jī)制、解題方法和教學(xué)策略。

一、典例呈現(xiàn)

【例1】(2019·全國(guó)卷Ⅰ·12)利用生物燃料電池原理研究室溫下氨的合成，電池工作時(shí)MV2+/MV+在電極與酶之間傳遞電子，示意圖如下所示。下列說法錯(cuò)誤的是

( )

A.相比現(xiàn)有工業(yè)合成氨，該方法條件溫和，同時(shí)還可提供電能

C.正極區(qū)，固氮酶為催化劑，N2發(fā)生還原反應(yīng)生成NH3

D.電池工作時(shí)質(zhì)子通過交換膜由負(fù)極區(qū)向正極區(qū)移動(dòng)

【答案】B

【例2】(2018·全國(guó)卷Ⅰ·13)最近我國(guó)科學(xué)家設(shè)計(jì)了一種CO2+H2S協(xié)同轉(zhuǎn)化裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣中CO2和H2S的高效去除。示意圖如圖所示，其中電極分別為ZnO@石墨烯(石墨烯包裹的ZnO)和石墨烯，石墨烯電極區(qū)發(fā)生反應(yīng)為：

該裝置工作時(shí)，下列敘述錯(cuò)誤的是

( )

C.石墨烯上的電勢(shì)比ZnO@石墨烯上的低

D.若采用Fe3+/Fe2+取代EDTA-Fe3+/EDTA-Fe2+，溶液需為酸性

【答案】C

【例3】(2017·全國(guó)卷Ⅰ·11)支撐海港碼頭基礎(chǔ)的鋼管樁，常用外加電流的陰極保護(hù)法進(jìn)行防腐，工作原理如圖所示，其中高硅鑄鐵為惰性輔助陽(yáng)極。下列有關(guān)表述不正確的是

( )

A.通入保護(hù)電流使鋼管樁表面腐蝕電流接近于零

B.通電后外電路電子被強(qiáng)制從高硅鑄鐵流向鋼管樁

C.高硅鑄鐵的作用是作為損耗陽(yáng)極材料和傳遞電流

D.通入的保護(hù)電流應(yīng)該根據(jù)環(huán)境條件變化進(jìn)行調(diào)整

【答案】C

二、命題模型解析

電化學(xué)(尤其是新型電池)是目前研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)，也是高考化學(xué)考查的重點(diǎn)和難點(diǎn)。高考電化學(xué)試題的情境來(lái)源于生活中的化學(xué)電源、研發(fā)中的新型電池、實(shí)驗(yàn)室中的電化學(xué)裝置以及生產(chǎn)中的電化學(xué)設(shè)備等，既能考查電化學(xué)知識(shí)，也能考查化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，還能滲透創(chuàng)新意識(shí)和社會(huì)責(zé)任等情感態(tài)度與價(jià)值觀，凸顯化學(xué)學(xué)科“育人”的價(jià)值功能，備受高考命題青睞。

“宏微結(jié)合與變化平衡”是化學(xué)核心素養(yǎng)的學(xué)科特征，“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”是化學(xué)核心素養(yǎng)的思維核心。電化學(xué)，尤其是新型電源和光電設(shè)備，不僅能體現(xiàn)化學(xué)學(xué)科的價(jià)值，而且有利于學(xué)生獲取相關(guān)的知識(shí)與科學(xué)方法，更好地促進(jìn)學(xué)生掌握化學(xué)學(xué)科規(guī)律。學(xué)習(xí)和使用電化學(xué)知識(shí)既能解決化學(xué)問題，又能提高學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。從化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的角度分析和認(rèn)識(shí)高考化學(xué)中的電化學(xué)試題，有助于學(xué)生理清電化學(xué)試題中關(guān)于化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的考查思路，也有利于促進(jìn)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)在教學(xué)和考試評(píng)價(jià)中的落實(shí)。

圖1 基于化學(xué)核心素養(yǎng)的電化學(xué)試題命制模型

1.例1的分析

(1)本文例1中的電池是猶他大學(xué)的Minteer教授在Angew.Chem.Int.Ed發(fā)表的最新研究成果，如圖2所示，以新穎的素材為載體，考查原電池原理的應(yīng)用。以“室溫下氨的合成”為主題，使考生深刻認(rèn)識(shí)到電化學(xué)在工業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用價(jià)值，體現(xiàn)了對(duì)“科學(xué)精神和社會(huì)責(zé)任”的核心素養(yǎng)的考查；通過對(duì)酶(催化劑)的認(rèn)識(shí)，滲透了“人類的智慧是無(wú)窮的”的理念，從微觀角度理解“MV+和MV2+的相互轉(zhuǎn)化”，體現(xiàn)了對(duì)“宏觀辨識(shí)和微觀探析”核心素養(yǎng)水平的考查。

圖2

(2)選項(xiàng)問題設(shè)置遷移程度、水平進(jìn)階分析

選項(xiàng)分 析遷移程度(近、中、遠(yuǎn))水平進(jìn)階A項(xiàng)相比現(xiàn)有工業(yè)合成氨的方法,該方法選用酶作催化劑,條件溫和,同時(shí)利用MV+和MV2+的相互轉(zhuǎn)化,化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能,故可提供電能從知道到理解,到應(yīng)用,屬于近遷移簡(jiǎn)單、良好結(jié)構(gòu)情境B項(xiàng)左室為負(fù)極區(qū)不是陰極區(qū),MV+在負(fù)極失電子發(fā)生氧化反應(yīng)生成MV2+,電極反應(yīng)式為MV+-e- MV2+,放電生成的MV2+在氫化酶的作用下與H2反應(yīng)生成H+和MV+,反應(yīng):H2+2MV2+ 2H++2MV+從事實(shí)到方法,到方法論,到學(xué)科本質(zhì)觀,屬于近遷移從事實(shí)到概念,到關(guān)系,到結(jié)構(gòu),屬于中遷移復(fù)雜、良好結(jié)構(gòu)情境簡(jiǎn)單、不良結(jié)構(gòu)情境C項(xiàng)右室為正極區(qū),MV2+在正極得電子發(fā)生還原反應(yīng)生成MV+,電極反應(yīng)式為MV2++e- MV+,放電生成的MV+與N2在固氮酶的作用下反應(yīng)生成NH3和MV2+,反應(yīng):N2+6H++6MV+ 6MV2++NH3從事實(shí)到方法,到方法論,到學(xué)科本質(zhì)觀,屬于近遷移復(fù)雜、良好結(jié)構(gòu)情境D項(xiàng)電池工作時(shí),氫離子(即質(zhì)子)通過交換膜由負(fù)極向正極移動(dòng)從事實(shí)到方法,到方法論,到學(xué)科本質(zhì)觀,屬于近遷移簡(jiǎn)單、良好結(jié)構(gòu)情境

2.例2的分析

(1)本文例2中的協(xié)同轉(zhuǎn)化技術(shù)是中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所李燦院士、宗旭研究員、馬偉光博士等人發(fā)展電催化技術(shù)，將天然氣中CO2和H2S資源化轉(zhuǎn)化的研究成果，2018年3月19日相關(guān)研究成果發(fā)表于《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》。以我國(guó)科技人員取得的重大創(chuàng)新科研成果為背景，使考生深刻認(rèn)識(shí)到化學(xué)、技術(shù)和社會(huì)之間的聯(lián)系，體現(xiàn)了對(duì)“科學(xué)精神和社會(huì)責(zé)任”核心素養(yǎng)的考查；基于“CO2+H2S協(xié)同轉(zhuǎn)化裝置”的分析推理，確定了其中的電解工作原理，考查了“證據(jù)推理和模型認(rèn)知”的學(xué)科素養(yǎng)；通過對(duì)電極方程式的書寫和加工，從微觀角度理解了“CO2+H2S協(xié)同轉(zhuǎn)化”的機(jī)理，并感受它在工業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用價(jià)值，體現(xiàn)了對(duì)“宏觀辨識(shí)和微觀探析”核心素養(yǎng)水平的考查。

(2)選項(xiàng)問題設(shè)置遷移程度、水平進(jìn)階分析

選項(xiàng)分 析遷移程度(近、中、遠(yuǎn))水平進(jìn)階A項(xiàng)由題干信息:EDTAFe2+-e- EDTAFe3+,可知石墨烯為陽(yáng)極,ZnO@石墨烯為陰極,根據(jù)圖中物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系,可知CO2轉(zhuǎn)化為CO的電極方程式為CO2+2H++2e- CO+H2O從知道到理解,到應(yīng)用,屬于近遷移簡(jiǎn)單、良好結(jié)構(gòu)情境B項(xiàng)將陽(yáng)極區(qū)的這兩個(gè)反應(yīng)與陰極電極方程式按著陰陽(yáng)兩極電子得失守恒的原則相加,得總反應(yīng)式:CO2+H2S CO+H2O+S,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣中CO2和H2S高效去除的目的從事實(shí)到方法,到方法論,到學(xué)科本質(zhì)觀,屬于近遷移復(fù)雜、良好結(jié)構(gòu)情境C項(xiàng)石墨烯與光伏電池的正極相連,為陽(yáng)極;ZnO@石墨烯電極與光伏電池的負(fù)極相連,為陰極,故石墨烯上的電勢(shì)要比ZnO@石墨烯上的電勢(shì)高從事實(shí)到概念,到關(guān)系,到結(jié)構(gòu),屬于中遷移簡(jiǎn)單、不良結(jié)構(gòu)情境D項(xiàng)Fe3+易水解,在溶液pH約為3.4時(shí)會(huì)完全形成氫氧化物沉淀,所以若采用Fe2+/Fe3+取代EDTAFe2+/EDTAFe3+,溶液需為酸性從事實(shí)到方法,到方法論,到學(xué)科本質(zhì)觀,屬于遠(yuǎn)遷移復(fù)雜、不良結(jié)構(gòu)情境

3.例3的分析

(1)本文中的例3以支撐海港碼頭基礎(chǔ)(鋼管樁)的防腐設(shè)備為試題素材，使考生體會(huì)到化學(xué)知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，樹立化學(xué)無(wú)處不在的觀念，化學(xué)學(xué)科擔(dān)負(fù)著解決社會(huì)環(huán)境、能源等實(shí)際問題的歷史使命的觀念，是科學(xué)精神和社會(huì)責(zé)任素養(yǎng)的滲透。通過對(duì)“表面腐蝕電流”探析金屬防腐技術(shù)原理以及裝置部件作用的理解，考查考生分析和解決問題的能力，是“證據(jù)推理和模型認(rèn)知”的學(xué)科素養(yǎng)的體現(xiàn)；基于“保護(hù)電流”應(yīng)該根據(jù)環(huán)境條件變化進(jìn)行調(diào)整，體現(xiàn)了對(duì)“變化觀念與平衡思想”核心素養(yǎng)水平的考查。

(2)選項(xiàng)問題設(shè)置遷移程度、水平進(jìn)階分析

選項(xiàng)分 析遷移程度(近、中、遠(yuǎn))水平進(jìn)階A項(xiàng)外加電流陰極防護(hù)工作原理,保護(hù)電流的作用就是抵消腐蝕電流,腐蝕電流接近于零表明金屬表面已被極化,無(wú)原電池效應(yīng),若保護(hù)電流過大則電解海水,若保護(hù)電流過小則防護(hù)作用不大從知道到理解,到應(yīng)用,屬于近遷移簡(jiǎn)單、良好結(jié)構(gòu)情境B項(xiàng)電解的化學(xué)本質(zhì)就是使不能自發(fā)的反應(yīng)“被反應(yīng)”,電子經(jīng)外電路由陽(yáng)極強(qiáng)制性流向陰極,在內(nèi)電路則是離子的定向移動(dòng)形成電流從事實(shí)到方法,到方法論,到學(xué)科本質(zhì)觀,屬于近遷移簡(jiǎn)單、良好結(jié)構(gòu)情境C項(xiàng)題干信息“高硅鑄鐵為惰性輔助陽(yáng)極”,有些“學(xué)習(xí)好”的同學(xué)受鐵是活性陽(yáng)極的思維定式影響,認(rèn)為高硅鑄鐵是一種犧牲陽(yáng)極從事實(shí)到概念,到關(guān)系,到結(jié)構(gòu),屬于中遷移簡(jiǎn)單、不良結(jié)構(gòu)情境D項(xiàng)鋼管柱所處環(huán)境溫度、溶液pH、含氧量等條件是不斷變化的,鋼鐵腐蝕電流不是一成不變的,從實(shí)際出發(fā)及時(shí)調(diào)整保護(hù)電流既是科學(xué)的又是必要的從事實(shí)到方法,到方法論,到學(xué)科本質(zhì)觀,屬于遠(yuǎn)遷移復(fù)雜、不良結(jié)構(gòu)情境

三、解題模型解析

當(dāng)前高考主要考查新型電池的分析、電極判斷、電極反應(yīng)式的書寫、離子的移動(dòng)、電解質(zhì)溶液的變化、金屬的腐蝕和防護(hù)、電鍍、電冶金、電解法制備物質(zhì)、裝置設(shè)計(jì)、環(huán)境保護(hù)、實(shí)驗(yàn)探究等。更多時(shí)候是結(jié)合題給電化學(xué)裝置信息，考查電解原理、電極反應(yīng)式書寫、電解時(shí)電極附近電解質(zhì)溶液的pH變化，涉及元素化合物、氧化還原、化學(xué)實(shí)驗(yàn)的對(duì)照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、變量控制、產(chǎn)物的檢驗(yàn)方法、對(duì)比分析后的結(jié)論表述等內(nèi)容。從而綜合考查學(xué)生接受、吸收、整合化學(xué)信息的能力、分析解決化學(xué)問題的能力、設(shè)計(jì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)及探究能力。

圖3 電化學(xué)裝置認(rèn)知模型

1.例1的分析

解題難點(diǎn)分析——對(duì)陌生信息的理解和處理

陌生信息理 解處 理能力層次氫化酶/固氮酶MV2+在氫化酶的作用下與H2反應(yīng)生成H+和MV+,MV+與N2在固氮酶的作用下反應(yīng)生成NH3和MV2+實(shí)現(xiàn)常溫下高轉(zhuǎn)化率、高速率的化學(xué)反應(yīng)關(guān)聯(lián)MV2+/MV+MV2+/MV+在電極與酶之間傳遞電子高價(jià)態(tài)———氧化劑低價(jià)態(tài)———還原劑分析室溫下的合成氨相比現(xiàn)有工業(yè)合成氨,該方法條件溫和,同時(shí)還可提供電能通過科學(xué)的創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)人類的理想理解

2.例2的分析

解題難點(diǎn)分析——對(duì)陌生信息的理解和處理

陌生信息理 解處 理能力層次光伏電池一種是以硅為基底將太陽(yáng)光的光能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置只需理解為一種直流電源觀察ZnO@石墨烯石墨烯包裹的ZnO只需弄清楚陰、陽(yáng)極關(guān)聯(lián)EDTA品名是乙二胺四乙酸,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式為NCH2CH2NHOOCCH2HOOCCH2CH2COOHCH2COOH,能和過渡金屬離子等形成穩(wěn)定的水溶性絡(luò)合物與Fe2+、Fe3+形成穩(wěn)定的水溶性絡(luò)合物分析協(xié)同轉(zhuǎn)化一種CO2+H2S協(xié)同轉(zhuǎn)化裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣中CO2和H2S的高效去除協(xié)同轉(zhuǎn)化裝置即為圖示整套裝置,總反應(yīng)即為協(xié)同轉(zhuǎn)化總反應(yīng)理解

3.例3的分析

解題難點(diǎn)分析——對(duì)陌生信息的理解和處理

陌生信息理 解處 理能力層次鋼管樁/高硅鑄鐵裝置原理是利用外加電流陰極保護(hù)法,不是犧牲陽(yáng)極保護(hù)陰極法需要弄清楚鋼管樁為陰極,高硅鑄鐵為陽(yáng)極觀察惰性輔助陽(yáng)極/損耗陽(yáng)極題干信息:高硅鑄鐵為惰性輔助陽(yáng)極題給信息優(yōu)先考慮原則推理、應(yīng)用表面腐蝕電流/保護(hù)電流由鐵的吸氧腐蝕原理理解鋼鐵(鋼管樁)表面存在大量的微小的自發(fā)的短路原電池平衡觀念,當(dāng)保護(hù)電流抵消腐蝕電流時(shí),表明金屬表面已被極化遷移

四、教學(xué)模型解析

伴隨現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電化學(xué)不僅在理論和技術(shù)上不斷創(chuàng)新，在應(yīng)用領(lǐng)域(如化學(xué)工業(yè)、能源、材料和環(huán)境等)也占有越來(lái)越重要的地位，電化學(xué)高考題一般以新裝置、新情景呈現(xiàn)。教材中以銅鋅原電池構(gòu)建的原電池知識(shí)體系，以電解CuCl2溶液構(gòu)建的電解知識(shí)體系比較簡(jiǎn)潔，得到的是一些簡(jiǎn)單化或絕對(duì)化的結(jié)論，學(xué)生學(xué)習(xí)過程中往往忽略知識(shí)的遞進(jìn)性和復(fù)雜性，因此，面對(duì)高考考題中出現(xiàn)的形形色色的原電池、電解池裝置，通常有茫然，不知所措的情況。

教學(xué)中，我們?nèi)绾螐谋举|(zhì)上把握電化學(xué)的工作原理，從銅鋅原電池、電解氯化銅溶液的小圈圈里跳出來(lái)，克服思維定式和僵化認(rèn)識(shí)，構(gòu)建更深層次、系統(tǒng)化的電化學(xué)知識(shí)體系呢？

1.整體認(rèn)識(shí)—模型認(rèn)知

從物質(zhì)導(dǎo)電性入手，分析金屬導(dǎo)電的原因是電子的定向移動(dòng)，電解質(zhì)溶液和熔融電解質(zhì)是靠陰陽(yáng)離子的定向移動(dòng)(如圖4)。這是電化學(xué)知識(shí)體系建構(gòu)的第一步，也是最關(guān)鍵的一步。從“電路中電荷移動(dòng)形成回路”的這一學(xué)生熟悉的物理知識(shí)開始，幫助學(xué)生先明確原電池和電解池上的電極得失電子的方向，使學(xué)生更好地從整體上去把握問題的本質(zhì)，從系統(tǒng)思維的角度幫助學(xué)生找出電化學(xué)和氧化還原反應(yīng)之間的聯(lián)系。這種思維方式，不僅有利于學(xué)生從整體上建構(gòu)電化學(xué)知識(shí)體系，有效突破學(xué)習(xí)難點(diǎn)，也有利于學(xué)生能更好地理解物理和化學(xué)等科學(xué)知識(shí)的關(guān)聯(lián)。

圖4 整體認(rèn)識(shí)氧化還原與原電池、電解池的關(guān)系

2.細(xì)致分析—宏微結(jié)合、證據(jù)推理、變化平衡

有了電池結(jié)構(gòu)和工作原理，對(duì)于電極反應(yīng)式、離子遷移方向、反應(yīng)現(xiàn)象及計(jì)算等問題，就可以結(jié)合電極上發(fā)生的現(xiàn)象及數(shù)據(jù)等信息推理電極上發(fā)生的反應(yīng)—“宏微結(jié)合”和“證據(jù)推理”。物質(zhì)是運(yùn)動(dòng)和變化的，化學(xué)變化是需要一定條件并遵循一定規(guī)律的。在電化學(xué)反應(yīng)規(guī)律中，認(rèn)識(shí)電子(電流)由電勢(shì)低(高)的一端流向電勢(shì)高(低)的一端，陰離子的遷移與電子移動(dòng)形成一條回路。無(wú)論何種情況，在溶液或熔融狀態(tài)中，陽(yáng)離子總是向陰極方向遷移，陰離子總是向陽(yáng)極方向遷移。在離子、電子的生成和遷移過程中發(fā)生了化學(xué)變化，實(shí)現(xiàn)了電能與化學(xué)能之間的轉(zhuǎn)化，并生成了新的物質(zhì)(離子或分子)-“變化平衡”(見圖5)。

圖5 電化學(xué)變化規(guī)律

3.跟蹤發(fā)展—?jiǎng)?chuàng)新意識(shí)

在電池的研發(fā)過程中，新材料的研制使得電池的轉(zhuǎn)化效率更大、能量密度更高、更安全、使用壽命更長(zhǎng)、更加清潔環(huán)保。電池的研究以現(xiàn)有電池存在的問題為導(dǎo)向，不斷創(chuàng)造性地解決原有電池的弊端，研發(fā)出更好的電池，這些真實(shí)的問題情境往往就呈現(xiàn)在高考題中，所以，備考復(fù)習(xí)電化學(xué)知識(shí)，需跟蹤收集歷年電化學(xué)試題，關(guān)注考點(diǎn)的發(fā)展。

4.價(jià)值應(yīng)用—社會(huì)責(zé)任