以某高考題為例探析電化學(xué)情景分析的爭議問題

張軍

摘要：針對2013年高考重慶卷中電化學(xué)考題出現(xiàn)的爭議進(jìn)行分析，澄清了三種典型誤解，提出了對應(yīng)的正確觀點(diǎn)：質(zhì)子交換膜不能作為酸性條件的依據(jù)；溶液中離子移動(dòng)速率比較慢，不能快速移動(dòng)到另一電極；硝酸根在堿性條件下可以在陰極放電。

關(guān)鍵詞：電化學(xué)；質(zhì)子交換膜；離子移動(dòng)；電極電勢

文章編號(hào)：1005–6629（2015）9–0092–03 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

2013年高考結(jié)束到現(xiàn)在，仍然有老師質(zhì)疑2013年重慶化學(xué)卷11題中電極反應(yīng)方程式的標(biāo)準(zhǔn)答案。原題節(jié)選如下：

化學(xué)在環(huán)境保護(hù)中起著十分重要的作用，催化反硝化法和電化學(xué)降解法可用于治理水中硝酸鹽的污染。（1）略。

（2）電化學(xué)降解NO3-的原理如圖所示。

他們堅(jiān)持陰極為酸性，提出了三種理由：（1）裝置中有質(zhì)子交換膜，表明反應(yīng)在酸性環(huán)境中進(jìn)行；（2）陽極氫氧根放電，產(chǎn)生的H+遷移到陰極，使陰極呈酸性；（3）硝酸根在酸性條件下才能得電子發(fā)生電極反應(yīng)，因此要求陰極區(qū)必須為酸性。

筆者認(rèn)為，標(biāo)準(zhǔn)答案是準(zhǔn)確的。以上三種理由，恰好反映出在電化學(xué)分析中存在的典型誤解。下面針對三個(gè)誤解進(jìn)行分析，以消除對電化學(xué)研究和教學(xué)的影響。

1 質(zhì)子交換膜不能作為酸性環(huán)境的依據(jù)

質(zhì)子交換膜，是只允許質(zhì)子（即H+）通過的特殊分離膜，主要的功能是將兩個(gè)電極區(qū)分隔，同時(shí)選擇性地允許質(zhì)子通過而完成電流循環(huán)。不因“質(zhì)子”而要求一定在酸性環(huán)境中使用。隨著質(zhì)子交換膜的性能提高，越來越多的原電池和電解池中加以運(yùn)用。比如，查詢文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，質(zhì)子交換膜不但用于酸性環(huán)境的燃料電池，還用于堿性燃料電池。由美國GE公司首先開發(fā)成功的質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC），應(yīng)用于吉米尼號(hào)（Gemini）宇宙飛船（1965年），為堿性燃料電池。用的就是全氟磺酸離子交換膜（Nafion膜和Dow膜），性能非常好，電池壽命可達(dá)5000h [1]。

以此可以看出，質(zhì)子交換膜不只用于酸性環(huán)境，也可以用于堿性環(huán)境中，通過質(zhì)子交換膜的存在判斷溶液顯酸性的觀點(diǎn)不成立。

2 溶液中離子定向移動(dòng)速率慢，H+不能快速到達(dá)陰極

可以看出，H的定向移動(dòng)的速率非常慢，按照這個(gè)速率，H+通過1m長的距離需要27小時(shí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電流速率。實(shí)際上，閉合開關(guān)的瞬間，電路中的各個(gè)位置迅速建立了恒定電場，在恒定電場的作用下，電路中各處的離子幾乎同時(shí)開始定向運(yùn)動(dòng)。整個(gè)電路中幾乎同時(shí)形成電流，電極反應(yīng)立即開始。在本題的電解池中，陽極產(chǎn)生的H+向陰極方向移動(dòng)，通過質(zhì)子交換膜移向陰極區(qū)，陰極區(qū)反應(yīng)產(chǎn)生的OH-向著陽極移動(dòng)，在半透膜周圍相遇，發(fā)生中和反應(yīng)。

定量分析該電極反應(yīng)，電路中轉(zhuǎn)移10mol e-時(shí)，陽極產(chǎn)生10mol H+，陰極產(chǎn)生12mol OH-，反應(yīng)后OH-剩余，說明隨著反應(yīng)的進(jìn)行，陰極區(qū)堿性逐漸增強(qiáng)。據(jù)此進(jìn)一步說明了陰極區(qū)溶液顯堿性，證明標(biāo)準(zhǔn)答案是正確的。

3 堿性條件下，硝酸根在陰極有放電可能

不少教師根據(jù)平時(shí)解題中的一般思維，認(rèn)為硝酸根在中性或者堿性環(huán)境中不表現(xiàn)氧化性，因此硝酸根在陰極得電子參加電極反應(yīng)，必須要求酸性環(huán)境。產(chǎn)生這一誤解的原因是將反應(yīng)條件泛化，即沒有其他外界條件干擾時(shí)，通過能斯特方程計(jì)算出氫離子濃度會(huì)對硝酸根的氧化能力有較大影響，但在本題中還有一個(gè)關(guān)鍵因素是，在電極上的反應(yīng)不適用于此條件。根據(jù)實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算，硝酸根在堿性條件下，有在陰極得電子放電的可能。

3.1 借助實(shí)驗(yàn)研究硝酸根的氧化性

從標(biāo)準(zhǔn)電極電勢可以看出，硝酸根的電極電勢比較高，氧化性趨勢比較大，該反應(yīng)在熱力學(xué)上是可能發(fā)生的。

4 結(jié)論

師者，所以傳道授業(yè)解惑也。這是唐代教育家韓愈對教師職責(zé)的高度概括，也是對教師能力的明確要求。作為化學(xué)教師，應(yīng)該具備準(zhǔn)確教授化學(xué)學(xué)科知識(shí)，正確解答學(xué)生疑問并且促進(jìn)學(xué)生思維和品德發(fā)展的能力。從本文的分析可以看出，正是由于教師本身對電化學(xué)原理的認(rèn)識(shí)不夠科學(xué)和準(zhǔn)確，造成教學(xué)中的片面甚至錯(cuò)誤理解，最終影響到學(xué)生對問題的認(rèn)識(shí)和解答。

因此，作為化學(xué)教師，應(yīng)該具備較強(qiáng)的化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)，對化學(xué)知識(shí)及化學(xué)原理有準(zhǔn)確、科學(xué)的認(rèn)識(shí)。同時(shí)，化學(xué)學(xué)科本身在不斷發(fā)展，相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用正發(fā)生著日新月異的變化。作為化學(xué)工作者，也應(yīng)該緊跟時(shí)代步伐，主動(dòng)了解和吸收前沿的科學(xué)及技術(shù)。只有這樣，才能夠正確傳授化學(xué)學(xué)科知識(shí)，解答學(xué)生問題，更好地引領(lǐng)學(xué)生在化學(xué)學(xué)科上向前發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]畢道治.燃料電池的歷史、現(xiàn)狀和未來[J].電池工業(yè)，2000，（6）：248～253.

[2]范樓珍，王艷，方維海.物理化學(xué)[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2009：223.

[3]稽雷高.堿性條件下硝酸根真的沒有氧化性嗎[J].化學(xué)教育，2014，（11）：87～88.

[4]大連理工大學(xué)無機(jī)化學(xué)教研室.無機(jī)化學(xué)（第6版）[M].北京：高等教育出版社，2006：451.