高中生對(duì)高考試題中電化學(xué)選擇題解答的認(rèn)知誤區(qū)及應(yīng)對(duì)策略

廣西 金敖然

電化學(xué)模塊是高中化學(xué)知識(shí)重要的組成部分，是高考中的高頻考點(diǎn)。通常以新型電池為載體進(jìn)行考查，涉及原電池原理與電解原理、氧化還原反應(yīng)、電子轉(zhuǎn)移計(jì)算、離子反應(yīng)、元素化合物等知識(shí)。該模塊概念較多，注重原理的應(yīng)用，同時(shí)還要求學(xué)生能夠正確書(shū)寫電極反應(yīng)式，有時(shí)還會(huì)結(jié)合物理學(xué)科中電學(xué)的相關(guān)知識(shí)一起考查。因此，高中生在解決這部分問(wèn)題時(shí)，往往存在一定的障礙。為了解決學(xué)生的學(xué)習(xí)障礙，使學(xué)生走出認(rèn)知誤區(qū)，提升學(xué)習(xí)效果，落實(shí)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，筆者對(duì)高中生解答電化學(xué)選擇題的認(rèn)知誤區(qū)進(jìn)行了分析研究，并提出了應(yīng)對(duì)策略。

一、診斷檢測(cè)

針對(duì)高二年級(jí)，筆者編寫了隨堂測(cè)試卷《電化學(xué)基礎(chǔ)單元檢測(cè)》。內(nèi)容包括原電池及電解池的工作原理與應(yīng)用、新型電池、二次電池、燃料電池、電化學(xué)相關(guān)計(jì)算、材料信息的理解與運(yùn)用、離子交換膜等考查角度，考查學(xué)生的基礎(chǔ)概念、原理知識(shí)、計(jì)算能力以及信息的攝取與整合能力，充分挖掘?qū)W生在學(xué)習(xí)過(guò)程中存在的認(rèn)知誤區(qū)。試卷結(jié)構(gòu)為7道選擇題，滿分70分，測(cè)試時(shí)間20分鐘。試卷如下：

《電化學(xué)基礎(chǔ)單元檢測(cè)》

滿分70分 測(cè)試時(shí)間：20分鐘

一、單選題(每題10分)

1.如圖1所示裝置中觀察到電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)，M棒變粗，N棒變細(xì)，由此判斷表1中所列M、N、P物質(zhì)，其中可以成立的組合是

表1

圖1

( )

2.用惰性電極電解一定濃度的CuSO4溶液，通電一段時(shí)間后向所得溶液中加入0.1 mol堿式碳酸銅后恰好與原溶液濃度和pH相等(不考慮CO2溶解)，則電解過(guò)程中共轉(zhuǎn)移的電子的物質(zhì)的量為

( )

A.0.4 mol B.0.6 mol

C.0.8 mol D.1.0 mol

3.港珠澳大橋的設(shè)計(jì)使用壽命高達(dá)120年，主要的防腐方法有：①鋼梁上安裝鋁片；②使用高性能富鋅(富含鋅粉)底漆；③使用高附著性防腐涂料；④預(yù)留鋼鐵腐蝕量。下列分析不合理的是

( )

B.防腐過(guò)程中鋁和鋅均作為犧牲陽(yáng)極，失去電子

C.防腐涂料可以防水、隔離O2，降低吸氧腐蝕速率

D.方法①②③只能減緩鋼鐵腐蝕，未能完全消除

4.(2020·全國(guó)卷Ⅱ·12)電致變色器件可智能調(diào)控太陽(yáng)光透過(guò)率，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。圖2是某電致變色器件的示意圖。當(dāng)通電時(shí)，Ag+注入到無(wú)色WO3薄膜中，生成AgxWO3，器件呈現(xiàn)藍(lán)色，對(duì)于該變化過(guò)程，下列敘述錯(cuò)誤的是

圖2

( )

A.Ag為陽(yáng)極

B.Ag+由銀電極向變色層遷移

C.W元素的化合價(jià)升高

5.(2021·西藏模擬)圖3為一種電催化還原CO2的裝置示意圖，下列有關(guān)敘述正確的是

圖3

( )

A.工作一段時(shí)間后，B池溶液的pH減小

B.該裝置工作時(shí)，A池中的H+移向B池

C.甲電極連接電源正極

D.可用pH試紙檢測(cè)B池溶液的pH

6.(2020·全國(guó)卷Ⅰ·12)科學(xué)家近年發(fā)明了一種新型Zn-CO2水介質(zhì)電池。電池示意圖如圖4所示，電極為金屬鋅和選擇性催化材料，放電時(shí)，溫室氣體CO2被轉(zhuǎn)化為儲(chǔ)氫物質(zhì)甲酸等，為解決環(huán)境和能源問(wèn)題提供了一種新途徑。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是

圖4

( )

B.放電時(shí)，1 mol CO2轉(zhuǎn)化為HCOOH，轉(zhuǎn)移的電子數(shù)為2 mol

D.充電時(shí)，正極溶液中OH-濃度升高

7.利用CH4燃料電池電解制備Ca(H2PO4)2并得到副產(chǎn)物NaOH、H2、Cl2，裝置如圖5所示。下列說(shuō)法不正確的是

圖5

( )

B.A膜和C膜均為陽(yáng)離子交換膜

C.可用鐵電極替換陰極的石墨電極

D.a極上通入2.24 L甲烷，陽(yáng)極室Ca2+減少0.4 mol

【參考答案】

1234567CBACADD

【試卷分析】筆者針對(duì)2023屆10班、15班學(xué)生的試卷進(jìn)行批改，形成有效試卷110份，現(xiàn)將成績(jī)匯總分析，統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2 2023屆高二學(xué)生電化學(xué)選擇題檢測(cè)答題情況分析表

二、學(xué)生在電化學(xué)學(xué)習(xí)中存在的認(rèn)知誤區(qū)的三種類型

類型1.不能正確理解原電池、電解池的工作原理，造成認(rèn)知誤區(qū)。

電化學(xué)部分的概念眾多，學(xué)生存在對(duì)電化學(xué)概念認(rèn)識(shí)模糊，導(dǎo)致錯(cuò)誤頻出。比如負(fù)極、陽(yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng)；電池內(nèi)部電子從負(fù)極流向正極；溶液中的陽(yáng)離子移向正極或陰極；二次電池充電時(shí)，負(fù)極連接外部電源的負(fù)極；粗銅精煉中粗銅做陽(yáng)極；電鍍工業(yè)中“鍍層金屬”做陽(yáng)極等。學(xué)生對(duì)于這些概念認(rèn)識(shí)不清，就會(huì)造成許多錯(cuò)誤的發(fā)生。

類型2.學(xué)生不會(huì)根據(jù)電極反應(yīng)式進(jìn)行電子轉(zhuǎn)移相關(guān)計(jì)算，造成認(rèn)知誤區(qū)。

面對(duì)電化學(xué)的計(jì)算題，相當(dāng)一部分學(xué)生是無(wú)從下手的，遇到帶計(jì)算的選擇題就用排除法獲得答案。究其原因是學(xué)生不會(huì)依據(jù)電極反應(yīng)式進(jìn)行計(jì)算，沒(méi)有守恒思想與整體思想。

類型3.缺乏收集、整合信息的能力，造成思維固化的認(rèn)知誤區(qū)。

主要表現(xiàn)在，學(xué)生對(duì)于陌生情境下的電化學(xué)裝置中的重要信息捕捉不到位；對(duì)于電化學(xué)與實(shí)驗(yàn)、化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)相結(jié)合的分析沒(méi)有頭緒；尤其是近幾年出現(xiàn)的微生物電池、太陽(yáng)能電池、離子交換膜電池、海洋電池等教材上沒(méi)有的裝置，令學(xué)生頭疼不已。

表3 針對(duì)《單元檢測(cè)》中正確率較低的試題進(jìn)行認(rèn)知誤區(qū)類型歸納分析

三、走出認(rèn)知誤區(qū)，突破電化學(xué)選擇題的策略分析

1.深刻領(lǐng)會(huì)電化學(xué)基本概念，避免陷入概念混淆的認(rèn)知誤區(qū)

前面分析過(guò)，電化學(xué)概念、原理模糊，常會(huì)導(dǎo)致許多錯(cuò)誤出現(xiàn)。因此作為教師有必要幫助學(xué)生厘清工作原理和深化概念，負(fù)極是低電勢(shì)一端，正極是高電勢(shì)一端，這樣電子從負(fù)極流向正極，從而使得負(fù)極發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)，同時(shí)造成該極區(qū)陽(yáng)離子增加，陽(yáng)離子定向移向正極區(qū)。電解池中，與電源負(fù)極相連的是陰極，是電子流入一極，因此該電極發(fā)生得電子的還原反應(yīng)；電子的流入導(dǎo)致該電極負(fù)電荷增加，溶液陽(yáng)離子定向移向陰極。

【例1】(2021·全國(guó)乙卷·12)沿海電廠采用海水為冷卻水，但在排水管中生物的附著和滋生會(huì)阻礙冷卻水排放并降低冷卻效率，為解決這一問(wèn)題，通常在管道口設(shè)置一對(duì)惰性電極(如圖6所示)，通入一定的電流。下列敘述錯(cuò)誤的是

圖6

( )

A.陽(yáng)極發(fā)生將海水中的Cl-氧化生成Cl2反應(yīng)

B.管道中可以生成氧化滅殺附著生物的NaClO

C.陰極生成的H2應(yīng)及時(shí)通風(fēng)稀釋安全地排入大氣

D.陽(yáng)極表面形成的Mg(OH)2等積垢需要定期清理

【參考答案】D

【解題策略】海水中除了水，還含有大量的Na+、Cl-、Mg2+等離子，根據(jù)題干信息可知，裝置的原理是利用惰性電極電解海水，陽(yáng)極區(qū)溶液中的Cl-會(huì)優(yōu)先失電子生成Cl2，陰極區(qū)H2O優(yōu)先得電子生成H2和OH-，故在陰極表面形成Mg(OH)2。學(xué)生在解答此類問(wèn)題時(shí)，應(yīng)深刻把握基本概念、工作原理，透過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì)，切勿被裝置表面迷惑。

2.提升電化學(xué)計(jì)算能力，走出對(duì)計(jì)算題認(rèn)知誤區(qū)的陰霾

3.創(chuàng)設(shè)新情境，突破思維固化的認(rèn)知誤區(qū)

很多時(shí)候?qū)W生思維受以往思維慣性影響，不能在新情境中把知識(shí)與題中關(guān)鍵信息融會(huì)貫通。因此教師要積極設(shè)置新情境，鍛煉學(xué)生的知識(shí)遷移、辯證思維的能力。如處理離子交換膜的時(shí)候，學(xué)生只知道氯堿工業(yè)使用陽(yáng)離子交換膜，卻不完全清楚其中的原理，因而遇到交換膜都認(rèn)為是陽(yáng)離子交換膜。其實(shí)把握住工作原理，就可以輕松判斷膜的種類。此處教師在教學(xué)中可以多設(shè)計(jì)些帶交換膜的新型電池示例，供學(xué)生分析判斷。

【例2】《電化學(xué)基礎(chǔ)單元檢測(cè)》第7題，試題略。

【解題策略】如何判斷A、B、C膜的種類呢？還是要緊扣工作原理，體現(xiàn)“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的核心素養(yǎng)。陽(yáng)極室陰離子放電，導(dǎo)致該極區(qū)陽(yáng)離子過(guò)剩，陰離子匱乏，再結(jié)合A膜右端為“產(chǎn)品室”，故A膜為陽(yáng)離子交換膜，目的為產(chǎn)品室輸送Ca2+，則B膜為陰離子交換膜，C膜為陽(yáng)離子交換膜。這樣問(wèn)題就迎刃而解了。

【教學(xué)感悟】以新型電池為背景材料的電化學(xué)試題備受高考命題者的青睞，包括微生物電池、太陽(yáng)能電池、海洋電池、熱激活電池等等。這些電池取材新穎，時(shí)代性強(qiáng)，陌生度高，綜合性強(qiáng)。但是試題的命制，往往是“高起點(diǎn)，低落點(diǎn)”，能夠全面考查學(xué)生的電化學(xué)知識(shí)和原理，有一定的區(qū)分度，是各種大型考試的熱點(diǎn)題型。

四、小結(jié)

原電池和電解池是高中化學(xué)教學(xué)中的重要部分，也是高考重點(diǎn)考查內(nèi)容。學(xué)生對(duì)于這種偏理性的知識(shí)往往掌握不好，容易進(jìn)入認(rèn)知誤區(qū)。本文通過(guò)對(duì)學(xué)生進(jìn)行診斷檢測(cè)，尋找并歸納出學(xué)生易錯(cuò)的認(rèn)知誤區(qū)，分析這些問(wèn)題存在的原因，進(jìn)而探索出一些帶領(lǐng)學(xué)生走出誤區(qū)的應(yīng)對(duì)策略。當(dāng)然要想讓學(xué)生游刃有余的解答電化學(xué)問(wèn)題，結(jié)合班級(jí)學(xué)情，選取優(yōu)質(zhì)的習(xí)題進(jìn)行必要的訓(xùn)練是必不可少的。