電化學(xué)試題的解題思路分析

蘆紅霞

摘 要：電化學(xué)是中學(xué)化學(xué)學(xué)科中的重要內(nèi)容，也是高考考查的重點(diǎn).試題涉及有電極判斷、電極反應(yīng)式書寫、離子的移動(dòng)等相關(guān)問(wèn)題，通過(guò)高考真題的分析來(lái)提煉處理這類問(wèn)題的方法.

關(guān)鍵詞：氧化還原反應(yīng);電子轉(zhuǎn)移;電極判斷;離子移動(dòng);高中化學(xué)

電化學(xué)試題的解題思路一般可以分成這樣四個(gè)步驟來(lái)進(jìn)行：1.先弄清楚是電池反應(yīng)還是電解反應(yīng);2.根據(jù)信息說(shuō)明或反應(yīng)中物質(zhì)價(jià)態(tài)變化確定正、負(fù)極或陰、陽(yáng)極;3.根據(jù)物質(zhì)的特點(diǎn)確定反應(yīng)的微粒;4.根據(jù)反應(yīng)所處的環(huán)境正確寫出電極反應(yīng)式以及判斷離子的移動(dòng)方向.下面就結(jié)合具體的高考試題來(lái)分析.

一、考查電極反應(yīng)式書寫

例1 （2018年江蘇-20節(jié)選）用稀硝酸吸收NOx，得到HNO3和HNO2的混合溶液，電解該混合溶液可獲得較濃的硝酸.寫出電解時(shí)陽(yáng)極的電極反應(yīng)式：.

分析 稀硝酸吸收NOx后有HNO3和HNO2兩種物質(zhì)，想通過(guò)電解的方法來(lái)得到較濃的硝酸.從這句表達(dá)來(lái)看該過(guò)程屬于電解反應(yīng)，目的是使混合溶液中的亞硝酸轉(zhuǎn)化成硝酸，讓氮元素價(jià)態(tài)升高，氮元素價(jià)態(tài)升高的過(guò)程就是氮原子失去電子的過(guò)程，所以應(yīng)該在電解池的陽(yáng)極反應(yīng).在這個(gè)過(guò)程中涉及的問(wèn)題還有：（1）NO-2轉(zhuǎn)化成NO-3的變化中，缺少的氧原子可以用什么微粒來(lái)補(bǔ)充？（2）電極式也是離子方程式，微粒以什么樣的形式保留呢？由于亞硝酸屬于弱酸，應(yīng)當(dāng)以分子形式存在;缺少的氧原子在溶液中一般以水或者OH-補(bǔ)充，考慮該溶液為酸性，用水比較合理.最終寫出的陽(yáng)極的電極反應(yīng)式為：

二、考查電極判斷

電化學(xué)反應(yīng)中，電極的確定和電子的得失是聯(lián)系在一起的，電子的得失在物質(zhì)價(jià)態(tài)變化上顯現(xiàn)出來(lái).如果電極名稱沒(méi)有標(biāo)明，就可以通過(guò)微粒中元素價(jià)態(tài)變化來(lái)確定反應(yīng)的電極.

分析 根據(jù)提供的電池總反應(yīng)可以看出，鈉在反應(yīng)中化合價(jià)升高，失電子，應(yīng)該在負(fù)極反應(yīng)，則正極反應(yīng)物應(yīng)為CO2，那正極的反應(yīng)式為3CO2+4e-2CO2-3+C.從提供的圖示也可以判斷：左邊電極上發(fā)生反應(yīng)的物質(zhì)為鈉，右邊為CO2.其中鈉為非?；顫姷慕饘?，易失電子，很顯然鈉為負(fù)極反應(yīng)物.負(fù)極失去電子后該區(qū)域區(qū)帶正電荷，正極區(qū)得到電子后帶負(fù)電荷，那電解液中的離子會(huì)相應(yīng)移動(dòng)維持電荷平衡.所以放電時(shí)ClO-4向負(fù)極移動(dòng).充電時(shí)，陰極得到電子，鈉離子被還原，發(fā)生的反應(yīng)為是Na++e-Na，此時(shí)電極名稱為陰極，解題時(shí)要注意區(qū)分電池反應(yīng)和電解反應(yīng)的電極名稱.

三、考查離子的移動(dòng)方向

在電化學(xué)反應(yīng)中，離子的移動(dòng)來(lái)維持電荷的平衡.一般來(lái)說(shuō)有兩種情況：濃度大的離子會(huì)向離子濃度小的區(qū)域擴(kuò)散、離子向帶相反電荷的方向移動(dòng).

例3 （2017年江蘇-16節(jié)選）電解Na2CO3溶液的原理如圖所示.

陽(yáng)極的電極反應(yīng)式為，陰極產(chǎn)生的物質(zhì)A的化學(xué)式為.

分析 該題裝置為電解反應(yīng)，左池是陽(yáng)極區(qū)，右池為陰極區(qū).陽(yáng)極失去電子，發(fā)生氧化反應(yīng).陰極得到電子，發(fā)生還原反應(yīng).那發(fā)生反應(yīng)的離子分別是什么呢？在陽(yáng)極區(qū)產(chǎn)生氧氣，原來(lái)氧元素存在于CO2-3或H2O中，都是以-2價(jià)存在，考慮最后CO2-3轉(zhuǎn)化成HCO-3，所以應(yīng)該是水發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生氧氣.即2H2O-4e-4H++O2，產(chǎn)生的H+立即與CO2-3反應(yīng)生成HCO-3，所以總反應(yīng)應(yīng)該寫成4CO2-3+2H2O-4e-4HCO-3+O2，由于CO2-3轉(zhuǎn)化成HCO-3，所帶負(fù)電荷減少，為了維持電荷平衡，鈉離子由陽(yáng)極區(qū)通過(guò)陽(yáng)離子交換膜轉(zhuǎn)移到陰極區(qū).再看陰極區(qū)的反應(yīng)，稀的NaOH轉(zhuǎn)變成濃的NaOH溶液，鈉離子由陽(yáng)極區(qū)轉(zhuǎn)移過(guò)來(lái)的，OH-則由陰極區(qū)產(chǎn)生，從存在的微粒來(lái)看，只有水參加反應(yīng)得到，所以陰極區(qū)是水得到電子，發(fā)生還原反應(yīng)：2H2O+2e-H2+2OH-，則A為氫氣.

四、根據(jù)實(shí)際情況分析反應(yīng)物質(zhì)

在電化學(xué)反應(yīng)中，除了一些常見(jiàn)的微粒發(fā)生反應(yīng)外，也會(huì)看到一些不是很常見(jiàn)的物質(zhì)，比如活潑的金屬離子、非金屬離子或單質(zhì)參見(jiàn)反應(yīng).這種情況的出現(xiàn)需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行分析，判斷出具體反應(yīng)的物質(zhì)，再依據(jù)電化學(xué)中電子轉(zhuǎn)移的理論來(lái)分析即可.

例4 （2018全國(guó)卷Ⅲ-27節(jié)選） KIO3可采用“電解法”制備，裝置如圖所示.

寫出電解時(shí)陰極的電極反應(yīng)式.

電解過(guò)程中通過(guò)陽(yáng)離子交換膜的離子主要為，其遷移方向是.

分析 該電解裝置的目的是制取KIO3，從提供的原料來(lái)看，KIO3在陽(yáng)極區(qū)產(chǎn)生.陰極區(qū)的物質(zhì)是KOH溶液，能得到電子的只有水中的氫，電極反應(yīng)為：2H2O+2e-H2+2OH-，那陽(yáng)極的反應(yīng)呢？參加反應(yīng)的物質(zhì)是KOH與I2，且從價(jià)態(tài)分析碘元素由單質(zhì)的0價(jià)轉(zhuǎn)化成IO-3中的+5價(jià)，失電子，結(jié)合堿性溶液的氛圍，電極反應(yīng)式可以寫：I2-10e-+12OH-2IO-3+6H2O.反應(yīng)中消耗的OH-比生成的IO-3多，負(fù)電荷減少，正電荷增加，多余的K+則由a室通過(guò)陽(yáng)離子交換膜進(jìn)入b室.該題考查時(shí)雖然沒(méi)有要求寫出陽(yáng)極的電極反應(yīng)式，但從離子移動(dòng)的方向來(lái)看，還是需要能分析清楚陽(yáng)極的反應(yīng)情況.雖然平時(shí)的教學(xué)中有關(guān)I2的內(nèi)容較少，但依據(jù)該題中情境的實(shí)際情況來(lái)分析就可以得到答案.

（2018年全國(guó)卷Ⅱ-26節(jié)選），以閃鋅礦（ZnS，含有SiO2和少量FeS、CdS、PbS雜質(zhì)）為原料制備金屬鋅的流程如圖所示：

電解硫酸鋅溶液制備單質(zhì)鋅時(shí)，陰極的電極反應(yīng)式為_______;

分析：該工業(yè)流程最終目的為了制取鋅單質(zhì).將原料閃鋅礦（ZnS，含有SiO2和少量FeS、CdS、PbS雜質(zhì)）經(jīng)過(guò)一系列反應(yīng)后去除其中的雜質(zhì)，并轉(zhuǎn)化為ZnSO4溶液.如果電解ZnSO4稀溶液，也許發(fā)生反應(yīng)的物質(zhì)仍然是水，但題中要求得到鋅單質(zhì)，發(fā)生反應(yīng)的物質(zhì)必定是Zn2+.也許在平時(shí)的學(xué)習(xí)中一般認(rèn)為，在水溶液中活潑金屬的離子不容易參加反應(yīng)，如果采用鋅作電極，并通過(guò)增加鋅離子的濃度來(lái)增強(qiáng)氧化能力，反應(yīng)是完全可以發(fā)生的.這其實(shí)也是氫在鋅電極上具有超電勢(shì)所致.該方案最后可以選擇電解飽和硫酸鋅溶液，則鋅離子發(fā)生反應(yīng)就很正常.這種情況就需要考慮實(shí)際問(wèn)題，不能墨守成規(guī)，認(rèn)為水溶液中一定反應(yīng)的是H+或者OH-.

電化學(xué)的基礎(chǔ)是氧化還原反應(yīng)，在處理電化學(xué)問(wèn)題時(shí)要抓住本質(zhì)（電子轉(zhuǎn)移的情況）和現(xiàn)象（微粒中元素化合價(jià)的變化）這兩個(gè)方面分析，同時(shí)注意結(jié)合具體的反應(yīng)情況就可以完美的解決問(wèn)題.雖然需要回答的問(wèn)題只是一到兩個(gè)方面，但在分析時(shí)應(yīng)該把握住整個(gè)裝置.

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2]李宗來(lái)，李小娟.例談電解原理在高考題中的應(yīng)用[J].化學(xué)教學(xué)，2019（5）：37-39.

[3]曹錫章，張婉蕙，杜堯國(guó).無(wú)機(jī)化學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2002.

[責(zé)任編輯：季春陽(yáng)]