建模思維在電化學(xué)類題目中的應(yīng)用剖析

近年來(lái)，以新型電化學(xué)裝置為背景的試題已成為命題趨勢(shì)．這類題目要求學(xué)生不僅要掌握基礎(chǔ)知識(shí)，還要具備整合信息和解決實(shí)際問(wèn)題的能力．該類題目的核心內(nèi)容是基礎(chǔ)的電化學(xué)原理，如電極判斷、電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)等．為了更好地幫助學(xué)生解決這類題型，本文總結(jié)了相關(guān)解題模型．

１ 電化學(xué)類問(wèn)題的解題模型

１.１ 理解題意，明確研究對(duì)象

在解答電化學(xué)試題時(shí)，首先需要借助題干中的文字信息，明確題目中描述或展示的裝置類型．電化學(xué)試題除了涉及原電池和電解池外，還會(huì)出現(xiàn)二次電池．二次電池放電時(shí)，裝置遵循原電池工作原理;充電時(shí)，裝置遵循電解池工作原理．如果題干含有“電解法”“電解”等字詞，則多表明研究對(duì)象為電解池;如果題干含有“電池”相關(guān)字詞，則多表明研究對(duì)象為原電池．除了文字描述外，也可以通過(guò)裝置圖進(jìn)行判斷，看裝置是否含有外加電源：如果有外加電源，則為電解池;如果不含外加電源，則為原電池．可充電二次電池題目一般會(huì)直接用文字進(jìn)行闡釋．

１.２ 確定兩極

原電池分為正、負(fù)極，電解池分為陽(yáng)極和陰極．確定電極的方法較多，但其遵循的本質(zhì)是相同的．原電池的工作原理為“負(fù)失正得”：失去電子的一端為負(fù)極，得到電子的一端為正極．電解池遵循的原理為“陽(yáng)失陰得”：失去電子的電極為陽(yáng)極，得到電子的電極為陰極．該步驟通常還會(huì)涉及電極方程式的書(shū)寫(xiě)，需要遵循如圖１所示步驟．

１.３ 確定電路

在電化學(xué)裝置中，微粒移動(dòng)的考查有兩大方面．內(nèi)電路離子的移動(dòng)方向和外電路電子的移動(dòng)方向．在前兩步的基礎(chǔ)上，根據(jù)問(wèn)題所涉及的是“外電路中的電子”還是“內(nèi)電路中的離子”，利用表１口訣進(jìn)行判斷．若遇到相關(guān)計(jì)算，要謹(jǐn)遵“守恒思想”，外電路兩極上得失電子總數(shù)相等，內(nèi)電路移動(dòng)離子的電荷總數(shù)與外電路電子的電荷總數(shù)相等．

２ 建模思維在解題中的應(yīng)用

例１ 某團(tuán)隊(duì)發(fā)明的制取H２O２ 的綠色方法原理如圖２所示（已知：H２O２ ?H＋ ＋HO－ ２ ，Ka＝２.４×１０－１２）．下列說(shuō)法不正確的是（ ）．

A．b極的電極反應(yīng)為O２＋H２O＋２e－ ＝HO－ ２ ＋OH-

B．X 膜為選擇性陽(yáng)離子交換膜

C．a(chǎn)極為正極

D．每生成１molH２O２，電路中轉(zhuǎn)移４mole－

解析 第１步：確定研究對(duì)象．題干中不能直接分析出研究對(duì)象，要結(jié)合裝置圖進(jìn)行分析，裝置圖無(wú)電源，且有電路“負(fù)載”，說(shuō)明研究對(duì)象為原電池．

第２步：確定兩極．結(jié)合裝置示意圖可知，電極b的反應(yīng)物為O２，電極a的反應(yīng)物為H２．根據(jù)電極反應(yīng)式書(shū)寫(xiě)流程，a極發(fā)生反應(yīng)H２－２e－ ＝２H＋ ，b極上的電極反應(yīng)為O２＋H２O＋２e－ ＝HO－ ２ ＋OH－ ，選項(xiàng)A說(shuō)法正確．O 元素由０價(jià)變成－１價(jià)，每生成１ molH２O２，電路中轉(zhuǎn)移２mol電子，選項(xiàng)D說(shuō)法錯(cuò)誤．根據(jù)“負(fù)失正得”的原理，a極為負(fù)極，選項(xiàng)C說(shuō)法正確．

第３步：確定內(nèi)外電路．根據(jù)原電池內(nèi)電路的“負(fù)負(fù)正正”原理，陽(yáng)離子會(huì)移向正極，因此a極附近生成的氫離子會(huì)透過(guò)X膜向b極（正極）移動(dòng)，故X膜為選擇性陽(yáng)離子交換膜，允許H＋ 通過(guò)，選項(xiàng)B說(shuō)法正確．答案為D．

例２ 利用電解法將CO２ 轉(zhuǎn)化為CH４ 的原理如圖３所示．下列說(shuō)法正確的是（ ）．

A．電解過(guò)程中，H＋ 由a極區(qū)向b極區(qū)遷移

B．電極b上反應(yīng)為CO２＋８HCO３－－８e－＝CH４＋８CO２３－＋２H２O

C．電解過(guò)程中化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能

D．電解時(shí)，Na２SO４ 溶液濃度保持不變

解析 該題的裝置圖未標(biāo)出電源，但不能依據(jù)沒(méi)有電源直接推斷為“原電池”，需要結(jié)合文字描述進(jìn)行綜合分析．

第１步：確定研究對(duì)象．題干中“電解法”說(shuō)明該裝置是電解池，電解過(guò)程中電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，選項(xiàng)C錯(cuò)誤．

第２步：確定兩極．結(jié)合裝置示意圖可知，電極a生成O２，失去電子，為陽(yáng)極，則電極b為陰極，化學(xué)反應(yīng)為CO２＋８HCO３－ ＋８e－ ＝CH４＋８CO２３－ ＋２H２O，選項(xiàng)B錯(cuò)誤，由a極反應(yīng)式可知，電解Na２SO４ 溶液實(shí)質(zhì)是電解水，選項(xiàng)D錯(cuò)誤．

第３步：確定內(nèi)外電路．根據(jù)電解池內(nèi)電路的“陰陽(yáng)相吸”原理，陰離子會(huì)移向陽(yáng)極，陽(yáng)離子會(huì)移向陰極．因此H＋ 由a極區(qū)向b極區(qū)遷移，選項(xiàng)A 正確．答案為A．

例３ 某儲(chǔ)能電池原理如圖４所示．下列說(shuō)法正確的是（ ）．

A．放電時(shí)負(fù)極反應(yīng)：Na３Ti２ （PO４）３ －２e－ ＝２Na＋ ＋NaTi２（PO４）３

B．放電時(shí)Cl－ 透過(guò)多孔活性炭電極向CCl４ 中遷移

C．放電時(shí)每轉(zhuǎn)移１mol電子，理論上CCl４ 吸收０.５molCl２

D．充電過(guò)程中，NaCl溶液濃度增大

解析 第１步：確定研究對(duì)象．題干中“儲(chǔ)能電池”說(shuō)明該裝置是一個(gè)可充電的二次電池．

第２步：確定兩極．結(jié)合裝置示意圖可知，放電時(shí)負(fù)極失電子，發(fā)生氧化反應(yīng)，負(fù)極反應(yīng)為Na３Ti２（PO４）３－２e－ ＝２Na＋ ＋NaTi２（PO４）３，選項(xiàng)A 正確．正極反應(yīng)為Cl２＋２e－ ＝２Cl－ ，需要CCl４ 釋放Cl２ 進(jìn)行反應(yīng)，因此每轉(zhuǎn)移１mol電子，理論上CCl４ 釋放０.５molCl２，選項(xiàng)C錯(cuò)誤．充電是放電的逆過(guò)程，因此在充電過(guò)程中，陽(yáng)極反應(yīng)為２Cl－ －２e－ ＝Cl２，消耗Cl－ ，NaCl的濃度降低，選項(xiàng)D錯(cuò)誤．

第３步：確定內(nèi)外電路．放電時(shí)，陰離子會(huì)移向負(fù)極，故Cl－ 透過(guò)多孔活性炭電極向NaCl中遷移，選項(xiàng)B錯(cuò)誤．答案為A．

通過(guò)建立恰當(dāng)?shù)哪Ｐ?，學(xué)生能更系統(tǒng)地分析問(wèn)題，從宏觀和微觀層面深入理解電化學(xué)過(guò)程，不僅提高了解題的準(zhǔn)確性，也加深了其對(duì)化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)．在今后的教學(xué)中，教師應(yīng)設(shè)計(jì)更多引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)建模的教學(xué)活動(dòng)，鼓勵(lì)他們?cè)诮鉀Q問(wèn)題時(shí)積極應(yīng)用和調(diào)整模型，讓“建?！痹趯W(xué)生的思維中扎根．

（完）