思維建模在電化學復習中的實踐研究*

王 娜

（蘭州市第二十七中學 甘肅蘭州 730000）

一、研究背景

電化學知識是高考重點考查內(nèi)容。筆者統(tǒng)計了近五年全國高考理綜試卷選擇題，發(fā)現(xiàn)電化學選擇題出現(xiàn)了13次，出現(xiàn)率為92.9%，分值至少6分；常見電化學考查類型有：原電池，電解池和二次電池（充放電電池）三類；出題方式一般在題材新穎，情景陌生的背景下，考查電化學基本原理和基礎(chǔ)知識，側(cè)重考查學生讀題識圖，提取有效信息，分析推理能力，落實證據(jù)推理與模型認知核心素養(yǎng)。［1］因此，學生從陌生情境中提取有效信息，并將有效信息與已有知識結(jié)合進行分析推理是解題關(guān)鍵。

筆者對所教高三兩個班級部分學生進行了訪談，結(jié)果表明，學生對學習電化學存在以下問題：1.知識碎片化嚴重，難以構(gòu)成完整的知識體系，容易混淆原電池和電解池，對基本原理也含糊不清；2.即使對基本原理清晰的學生，在題材新穎，情境陌生的情形下，也無法準確提取有效信息、理清思路；3.學生做題無快捷有效思路，且理綜答題時間較為緊張，大部分學生仍有蒙題的成分，無法準確判斷選項，由此產(chǎn)生畏懼心理，電化學選擇題得分率也相對較低。通過訪談，筆者認為造成這種現(xiàn)象的主要原因是學生平常做題時沒有對電化學題型的考點和方法進行總結(jié)歸納，以至于知識不成體系，做題沒有方法?；诖?，筆者通過對近幾年全國高考電化學選擇題進行研究，并整理凝練電化學常考的知識點，建構(gòu)解題思維模型，以期幫助學生建立電化學知識體系，提升讀題識圖、分析推理能力，并提高答題準確度。

表1為筆者統(tǒng)計的近五年高考全國卷電化學選擇題內(nèi)容。通過表1數(shù)據(jù)可看出，考查內(nèi)容基本屬于電化學基本原理和基礎(chǔ)知識。因此，筆者借助圖示將電化學基本原理和基礎(chǔ)知識建模，幫助學生快速、清晰地將碎片化的知識系統(tǒng)化；將基本原理關(guān)鍵字凝練整理，方便學生理解記憶。

表1 近五年高考全國卷電化學選擇題分析

二、電化學專題思維建模

1.電化學原理建模

電化學原理思維模型建立的基礎(chǔ)是電子的得失。如圖1所示，原電池負極失電子（發(fā)生氧化反應）經(jīng)外電路流向正極得電子（發(fā)生還原反應），在內(nèi)電路中，陰離子流向負極（失電子生成更多的正電荷），陽離子流向正極，構(gòu)成閉合回路，形成電流（電流方向與電子方向相反），關(guān)鍵字：“原負失陰”（原電池負極失電子，陰離子移向負極），正極相反。外加電源正極連接電解池陽極失電子（發(fā)生氧化反應）經(jīng)外電路流向陰極得電子（發(fā)生還原反應），在內(nèi)電路中，陰離子流向陽極，陽離子流向陰極，構(gòu)成閉合回路，形成電流，關(guān)鍵字：“正陽失陰”（正極連接陽極，失電子，陰離子移向陽極），陰極相反。二次電池為原電池（放電）和電解池（充電）的結(jié)合，放電時正極得電子，充電時變?yōu)殛枠O失電子，并連接外加電源的正極；放電時負極失電子，充電時變?yōu)殛帢O得電子，并連接外加電源的負極。

2.電化學解題思維模型

在電化學原理思維模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合高三專題復習教學實踐，筆者試圖打破以往知識點記憶和陳述的傳統(tǒng)復習方法，采用一讀（信息提?。q（模型認知）——三判（模型構(gòu)建）——四析（問題解析）的階梯式復習模式（圖2），引導學生建立思維模型，提高專題復習效率，啟發(fā)學生模型化解決復雜問題的思維，促進學科綜合素養(yǎng)的發(fā)展。

圖2 電化學專題解題思維模型

三、典例解析

例1（.2020年全國（新課標Ⅲ））一種高性能的堿性硼化釩（VB2）—空氣電池如圖3所示，在VB2電極發(fā)生反應。該電池工作時，下列說法錯誤的是（）

圖3 電池示意圖

A.負載通過0.04 mol電子時，有0.224 L（標準狀況）O2參與反應

B.正極區(qū)溶液的pH降低、負極區(qū)溶液的pH升高

C.電池總反應為4VB2+11O2+20OH-+6H2O====8B(OH)-4+4VO

D.電流由復合碳電極經(jīng)負載、VB2電極、KOH溶液回到復合碳電極

解析：

一讀：關(guān)鍵信息：“堿性硼化釩（VB2）—空氣電池”“VB2電極發(fā)生反應：VB2+16OH--11e-====VO+2B(OH)-4+4H2O“”說法錯誤的是”；圖中“，KOH溶液”。

二辨：從題干“堿性硼化釩（VB2）—空氣電池”辨別該裝置為原電池。根據(jù)“原負失陰”判斷正負極。

三判：從VB2+16OH--11e-====VO+2B(OH)-4+4H2O分析VB2失e-，判斷該原電池的負極為硼化釩（VB2），空氣為正極。

四析：分析選項，A項，根據(jù)“原負失陰”已判斷空氣為正極，故O2得電子的還原產(chǎn)物為OH-中-2價的O，所以每個O2得4個電子，標準狀況下0.224 L（0.01 mol）O2得0.04 mol電子，即負極通過0.04 mol電子，故A正確；B項，由負極方程式判斷，負極消耗OH-，負極區(qū)溶液的pH應降低，經(jīng)分析正極電極反應方程式為O2+4e-+2H2O=4OH-，所以正極區(qū)溶液的pH應升高，故B錯誤；C項，根據(jù)“原負失陰”分析得正負極分別為VB2和O2，電解質(zhì)為堿性，再結(jié)合題干所給負極方程式，判斷該總反應正確，故C正確；D項，根據(jù)“原負失陰”已判斷出復合碳電極（空氣）做正極，VB2電極做負極，電流由正極到負極，故D正確。答案選B。

例2.（2021全國甲卷）乙醛酸是一種重要的化工中間體，可采用如圖4所示的電化學裝置合成。圖中的雙極膜中間層中的H2O解離為H+和OH-，并在直流電場作用下分別向兩極遷移。下列說法正確的是（）

圖4 電化學裝置圖

A.KBr在上述電化學合成過程中只起電解質(zhì)的作用

C.制得2 mol乙醛酸，理論上外電路中遷移了1 mol電子

D.雙極膜中間層中的H+在外電場作用下向鉛電極方向遷移

解析：

從題干“直流電場作用下”和圖中“電源”辨別該裝置為電解池。再根據(jù)“正陽失陰”判斷陽極為石墨電極，進而分析出B錯誤；A項，石墨電極反應為2Br--2e-→Br2，所以KBr不只起電解質(zhì)的作用，還作為還原劑，故A錯誤；C項，陽極區(qū)生成1 mol乙醛酸失去2 mol電子，同時陰極區(qū)得到2 mol電子，也生成1 mol乙醛酸，故C錯誤。答案選D。

例3（.2020年全國（新課標Ⅰ））科學家近年發(fā)明了一種新型Zn-CO2水介質(zhì)電池。電池示意圖如圖5所示，電極為金屬鋅和選擇性催化材料，放電時，溫室氣體CO2被轉(zhuǎn)化為儲氫物質(zhì)甲酸等，為解決環(huán)境和能源問題提供了一種新途徑。下列說法錯誤的是（）

圖5 電池示意圖

A.放電時，負極反應為Zn-2e-+4OH-==Zn(OH)

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

C.充電時，電池總反應為2Zn(OH)24-==2Zn+O2↑+4OH-+2H2O

D.充電時，正極溶液中OH-濃度升高

解析：

從題干“放電時”和圖中“放電、充電”辨別該裝置為二次電池。放電即為原電池，根據(jù)“原負失陰”判斷出Zn為負極，故A正確；B項，CO2～HCOOH～2e-，故B正確；充電即為電解池，根據(jù)“正陽失陰”判斷充電時陽極H2O→O2，陰極Zn(OH)→Zn，故C正確；D項，陽極反應：2H2O-4e-=4H++O2，溶液中（cH+）增大，當溫度不變時，KW不變，因此溶液中（cOH-）降低，故D錯誤。答案選D。

例4.（2020年全國統(tǒng)一考試化學試題（新課標Ⅱ））電致變色器件可智能調(diào)控太陽光透過率，從而實現(xiàn)節(jié)能。圖6為某電致變色器件的示意圖。當通電時，Ag+注入到無色WO3薄膜中，生成AgxWO3，器件呈現(xiàn)藍色，對于該變化過程，下列敘述錯誤的是（）

圖6 某電致變色器件的示意圖

A.Ag為陽極

B.Ag+由銀電極向變色層遷移

C.W元素的化合價升高

D.總反應為：WO3+xAg=AgxWO3

解析：

從題干“當通電時”和圖中“電源”辨別該裝置為電解池。根據(jù)“正陽失陰”判斷陽極為Ag，陰極為WO3，進而分析出A、B選項正確；從題干與圖示分析D選項正確。答案即為C。

通過以上的典例解析，結(jié)合電化學專題復習過程中總結(jié)的教學經(jīng)驗，筆者構(gòu)建了電化學專題復習思維導圖（圖7），將高三電化學解題技巧進行剖析和凝練，將知識點進行系統(tǒng)化、脈絡(luò)化、網(wǎng)絡(luò)化梳理與總結(jié)，以相對獨立又互相聯(lián)系的思維模塊將電化學復習單元進行有機整合，從根本上幫助學生解決電化學相關(guān)問題，構(gòu)建清晰、高效的思維模型，消除模型認知障礙，形成運用思維建模解決相關(guān)問題的習慣，促進學生思維的階梯式發(fā)展與核心素養(yǎng)跨越式發(fā)展［2］。

圖7 電化學專題復習思維導圖

四、結(jié)語

筆者將上述方法用于課堂實踐，學生在理解基本原理模型的基礎(chǔ)上，能夠有效掌握解題思維模型，基本能在實踐中快速、準確地做出電化學選擇題。近幾年高考題已逐漸從知識考查轉(zhuǎn)變?yōu)樗仞B(yǎng)考查，電化學也不例外，題材新穎，情境陌生的題型也成為主流，主要考查學生讀題識圖、提取關(guān)鍵信息、分析推理能力，培養(yǎng)證據(jù)推理與模型認知核心素養(yǎng)。因此，透過現(xiàn)象看到本質(zhì)最為關(guān)鍵，通過將電化學基本知識、原理和解題思路進行思維建模，幫助學生透徹理解電化學的本質(zhì)與核心，引導學生提升自我能力，落實核心素養(yǎng)培養(yǎng)。