運(yùn)用認(rèn)知模型策略 突破電化學(xué)教學(xué)難點(diǎn)

沈國強(qiáng)

摘?要：電化學(xué)試題是近年來高考化學(xué)試題中出現(xiàn)的熱點(diǎn)和難點(diǎn).因電化學(xué)試題集情境性、新穎性、特殊性、復(fù)雜性于一身，深受命題者的青睞，在高考化學(xué)試題中出現(xiàn)的頻率較高.筆者以2023年各地化學(xué)高考中出現(xiàn)的電化學(xué)試題為例，通過巧妙構(gòu)建原電池和電解池的認(rèn)知模型，深刻理解電化學(xué)反應(yīng)原理，順利突破電極反應(yīng)的判斷、電極反應(yīng)式的書寫、離子移動方向的判斷、離子交換膜等一系列熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題.

關(guān)鍵詞：認(rèn)知模型；電化學(xué)難題

中圖分類號：G632???文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A???文章編號：1008-0333（2024）13-0133-04

電化學(xué)試題涉及的化學(xué)電池種類繁多，功能各異.在提高多碳產(chǎn)物的生成率；制造低成本、高能量的能源存儲系統(tǒng)；降低氯堿工業(yè)能源消耗；實(shí)現(xiàn)電鍍廢液的濃縮再生；回收利用工業(yè)廢氣中的CO2和SO2；無隔膜流動海水電解法制H2；海水直接制備氫氣技術(shù)的綠色化等方面具有廣泛的應(yīng)用.

1 運(yùn)用化學(xué)電池提高多碳產(chǎn)物的生成率

例1?（2023全國甲卷）用可再生能源電還原CO2時，采用高濃度的K+抑制酸性電解液中的析氫反應(yīng)來提高多碳產(chǎn)物（乙烯、乙醇等）的生成率，裝置如圖1所示.下列說法正確的是（??）.

A．析氫反應(yīng)發(fā)生在IrOx-Ti電極上

B．Cl-從Cu電極遷移到IrOx-Ti電極

C．陰極發(fā)生的反應(yīng)有：

2CO2+12H++12e-C2H4+4H2O

D．每轉(zhuǎn)移1 mol電子，陽極生成11.2 L氣體（標(biāo)準(zhǔn)狀況）

解析?①建構(gòu)認(rèn)知模型：由直流電源可判斷該裝置為電解池.與外電源正極相連的IrOx-Ti電極為陽極，陽極反應(yīng)式為2H2O-4e-O2↑+4H+.銅電極為陰極，據(jù)題意可知，陰極反應(yīng)式為2CO2+12H++12e-C2H4+4H2O、2CO2+12H++12e-C2H5OH+3H2O.根據(jù)兩極反應(yīng)式可知，電解池工作時，氫離子通過質(zhì)子交換膜由陽極室進(jìn)入陰極室[1].

②突破熱點(diǎn)難點(diǎn)：

A.析氫反應(yīng)為還原反應(yīng)發(fā)生在陰極，A錯誤；

B.離子交換膜為質(zhì)子交換膜，只允許氫離子通過，B錯誤；

C.銅電極為陰極，酸性條件下二氧化碳在陰極得到電子發(fā)生還原反應(yīng)生成乙烯、乙醇等，電極反應(yīng)式見①中分析，C正確;D.根據(jù)陽極的電極反應(yīng)式，每轉(zhuǎn)移1 mol電子，生成0.25 mol O2，在標(biāo)準(zhǔn)狀況下體積為5.6 L，D錯誤.答案為C.

2 運(yùn)用化學(xué)電池制造低成本、高能量的能源存儲系統(tǒng)

例2?（2023全國乙卷）室溫鈉-硫電池被認(rèn)為是一種成本低、比能量高的能源存儲系統(tǒng).一種室溫鈉-硫電池的結(jié)構(gòu)如圖2所示.將鈉箔置于聚苯并咪唑膜上作為一個電極，表面噴涂有硫黃粉末的炭化纖維素紙作為另一電極.工作時，在硫電極發(fā)生反應(yīng)：12S8+e-→12S2-8，12S2-8+e-→S2-4，2Na++x4S2-4+2（1-x4）e-→Na2Sx

下列敘述錯誤的是（??）.

A.充電時Na+從鈉電極向硫電極遷移

B.放電時外電路電子流動的方向是a→b

C.放電時正極反應(yīng)為：

2Na++x8S8+2e-→Na2Sx

D.炭化纖維素紙的作用是增強(qiáng)硫電極導(dǎo)電性能

解析?（1）建構(gòu)認(rèn)知模型：由充電和放電過程可判斷室溫鈉-硫電池為可充電電池.放電時，鈉電極為負(fù)極，硫電極為正極，電極反應(yīng)分別為Na-e-Na+，2Na++x8S8+2e-→Na2Sx.充電時，鈉電極為陰極，硫電極為陽極，電極反應(yīng)分別為Na++e-Na，Na2Sx-2e-→2Na++x8S8.

放電時，外電路電子流動的方向是a→b；充電時，陽離子從陽極（硫電極）向陰極（鈉電極）遷移[2].

（2）突破熱點(diǎn)難點(diǎn)：A.充電時為電解池裝置，陽離子移向陰極，即鈉電極，故充電時， Na+由硫電極遷移至鈉電極，故A錯誤；

B.放電時為原電池，負(fù)極失電子，即為Na電極，正極得電子，即為S電極，電子由a流向b， 故B正確；

C.根據(jù)題意，S8最終變成Na2Sx，

①12S8+e-→12S2-8，

②12S2-8+e-→S2-4，

③2Na++x4S2-4+2（1-x4）e-→Na2Sx，（①+②）×x4+③

得正極反應(yīng)為2Na++x8S8+2e-→Na2Sx.C正確；

D.表面噴涂有硫黃粉末的碳化纖維素紙，碳纖維具有導(dǎo)電性，可以增強(qiáng)電極導(dǎo)電能力，D正確.答案為 A.

3 運(yùn)用化學(xué)電池降低氯堿工業(yè)能源消耗

例3?（2023浙江卷）氯堿工業(yè)能耗大，通過如圖3改進(jìn)的設(shè)計(jì)可大幅度降低能耗，下列說法不正確的是（??）.

A.電極A接電源正極，發(fā)生氧化反應(yīng)

B.電極B的電極反應(yīng)式為：

2H2O+2e-H2↑+2OH-

C.應(yīng)選用陽離子交換膜，在右室獲得濃度較高的NaOH溶液

D.改進(jìn)設(shè)計(jì)中通過提高電極B上反應(yīng)物的氧化性來降低電解電壓，減少能耗

解析?（1）建構(gòu)認(rèn)知模型：由外部電源可判斷該裝置為電解池.由Cl-→Cl2，發(fā)生氧化反應(yīng)可知電極A為陽極，則電極B為陰極，陰極反應(yīng)式為2H2O+4e-+O24OH-.電解池工作時，右室OH-濃度增大，若獲得濃度較高的NaOH溶液，

Na+需通過離子交換膜進(jìn)入右室，故可判斷為陽離子交換膜[3].（2）突破熱點(diǎn)難點(diǎn)：

A．電極A上氯離子變?yōu)槁葰?，發(fā)生氧化反應(yīng)，

是電解池陽極，因此電極A接電源正極，故A正確；由

（1）中分析可知

B錯誤；C正確；

D．改進(jìn)設(shè)計(jì)中增大了氧氣的量，提高了電極B處的氧化性，通過反應(yīng)物的氧化性來降低電解電壓，減少能耗，故D正確.答案為B.

4 運(yùn)用化學(xué)電池實(shí)現(xiàn)電鍍廢液的濃縮再生

例4?（2023山東卷）利用熱再生氨電池可實(shí)現(xiàn)CuSO4電鍍廢液的濃縮再生.電池裝置如圖4所示，甲、乙兩室均預(yù)加相同的CuSO4電鍍廢液，向甲室加入足量氨水后電池開始工作.下列說法正確的是（??）.

A.甲室Cu電極為正極

B.隔膜為陽離子膜

C.電池總反應(yīng)為：

Cu2++4NH3［Cu（NH3）4］2+

D.NH3擴(kuò)散到乙室將對電池電動勢產(chǎn)生影響

解析?（1）建構(gòu)認(rèn)知模型：由題給裝置可知為原電池.甲室Cu電極發(fā)生反應(yīng)為Cu-2e-+4NH3［Cu（NH3）4］2+，Cu被氧化，故甲室Cu電極為負(fù)極.乙室Cu電極發(fā)生反應(yīng)為Cu2++2e-Cu，Cu2+被還原，故乙室Cu電極為正極.

（2）突破熱點(diǎn)難點(diǎn)：由（1）分析可知甲室Cu電極為負(fù)極，故A錯誤；B.若隔膜為陽離子膜，甲室Cu電極溶解生成的Cu2+要向右側(cè)移動，通入NH3要消耗Cu2+，顯然甲室陽離子不斷減少，不利于CuSO4廢液濃縮，故B錯誤；

C.將甲室Cu電極與乙室Cu電極發(fā)生的反應(yīng)相加得到電池總反應(yīng)為：Cu2++4NH3［Cu（NH3）4］2+，故C正確；

D.NH3擴(kuò)散到乙室會與銅離子反應(yīng)生成［Cu（NH3）4］2+，Cu2+濃度降低，Cu2+得電子能力減弱，因此將對電池電動勢產(chǎn)生影響，故D正確.答案為C、D.

5 運(yùn)用化學(xué)電池回收利用工業(yè)廢氣

例5?（2023北京卷）回收利用工業(yè)廢氣中的CO2和SO2，實(shí)驗(yàn)原理如圖5所示.

下列說法不正確的是（??）.

A．廢氣中SO2排放到大氣中會形成酸雨

B．裝置a中溶液顯堿性的原因是HCO-3的水解程度大于HCO-3的電離程度

C．裝置a中溶液的作用是吸收廢氣中的CO2和SO2

D．裝置b中的總反應(yīng)為：

SO2-3+CO2+H2O電解HCOOH+SO2-4

解析?（1）建構(gòu)認(rèn)知模型：由直流電源可判斷裝置b為電解池.裝置b左側(cè)電極發(fā)生反應(yīng)為SO2-3+2OH--2e-SO2-4+H2O，為陽極；右側(cè)電極發(fā)生反應(yīng)為CO2+2H++2e-HCOOH，為陰極.

（2）突破熱點(diǎn)難點(diǎn)：A．SO2是酸性氧化物，排放到空氣中會形成硫酸型酸雨，A正確；

B．裝置a中溶液的溶質(zhì)為NaHCO3，溶液顯堿性，說明HCO-3的水解程度大于電離程度，B正確；

C．裝置a中NaHCO3溶液的作用是吸收SO2，CO2與NaHCO3溶液不反應(yīng)，不能吸收CO2，C錯誤；

D．將裝置b的陽極反應(yīng)式和陰極反應(yīng)式相加得總反應(yīng)為SO2-3+CO2+H2O電解HCOOH+SO2-4，D正確.答案為C.

6 實(shí)現(xiàn)無隔膜流動海水電解法制氫氣例6?（2023遼寧卷）某無隔膜流動海水電解法制H2的裝置如圖6所示，其中高選擇性催化劑PRT可抑制O2產(chǎn)生.下列說法正確的是（??）.

A．b端電勢高于a端電勢

B．理論上轉(zhuǎn)移2 mol e-生成4 g H2

C．電解后海水pH下降

D．陽極發(fā)生：Cl-+H2O-2e-HClO+H+

解析?（1）建構(gòu)認(rèn)知模型：由直流電源可判斷裝置為電解池.

裝置左側(cè)電極反應(yīng)為

Cl-+H2O-2e-HClO+H+，

左側(cè)電極為陽極，推知電極a為正極.

裝置右側(cè)電極反應(yīng)為2H2O+2e-H2↑+2OH-，右側(cè)電極為陰極，推知電極b為負(fù)極[4].

（2）突破熱點(diǎn)難點(diǎn)：A.因?yàn)閍為正極，b為負(fù)極，則a端電勢高于b端電勢，故A錯誤；B.由右側(cè)電極反應(yīng)可推知轉(zhuǎn)移2 mol e-生成2 g H2，故B錯誤；C.將裝置左側(cè)和右側(cè)電極反應(yīng)相加得總反應(yīng)為Cl-+2H2OHClO+H2↑+OH-，隨著電解的進(jìn)行，

海水pH增大；由①中分析可知D正確.答案為D.

7 實(shí)現(xiàn)海水直接制備氫氣技術(shù)的綠色化

例7?（2023湖北卷） 我國科學(xué)家設(shè)計(jì)如圖7所示的電解池，實(shí)現(xiàn)了海水直接制備氫氣技術(shù)的綠色化.該裝置工作時陽極無Cl2生成且KOH溶液的濃度不變，電解生成氫氣的速率為x mol·h-1.下列說法錯誤的是（??）.

A.b電極反應(yīng)式為：

2H2O+2e-H2↑+2OH-

B.離子交換膜為陰離子交換膜

C.電解時海水中動能高的水分子可穿過PTFE膜

D.海水為電解池補(bǔ)水的速率為2x mol·h-1

解析?（1）建構(gòu)認(rèn)知模型：由直流電源可判斷裝置為電解池.

a電極與外電源正極相連，為陽極，反應(yīng)式為4OH--4e-O2↑+2H2O.

b電極與外電源負(fù)極相連，為陰極，反應(yīng)式為2H2O+2e-H2↑+2OH-.

（2）突破熱點(diǎn)難點(diǎn)：

A.b電極為陰極，發(fā)生還原反應(yīng)，A正確；

B.因?yàn)殛枠O無Cl2生成且KOH濃度不變，故陽極反應(yīng)為4OH--4e-O2↑+2H2O，要維持OH-離子濃度不變，陰極產(chǎn)生的OH-必須通過離子交換膜進(jìn)入陽極室，可推知離子交換膜為陰離子交換膜，故B正確；

C.電解過程中要被不斷消耗水，海水中的動能高的水可穿過PTFE膜，為電解池補(bǔ)水，故C正確；

D.將裝置陽極和陰極電極反應(yīng)相加得總反應(yīng)為2H2O電解2H2↑+O2↑可知，生成1 mol H2需要消耗1 mol H2O，即生成H2的速率與消耗水的速率相等，所以補(bǔ)水的速率為x mol·h-1，故D錯誤.

答案為D.

8 結(jié)束語

綜上所述，在電化學(xué)教學(xué)過程中，教師要巧妙構(gòu)建認(rèn)知模型，從形形色色、千變?nèi)f化的電池問題中厘清原電池還是電解池，認(rèn)清正極還是負(fù)極，或陽極還是陰極，然后寫出相應(yīng)的電極反應(yīng)式.根據(jù)電極的性質(zhì)順利突破溶液中離子移動的方向、電流的方向、直流電源的正負(fù)極，判斷離子交換膜的類別等一系列教學(xué)難點(diǎn).通過電極反應(yīng)式順利攻克電池總反應(yīng)式的得出、溶液pH、電子移動數(shù)目、產(chǎn)生氣體質(zhì)量的計(jì)算等難點(diǎn)問題.

參考文獻(xiàn)：［1］

周學(xué)興，楊霄.例談電化學(xué)習(xí)題的解題策略[J].中學(xué)化學(xué)，2022（04）：49-53.

[2] 王方麗.新高考背景下電化學(xué)核心考點(diǎn)及解題策略研究[J].高考，2022（26）：51-54.

[3] 周維清，黃姍姍，楊興多.剖析考點(diǎn)，速解電化學(xué)選擇題[J].高中數(shù)理化，2021（05）：77-78.

[4] 施俊芳.模型建構(gòu)的新型電化學(xué)裝置選擇題解題策略[J].數(shù)理化解題研究，2020（19）：96-97.

［責(zé)任編輯：季春陽］