核心素養(yǎng)理念下的電化學(xué)命題特點探析

◇ 河北 高孝強

電化學(xué)是化學(xué)學(xué)科模型認知、宏觀辨識與微觀探析、變化觀念、社會責(zé)任等核心素養(yǎng)體現(xiàn)的最主要載體之一,是高考命題的必考知識點,常同時出現(xiàn)在選擇題與非選擇題中,選擇題難度較大、題境較新穎,常以電化學(xué)研究的新成果、新應(yīng)用為素材,展示電化學(xué)工作原理模型;在非選擇題中常常以拓展知識寬度、角度及深度來凸顯命題的綜合性、創(chuàng)新性,常以簡單的電化學(xué)裝置圖或文字描述來展示,這不僅利于考查氧化還原反應(yīng)知識、電化學(xué)模型、方程式的書寫等必備化學(xué)知識,同時也利于對識圖分析與信息整合、推理與計算等關(guān)鍵能力的考查.

1 考查電化學(xué)裝置的工作原理,凸顯知識的基礎(chǔ)性

電化學(xué)考查內(nèi)容盡管主要體現(xiàn)在電極類型判斷、電極反應(yīng)式書寫、總反應(yīng)方程式書寫、電子轉(zhuǎn)移數(shù)目以及電解液中離子濃度變化等方面,但其命題的基礎(chǔ)就是電化學(xué)的基本工作原理,其工作原理就是在電極上發(fā)生電極反應(yīng),進而可以明確有關(guān)微粒的得失電子及存在狀態(tài).

例1一種水基二次電池原理如下,

電解液為含Zn2＋的水溶液,該電池可用于電網(wǎng)貯能.下列說法正確的是( ).

圖1

A.放電時,Zn2＋脫離插層

B.放電時,溶液中Zn2＋濃度一直減小

C.充電時,電子由Zn0.25V2O5·yH2O層經(jīng)電解質(zhì)溶液流向Zn0.25＋xV2O5·zH2O 層

D.充電時,陽極反應(yīng)為:Zn0.25＋xV2O5·zH2O＋(y－z)H2O－2xe－＝Zn0.25V2O5·yH2O＋xZn2＋

解析

以一種水基二次電池為題材,考查原電池、電解池的工作原理.從圖示及提供的反應(yīng)方程式角度來看,有點復(fù)雜,但耐心分析就會發(fā)現(xiàn)知識落腳點很簡單,無非就是電極判斷、電子(或離子)移動、電極反應(yīng)式書寫等常規(guī)內(nèi)容.放電時,Zn作負極,Zn0.25V2O5·yH2O得電子,并與Zn2＋結(jié)合進入插層,選項A錯誤;由反應(yīng)方程式可知,Zn2＋沒有在總反應(yīng)方程式中出現(xiàn),故Zn2＋濃度不變,選項B錯誤;電子只能通過導(dǎo)線轉(zhuǎn)移,不能通過電解質(zhì)溶液轉(zhuǎn)移,選項C錯誤;充電是與放電完全相反的過程,充電時,陽極的電極反應(yīng)式為Zn0.25＋xV2O5·zH2O＋(y－z)H2O－2xe－＝Zn0.25V2O5·yH2O＋xZn2＋,選項 D正確.答案為D.

解題策略電化學(xué)的實質(zhì)就是氧化還原反應(yīng),因而在熟練掌握氧化還原反應(yīng)中的氧化劑與還原產(chǎn)物、還原劑與氧化產(chǎn)物等基本概念的基礎(chǔ)上,理解電化學(xué)裝置的工作原理(如圖2),并結(jié)合轉(zhuǎn)化中箭頭指向或信息提示,就可以順利判斷出電極反應(yīng)類型.

圖2

2 展示新型電池的最新研究成果,凸顯化學(xué)的使命感

能源是人類社會可持續(xù)發(fā)展的三大因素之一,因而對能源危機的解決主要集中在提高現(xiàn)有燃料的利用率與尋找新能源兩個方面,可以說是化學(xué)面臨的極大社會責(zé)任問題,需要不斷研究創(chuàng)新.

例2微生物燃料電池是指在微生物的作用下將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置,某微生物燃料電池的工作原理如圖3所示,下列說法錯誤的是( ).

圖3

A.b電極發(fā)生還原反應(yīng):4H＋＋O2＋4e－＝2H2O

B.電路中有4mol電子發(fā)生轉(zhuǎn)移,大約消耗標準狀況下22.4L空氣

C.維持兩種細菌存在,該裝置才能持續(xù)將有機物氧化成CO2并產(chǎn)生電子

D.HS－在硫氧化菌作用下轉(zhuǎn)化為的反應(yīng)是

解析

以微生物燃料電池為情境素材,展現(xiàn)了電化學(xué)研究的多角度.由圖示可知,通O2的b電極為正極,發(fā)生的電極反應(yīng)為4H＋＋O2＋4e－＝2H2O,選項A正確;電路中有4mol電子發(fā)生轉(zhuǎn)移時,消耗O2為在標準狀況下體積為22.4L,則大約消耗標準狀況下空氣22.4L×5＝112 L,選項B錯誤;硫酸鹽還原菌可以將有機物氧化成CO2,硫氧化菌可以將HS－氧化成,故兩種細菌存在時就會循環(huán)把有機物氧化成CO2并釋放出電子,所以選項C正確;HS－在硫氧化菌作用下轉(zhuǎn)化為,其電極反應(yīng)式是HS－＋4H2O－8e－＝＋9H＋,選項D正確.答案為B.

例3一種釕(Ru)基配合物光敏染料敏化太陽能電池的示意圖如圖4所示.電池工作時電極上發(fā)生的反 應(yīng) 為:(激發(fā)態(tài)),RuⅡ?－e－→RuⅢ,I－3＋2e－→3I－.下列關(guān)于該電池的敘述正確的是( ).

圖4

A.電池工作時,是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能

B.電池工作時,電解質(zhì)溶液中I－和濃度不斷降低

C.透明導(dǎo)電玻璃上的電勢比鍍Pt導(dǎo)電玻璃上的電勢高

D.電解質(zhì)溶液中發(fā)生反應(yīng)2Ru3＋＋3I－＝2Ru2＋＋

解析

本題以太陽能電池為情境素材,既體現(xiàn)科學(xué)家在新能源研究方面的成果,同時也從微觀角度圖了解發(fā)電的工作原理.根據(jù)圖示可知,太陽能電池是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的裝置,選項A錯誤;電池工作時,電解質(zhì)溶液中I－3轉(zhuǎn)化為I－,選項B錯誤;電子由透明導(dǎo)電玻璃經(jīng)用電器轉(zhuǎn)移至鍍Pt導(dǎo)電玻璃上,說明透明導(dǎo)電玻璃上的電勢比鍍Pt導(dǎo)電玻璃上的電勢低,選項C錯誤;由圖示可知,電解質(zhì)溶液中發(fā)生協(xié)同反應(yīng):2Ru3＋＋3I－＝2Ru2＋＋,選項D正確.答案為D.

解題策略在關(guān)注物質(zhì)中元素價態(tài)的變化及微粒實際存在狀態(tài)前提下,利用守恒思想書寫電極反應(yīng)式及總反應(yīng)方程式.書寫電極反應(yīng)式時,首先通過價態(tài)升降關(guān)系找出氧化劑與還原產(chǎn)物(或還原劑與氧化產(chǎn)物),然后寫出氧化劑＋ne－→還原產(chǎn)物(或還原劑－ne－→氧化產(chǎn)物),最后利用電荷守恒、原子守恒配平即可,其中配平電荷守恒時一定要運用離子導(dǎo)體中的導(dǎo)電離子(或電解質(zhì)溶液中的H＋或OH－).

3 以電化學(xué)應(yīng)用為情境,體現(xiàn)社會責(zé)任感

化學(xué)源于生活又服務(wù)于社會,這就是化學(xué)不斷向前發(fā)展的動力,因此涉及電化學(xué)在三廢處理、海水淡化、物質(zhì)制備與測定等方面的新應(yīng)用逐漸成為命題的熱點.

例4三室式電滲析法處理含NH4NO3廢水的原理如圖5所示,在直流電場的作用下,兩膜中間的和可通過離子交換膜,而兩端隔室中的離子被阻擋不能進入中間隔室.工作一段時間后,在兩極區(qū)均得到副產(chǎn)品NH4NO3.下列敘述正確的是( ).

圖5

A.a極為電源負極,b極為電源正極

B.c膜是陰離子交換膜,d膜是陽離子交換膜

D.當電路中通過1mol電子的電荷量時,會有5.6LO2生成

解析

這是一道涉及廢水處理、變廢為寶的電化學(xué)試題.由“工作一段時間后,在兩極區(qū)均得到副產(chǎn)品NH4NO3”及裝置圖可知,Ⅱ室中的陽離子NH＋4、H＋向Ⅰ室移動,并與Ⅰ室中的稀硝酸反應(yīng)生成了NH4NO3,故c膜為陽離子交換膜,Ⅰ室中石墨為電解池陰極,a極為電源負極,陰極電極反應(yīng)式為2H2O＋2e－＝H2↑＋2OH－;Ⅱ室中的陰離子、OH－向Ⅲ室移動,并與Ⅲ室中的稀氨水反應(yīng)生成NH4NO3,故d膜為陰離子交換膜,Ⅲ室中石墨為電解池的陽極,b極為電源正極,陽極電極反應(yīng)式為2H2O－4e－＝O2↑＋4H＋,所以選項A正確、選項B與C錯誤;選項D中沒有給出標準狀況下,無法用氣體摩爾體積公式計算氣體體積,故錯誤.答案為A.

例5我國科學(xué)家開發(fā)設(shè)計出一種天然氣脫硫裝置,利用圖6裝置可實現(xiàn)反應(yīng)H2S＋O2＝H2O2＋S↓.已知甲池中有如圖7所示的轉(zhuǎn)化:

圖6

圖7

下列說法錯誤的是( ).

A.該裝置將光能只轉(zhuǎn)化為電能

B.該裝置工作時,溶液中的H＋從甲池經(jīng)過全氟磺酸膜進入乙池

C.甲池碳棒上發(fā)生電極反應(yīng):

D.乙池①處發(fā)生反應(yīng):H2S＋＝3I－＋S↓＋2H＋

解析

這是利用原電池原理來脫硫的試題.由圖中信息知光能轉(zhuǎn)化為電能和化學(xué)能,選項A錯誤;根據(jù)甲池中碳棒上發(fā)生消耗H＋的反應(yīng)可知,H＋應(yīng)從乙池移向甲池,選項B錯誤;甲池中碳棒是正極,電極反應(yīng)式為AQ＋2H＋＋2e－＝H2AQ,選項C正確;根據(jù)乙池①處箭頭方向知,發(fā)生的協(xié)同反應(yīng)為H2S＋I－3＝3I－＋S↓＋2H＋,選項D正確.答案為A、B.

知識延伸:電極反應(yīng)是指在電極表面上進行的反應(yīng),其他發(fā)生的反應(yīng)都不屬于電極反應(yīng).離子移動的目的一是為了形成閉合電路,二是為了中和(或減少)電極附近多余的電荷,以確保電極附近呈電中性.

4 與實驗探究、平衡與速率等知識相融合,凸顯學(xué)科內(nèi)知識的綜合性

化學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ),以理論與計算為指導(dǎo)的學(xué)科,因而諸多化學(xué)知識點不是孤立的,而是有機融合在一起成為一個較為完整的系統(tǒng).

例6(2020年新課標Ⅰ)為驗證不同化合價鐵的氧化還原能力,利用圖8所示電池裝置進行實驗.

圖8

回答下列問題:

(1)由 FeSO4·7H2O 固體配制0.10mol·L－1FeSO4溶液,需要的儀器有藥匙、玻璃棒、________(從圖9中選擇,寫出名稱).

圖9

(2)電池裝置中,鹽橋連接兩電極電解質(zhì)溶液.鹽橋中陰、陽離子不與溶液中的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),并且電遷移率(μ∞)應(yīng)盡可能地相近.根據(jù)表1數(shù)據(jù),鹽橋中應(yīng)選擇________作為電解質(zhì).

表1

(3)電流表顯示電子由鐵電極流向石墨電極.可知,鹽橋中的陽離子進入________電極溶液中.

(4)電池反應(yīng)一段時間后,測得鐵電極溶液中c(Fe2＋)增加了0.02mol·L－1.石墨電極上未見Fe析出.可知,石墨電極溶液中c(Fe2＋)＝________.

(5)根據(jù)(3)、(4)實驗結(jié)果,可知石墨電極的電極反應(yīng)式為________,鐵電極的電極反應(yīng)式為________.因此,驗證了Fe2＋氧化性小于________,還原性小于________.

(6)實驗前需要對鐵電極表面活化.在FeSO4溶液中加入幾滴Fe2(SO4)3溶液,將鐵電極浸泡一段時間,鐵電極表面被刻蝕活化.檢驗活化反應(yīng)完成的方法是________.

解析

這是一道實驗探究與電化學(xué)知識相融合的試題.(1)由 FeSO4·7H2O 固體配制0.10 mol·L－1FeSO4溶液的步驟為計算、稱量、溶解并冷卻至室溫、移液、洗滌、定容、搖勻、裝瓶、貼標簽,因而需要的儀器有藥匙、托盤天平、合適的量筒、燒杯、玻璃棒、合適的容量瓶、膠頭滴管.(2)FeSO4、Fe2(SO4)3都屬于強酸弱堿鹽,水溶液呈酸性,故Fe2＋、Fe3＋能與HCO－3反應(yīng),酸性條件下NO－3能與Fe2＋反應(yīng),又因Ca2＋能與SO2－4反應(yīng),所以根據(jù)題意“鹽橋中陰、陽離子不與溶液中的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)”,故鹽橋中陰離子不能選擇HCO－3、NO－3,陽離子不能選擇Ca2＋,又因“鹽橋中陰、陽離子的遷移率(μ∞)應(yīng)盡可能地相近”,故鹽橋中選擇KCl作為電解質(zhì).(3)根據(jù)“電流表顯示電子由鐵電極流向石墨電極”知,鐵電極為負極,石墨電極為正極,所以鹽橋中的陽離子進入石墨電極溶液中.(4)鐵電極上的反應(yīng)式為Fe－2e－＝Fe2＋,石墨電極上的反應(yīng)式為Fe3＋＋e－＝Fe2＋,根據(jù)“電池反應(yīng)一段時間后,測得鐵電極溶液中c(Fe2＋)增加了0.02mol·L－1”,又由得失電子守恒,石墨電極溶液中c(Fe2＋)增加0.04mol·L－1,故c(Fe2＋)＝0.05mol·L－1＋0.04mol·L－1＝0.09mol·L－1.(5)電池總反應(yīng)為Fe＋2Fe3＋＝3Fe2＋,根據(jù)氧化還原反應(yīng)強弱規(guī)律知:Fe2＋氧化性小于Fe3＋,還原性小于Fe.(6)鐵電極表面被刻蝕活化,發(fā)生的反應(yīng)為Fe＋Fe2(SO4)3＝3FeSO4,要檢驗活化反應(yīng)是否完成,只要檢驗溶液中不含F(xiàn)e3＋即可.

解題策略讀取題干,明確題意要求,運用所學(xué)知識及題干中的文字描述或圖示信息提示,解答具體問題即可.

電化學(xué)的命題素材比較新穎,命題的方式可以多變,但考查的知識點仍落到電化學(xué)的基本原理上,故學(xué)習(xí)或復(fù)習(xí)時一定要深度理解電化學(xué)的工作原理,以不變應(yīng)萬變.