微粒觀視域下提升“電解池”復(fù)習(xí)效率初探

王麗華，蘇殿釗，張英鋒

秦皇島市第一中學(xué)，河北 秦皇島 066006

高中化學(xué)；微粒觀；電解池；模型

一、問題的提出

電化學(xué)知識(shí)屬于能量轉(zhuǎn)換的一部分內(nèi)容，它能幫助學(xué)生深刻理解能量是可以在不同的形式間進(jìn)行轉(zhuǎn)化的，在轉(zhuǎn)化的過程中保持著能量守恒。通過電化學(xué)的學(xué)習(xí)，可以培養(yǎng)學(xué)生正確的能量觀，幫助學(xué)生樹立節(jié)約能源的意識(shí)，激發(fā)學(xué)生發(fā)散思維，能創(chuàng)造出效能更好的能量轉(zhuǎn)化裝置，以解決現(xiàn)在能源緊張的狀況。我們知道現(xiàn)代的三大經(jīng)濟(jì)支柱分別是“能源”“信息”和“材料”，因此能源的相關(guān)習(xí)題是人們關(guān)注的焦點(diǎn)?；仡櫧鼛啄甑母呖荚囶}（全國Ⅰ卷），每年都有電化學(xué)的習(xí)題出現(xiàn)（如表1），電化學(xué)習(xí)題不但是考試的重點(diǎn)，同時(shí)也是高考的高頻點(diǎn)內(nèi)容。做好電化學(xué)的復(fù)習(xí)意義重大。

表1 2012年—2018年全國Ⅰ卷電化學(xué)習(xí)題考查情況

二、從微粒觀的角度重新審視電解池

復(fù)習(xí)課的作用不僅僅是基本知識(shí)的再現(xiàn)，它還肩負(fù)著對所學(xué)知識(shí)再認(rèn)識(shí)的作用。通過復(fù)習(xí)課能把以前沒有弄明白的內(nèi)容弄清楚，通過復(fù)習(xí)課把知識(shí)的外延進(jìn)行擴(kuò)深，引領(lǐng)學(xué)生從多個(gè)角度來體會(huì)所學(xué)內(nèi)容的本質(zhì)特征，以便在今后的考試中能夠靈活運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)來解答問題。在高三復(fù)習(xí)中，我們?nèi)绾螏椭鷮W(xué)生深刻理解電化學(xué)知識(shí)呢？我們知道電化學(xué)的知識(shí)實(shí)際上是氧化還原反應(yīng)知識(shí)的延續(xù)，它充分利用了氧化還原反應(yīng)中電子轉(zhuǎn)移的這一特征，把氧化劑和還原劑放在特定的裝置中實(shí)現(xiàn)化學(xué)能與電能、電能與化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)化。我們就抓住這一特征，在電化學(xué)復(fù)習(xí)中，引導(dǎo)學(xué)生從微觀粒子（電子和離子）的角度重新審視電化學(xué)內(nèi)容，幫助學(xué)生深刻領(lǐng)會(huì)電化學(xué)的內(nèi)涵，起到提高復(fù)習(xí)效率的作用。下面就以電解池的復(fù)習(xí)為例來做進(jìn)一步探究。

（一）從導(dǎo)電微粒的角度看電解池的構(gòu)成

我們在學(xué)習(xí)電解池的構(gòu)成條件上主要是從以下四個(gè)方面來看的：（1）有沒有直流電源（2）電極材料（3）電解質(zhì)溶液（4）閉合回路。這些判據(jù)主要是從宏觀的角度來分析的，學(xué)生對于電化學(xué)裝置認(rèn)識(shí)程度不夠深刻，以至于學(xué)生碰到2016年的北京試題時(shí)（如表2），有很多學(xué)生不知如何去做。

表2 （北京2016年高考理綜12題）用石墨電極完成下列電解實(shí)驗(yàn)

下列對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的解釋或推測不合理的是：

A.a、b處：2H2O+2e—=H2↑+2OH—B.b處：2Cl—-2e-=Cl2↑

C.c處發(fā)生了反應(yīng)：Fe-2e—=Fe2+D.根據(jù)實(shí)驗(yàn)一的原理，實(shí)驗(yàn)二中m處能析出銅

學(xué)生很容易判斷出此題中的裝置是電解池裝置：一是題干中說是“用石墨電極完成下列電解實(shí)驗(yàn)”，二是裝置中有明顯的外加電源符號(hào)。但是裝置是如何工作的，學(xué)生分析起來比較頭疼，因?yàn)樗麄儾磺宄趦蓚€(gè)電極之間放上一段金屬或是銅球有什么用，從而造成此題解答起來很困難。造成這種現(xiàn)象的原因主要有兩點(diǎn)：一是在平時(shí)的練習(xí)中我們見到的基本上都是典型的電解池的串聯(lián)，沒有碰到這種變式習(xí)題；二是在講電解池的構(gòu)成條件時(shí)，都是電極材料與電源的正負(fù)極直接相連或是多個(gè)電解池的串聯(lián)（如圖1）。

圖1 基本的電解池和電解池的串聯(lián)圖

在分析電解池的裝置構(gòu)成條件時(shí)，如果從導(dǎo)電微粒的角度分析也許此題的難度就會(huì)有所降低。

我們知道，構(gòu)成電解池的反應(yīng)可以是自發(fā)進(jìn)行的反應(yīng)，也可以是非自發(fā)進(jìn)行的反應(yīng)，只要提供合適的電源、適宜的電極材料和電解質(zhì)溶液，在“高壓”下就能實(shí)現(xiàn)電能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)化。在電解池中，陽極區(qū)域發(fā)生氧化反應(yīng)即失去電子的過程，陰極區(qū)域發(fā)生還原反應(yīng)即得到電子的過程。還原劑在陽極上失電子，失去的電子從陽極流出，經(jīng)外電路流到陰極上，被氧化劑獲得，內(nèi)電路靠電解質(zhì)溶液中自由移動(dòng)的陰、陽離子導(dǎo)電，從而構(gòu)成閉合回路，使得電解反應(yīng)能夠持續(xù)反應(yīng)下去，從而實(shí)現(xiàn)電能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)化。如果從導(dǎo)電微粒的角度看電解池的組成，可以得出這樣的結(jié)論，電解池實(shí)際上是由兩類導(dǎo)體組成即電子導(dǎo)體和離子導(dǎo)體。外電路是由電子導(dǎo)體組成（除外加電源外），靠的是自由移動(dòng)的電子形成電流；內(nèi)電路是由離子導(dǎo)體組成（即電解質(zhì)溶液），靠的是自由移動(dòng)的陰陽離子的運(yùn)動(dòng)形成電流。這樣電解池的組成就可以總結(jié)為：電子導(dǎo)體（電極）→外加電源→電子導(dǎo)體（電極）→離子導(dǎo)體→電子導(dǎo)體。如果我們把外加電源單獨(dú)拿出作為一個(gè)條件的話，構(gòu)成電解池的另一個(gè)條件就可以簡化為“電子導(dǎo)體→離子導(dǎo)體→電子導(dǎo)體”。從而判斷電解池就變得簡單些了。（如圖2所示）

圖2 電解池的構(gòu)成

我們來看北京試題實(shí)驗(yàn)一裝置（如圖3）。我們可以做如下分析。

圖3 “實(shí)驗(yàn)一”裝置分析

在此裝置中有外加電源，具備了構(gòu)成電解池的一個(gè)條件，另外一個(gè)構(gòu)成條件分析如下：

a→c：電子導(dǎo)體→離子導(dǎo)體→電子導(dǎo)體；這是一個(gè)電解池裝置；

d→b：電子導(dǎo)體→離子導(dǎo)體→電子導(dǎo)體；這又是一個(gè)電解池裝置。因此此裝置就可以看成是兩個(gè)電解池裝置的串聯(lián)，再根據(jù)外加電源的正負(fù)極連接方式，很容易判斷出電解池的陰陽極以及各個(gè)電極的電極反應(yīng)式，此題就會(huì)很容易解答出來。

同理可以分析出：“實(shí)驗(yàn)二”實(shí)際上是三個(gè)電解池的串聯(lián)裝置。

（二）從微粒的放電順序看電解原理

我們知道電流是最強(qiáng)的氧化劑也是最強(qiáng)的還原劑，它可以讓很多不能發(fā)生反應(yīng)的反應(yīng)發(fā)生。因此，電解池在工業(yè)生產(chǎn)中有著重要的應(yīng)用。例如，電解池可以用來冶煉金屬、精煉金屬、電鍍、氯堿工業(yè)，等等。在新授課的時(shí)候，很多教師還會(huì)講解電解規(guī)律并總結(jié)一些電解口訣如“放氧生酸”“放氫生堿”等。面對這些知識(shí)，學(xué)生有時(shí)覺得內(nèi)容太多不太好記，從而產(chǎn)生畏懼情緒，直接影響學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

在電化學(xué)學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生感到困難的地方就是找不準(zhǔn)放電的微粒有哪些？它直接影響著學(xué)生對電極反應(yīng)式的書寫。電極反應(yīng)式是電化學(xué)的核心，不了解電極反應(yīng)，就弄不清它的反應(yīng)原理，對于解題而言就是一頭霧水。如何幫助學(xué)生突破這一難點(diǎn)呢？教師可以從電解池的反應(yīng)本質(zhì)入手即微粒的放電順序，幫助學(xué)生深入理解電解池的實(shí)質(zhì)，從而達(dá)到突破難點(diǎn)的目的。

把溶液中常見的微粒用數(shù)軸的方式進(jìn)行排列，排列的依據(jù)就是他們的放電順序即陽離子的氧化性順序和陰離子的還原性順序。我們常用的電解質(zhì)溶液是水做溶劑的，因此我們以水電離出的氫氧根離子和氫離子為界限，把離子分為四部分（如圖4），然后進(jìn)行討論微粒的放電情況，從而順利地寫出電極反應(yīng)式。

圖4 微粒的放電順序

我們以惰性電極進(jìn)行電解為例，探討放電順序（見表3）。

表3 惰性電極電解放電順序

通過以上分析，我們可以看到，如果溶液中含有①、③部分中的離子，由于水電離出的OH-和H+的存在，一般情況下輪不到它們放電，離子的放電主要集中在②、④兩部分，這樣我們在研究電解習(xí)題時(shí)，就比較簡單了。

例如：我們用惰性電極來電解硫酸銅和氯化鈉的混合液。已知硫酸銅和氯化鈉的物質(zhì)的量為1∶1。試分析電解的情況。

【分析】硫酸銅和氯化鈉都是強(qiáng)電解質(zhì)，它們在溶液中能夠完全電離。假設(shè)溶液的體積為1L，它們的物質(zhì)的量分別為1mol，我們分析電解過程。

（1）首先分析出溶液中各微粒的物質(zhì)的量：n（Cu2+）=1mol、n（SO42-）=1mol、n（Na+）=1mol、n（Cl—）=1mol。溶液中還有水電離出來的氫離子和氫氧根離子。

（2）我們把這些離子進(jìn)行分類，同時(shí)排出它們的放電順序（見表4）。

表4 硫酸銅、氯化鈉電解放電順序

說明：SO42-和Na+屬于分類中的①和③中離子，因此它們不放電。

（3）討論：（根據(jù)離子放電順序，分情況討論，見表5）

表5 硫酸銅、氯化鈉離子放電順序階段討論

（4）結(jié)論：在電解物質(zhì)的量為1∶1的硫酸銅溶液和氯化鈉溶液過程中，一共分為三個(gè)階段。

此題從微粒的放電順序出發(fā)，很容易分析清楚電解的詳細(xì)過程。

（三）從電子守恒看物質(zhì)變化的量的關(guān)系

電化學(xué)中一個(gè)重要的定律就是法拉第定律。法拉第定律是描述電極上通過的電量與電極反應(yīng)物重量之間的關(guān)系的，又稱為電解定律，是電解過程中遵循的基本定律。為了簡單起見，一般我們只是尋找電解池的陰極和陽極上通過的電量。只要找到兩極上得失電子的物質(zhì)，然后我們列出電子守恒關(guān)系式，此類習(xí)題即可得到解決。

例如：如圖所示的裝置，閉合開關(guān)一段時(shí)間后，再斷開，請回答問題（如圖5）。在此過程中：

圖5 閉合電路狀態(tài)分析

（1）A中發(fā)生反應(yīng)的離子方程式是______________，其中Fe電極的名稱是________。

（2）若B中溶液仍為藍(lán)色，其中一電極增重1.6g，則增重的是B中的________（填“C”或“Cu”）電極，電解后溶液的pH為________；要使電解后溶液恢復(fù)到電解前的狀態(tài)，則需加入________（填化學(xué)式），其質(zhì)量為________g。（假設(shè)電解前后溶液的體積500mL不變）

【分析】（1）圖A是活潑性不同的兩個(gè)電極插入電解液中形成閉合回路，故A為原電池裝置，F(xiàn)e為負(fù)極，Ag為正極，總反應(yīng)的離子方程式為Fe＋2Ag＋======2Ag＋Fe2＋。

（2）圖B為電解池，C為陽極，Cu為陰極，電解硫酸銅溶液，陽極反應(yīng)為4OH－－4e－======2H2O＋O2↑，故陽極質(zhì)量不變；陰極反應(yīng)為Cu2＋＋2e－======Cu，質(zhì)量增加。電解池反應(yīng)中，陽極失電子數(shù)目＝陰極得電子數(shù)目，Cu電極增重1.6 g，則轉(zhuǎn)移電子0.05 mol，陽極消耗n（OH－）＝0.05 mol，故溶液中的同時(shí)陽極放出0.4 g O2，電解液要恢復(fù)到原狀態(tài)，需加入2 g CuO。

（四）從微觀粒子的運(yùn)動(dòng)來建立電解池的模型

在化學(xué)核心素養(yǎng)中有“數(shù)據(jù)推理與模型認(rèn)知”這一素養(yǎng)。通過培養(yǎng)學(xué)生的模型認(rèn)知，可以幫助他們把深?yuàn)W的原理模型化、形象化，從而抓住電解的微觀本質(zhì)，深刻領(lǐng)會(huì)電解的內(nèi)涵。在頭腦中形成電解的模型后，可以引領(lǐng)學(xué)生在遇到陌生的電解習(xí)題時(shí)，能夠保持頭腦清晰，從容應(yīng)對。以下是電解池的模型，它清晰地展示出了電解過程中微粒的運(yùn)動(dòng)情況以及變化情況（如圖6）。

圖6 電解過程中微粒運(yùn)動(dòng)分析

圖7 石墨烯電極區(qū)反應(yīng)

例如2018年全國Ⅰ卷第13題。最近我國科學(xué)家設(shè)計(jì)了一種CO2+H2S協(xié)同轉(zhuǎn)化裝置，實(shí)現(xiàn)對天然氣中CO2和H2S的高效去除。示意圖如圖7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：

①EDTA-Fe2+-e-＝EDTA-Fe3+②2EDTA-Fe3++H2S＝2H++S+2EDTA-Fe2+

該裝置工作時(shí)，下列敘述錯(cuò)誤的是：

A.陰極的電極反應(yīng)：CO2+2H++2e-＝CO+H2O

B.協(xié)同轉(zhuǎn)化總反應(yīng)：CO2+H2S＝CO+H2O+S

C.石墨烯上的電勢比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

【分析】此題中的“最近我國科學(xué)家設(shè)計(jì)了一種CO2+H2S協(xié)同轉(zhuǎn)化裝置，實(shí)現(xiàn)對天然氣中CO2和H2S的高效去除?！本褪橇?xí)題的外衣即“情境素材”，它主要是向?qū)W生展示我國在處理天然氣中的雜質(zhì)方面所取得的成就，從而培養(yǎng)學(xué)生的愛國主義熱情。接著往下看，“示意圖”“電極”“電極區(qū)反應(yīng)”等關(guān)鍵的詞語，實(shí)際上就是展示出此題的考查內(nèi)容即“電化學(xué)”。這樣此題的靈魂也就抓住了。在觀察示意圖時(shí)，其中的“光伏電池”就暴露了本題運(yùn)用的原理，即電解池裝置。根據(jù)自己所學(xué)的電解池裝置結(jié)構(gòu)模型，梳理本題的解題過程。

【解題過程：看左邊電極，根據(jù)圖形提示可知發(fā)生的變化為CO2→CO，屬于還原反應(yīng)，根據(jù)電解池的原理結(jié)構(gòu)模型可知，左邊電極發(fā)生還原反應(yīng)的為陰極，同理右邊的電極為陽極。這樣此電解池裝置就分析清楚了。逐步分析選項(xiàng)A陰極反應(yīng)的電極反應(yīng)式是正確的，B選項(xiàng)陰陽兩極的電極反應(yīng)式相加即可得到總反應(yīng)，C選項(xiàng)石墨烯電極為陽極，與電源的正極相連，因此石墨烯上的電勢比ZnO@石墨烯電極上的高，C錯(cuò)誤；D選項(xiàng)由于鐵離子、亞鐵離子均易水解，所以采用Fe3＋/Fe2＋取代EDTA-Fe3＋/EDTA-Fe2＋，溶液需要酸性，D正確。答案選C。】

通過剛才分析，我們很容易把此題變?yōu)槭煜さ碾娊獬?，然后把題中的示意圖和電解池的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行比對，找到它們的對應(yīng)關(guān)系，此題就得到很好的解決。

三、反思

電解池是電化學(xué)知識(shí)的一部分，它在工業(yè)生產(chǎn)中有著極其重要的作用，因此人們對電解池的關(guān)注程度很高。在練習(xí)題中有關(guān)電解的習(xí)題也比較多，再加上電解池的習(xí)題形式多種多樣，經(jīng)常和工業(yè)生產(chǎn)緊密聯(lián)系，因此很多學(xué)生感到此部分內(nèi)容比較困難。在復(fù)習(xí)過程中，我們一定要從宏觀上幫助學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容有一個(gè)感性認(rèn)識(shí)，更重要的是從微觀的角度幫助學(xué)生理解電解池的反應(yīng)本質(zhì)。從微粒觀的角度來分析電解池的有關(guān)內(nèi)容，可以培養(yǎng)學(xué)生深刻地把握電解的本質(zhì)，對于提升復(fù)習(xí)效率能起到良好的促進(jìn)作用。當(dāng)然，用微粒觀來解決電解的實(shí)際問題，有時(shí)也不是像我們想象的那樣簡單。比如溶液中的微粒的放電順序受多種因素的影響，我們不能把離子的放電順序固化，應(yīng)該具體問題具體分析。