落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng) 破解高考試題難點(diǎn)——2019年高考電化學(xué)試題解析及解題策略

＞＞＞李長(zhǎng)江 于 浩 張英鋒

(審稿：于海娟)

(本文責(zé)編：白志剛)

隨著《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017版)》的出臺(tái)，近幾年高考化學(xué)試題的考查方式也穩(wěn)中求變，不斷創(chuàng)新，其中電化學(xué)內(nèi)容是每年的必考題目。試題類型延續(xù)以往的選擇題，在化學(xué)反應(yīng)原理大題中與其他知識(shí)一起考查。試題情境來源于生活中的化學(xué)電源、研發(fā)中的新電池、實(shí)驗(yàn)室及生產(chǎn)中的電化學(xué)裝置。在對(duì)基本知識(shí)考查的基礎(chǔ)上，更加突出對(duì)“宏觀辨識(shí)與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”五個(gè)方面化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的考查，對(duì)考生提出了更高的要求。本文選擇了部分2019年高考電化學(xué)典型試題進(jìn)行詳細(xì)解析。

一、體現(xiàn)“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的核心素養(yǎng)

1.電極的判斷及電極反應(yīng)式的書寫

例1.(2019年全國(guó)卷Ⅱ第27題節(jié)選)(4)環(huán)戊二烯可用于制備二茂鐵(Fe(C5H5)2，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式為)，后者廣泛應(yīng)用于航天、化工等領(lǐng)域中。二茂鐵的電化學(xué)制備原理如下圖所示，其中電解液為溶解有溴化鈉(電解質(zhì))和環(huán)戊二烯的DMF溶液(DMF為惰性有機(jī)溶劑)。

該電解池的是極為____，總反應(yīng)為____。電解制備需要在無水條件下進(jìn)行，原因?yàn)開__。

解析：需要獲得Fe2+，收是極為Fe電極；根據(jù)題干信息Fe-2e-=Fe2+，電解液中Na+反應(yīng)前后不發(fā)生變化，所以起到催化劑的作用，使得環(huán)戊二烯在陰極得電子生成氫氣，與Fe2+結(jié)合生成二茂鐵，故電極反應(yīng)式為Fe+2+H2↑；電解必須在無水條件下進(jìn)行，因?yàn)橹虚g產(chǎn)物Na會(huì)與水反應(yīng)生成NaOH和H2，F(xiàn)e2+與OH-結(jié)合生成Fe(OH)2。此題需要根據(jù)得失電子判斷電解池兩極，再根據(jù)題中信息找準(zhǔn)反應(yīng)物與產(chǎn)物，最后配平電極反應(yīng)式。

對(duì)于信息題中電極反應(yīng)式的書寫，考生首先要掌握電解池的“模型”：電解池的兩個(gè)電極是陽極和陰極，陽極失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，陰極得電子發(fā)生還原反應(yīng)。然后依據(jù)電解池“模型”，結(jié)合題中信息分析出電極，確定反應(yīng)物、生成物和最終產(chǎn)物。同時(shí)需要注意，質(zhì)量守恒：電極反應(yīng)式兩端原子的個(gè)數(shù)相等；電荷守恒：電極反應(yīng)式兩端的電荷數(shù)相同。

2.對(duì)原電池、電解池工作原理的考查

例2.(2019年全國(guó)卷Ⅲ第13題)為提升電池循環(huán)效率和穩(wěn)定性，科學(xué)家近期利用三維多孔海綿狀Zn(3D-Zn)可以高效沉積ZnO的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了采用強(qiáng)堿性電解質(zhì)的3D-Zn-NiOOH二次電池，結(jié)構(gòu)如圖所示。電池反應(yīng)為Zn(s)+2NiOOH(s)+H2O(l)ZnO(s)+2Ni(OH)2(s)。下列說法錯(cuò)誤的是( )

A.三維多孔海綿狀Zn具有較高的表面積，所沉積的ZnO分散度高

B.充電時(shí)是極反應(yīng)為Ni(OH)2(s)+OH-(aq)-e-=NiOOH(s)+H2O(l)

C.放電時(shí)負(fù)極反應(yīng)為Zn(s)+2OH-(aq)-2e-=ZnO(s)+H2O(l)

D.放電過程中OH-通過隔膜從負(fù)極區(qū)移向正極區(qū)

答案：D。

解析：根據(jù)題目中提示“利用三維多孔海綿狀Zn(3D-Zn)可以高效沉積ZnO的特點(diǎn)”可知，三維多孔海綿狀Zn具有較高的表面積，所沉積的ZnO分散度高，A正確；充電相當(dāng)于是電解池，是極發(fā)生失去電子的氧化反應(yīng)，根據(jù)總反應(yīng)式可知是極是Ni(OH)2，失去電子轉(zhuǎn)化為NiOOH，電極反應(yīng)式為Ni(OH)2(s)+OH-(aq)-e-=NiOOH(s)+H2O(l)，B正確；放電時(shí)相當(dāng)于是原電池，負(fù)極發(fā)生失去電子的氧化反應(yīng)，Zn作負(fù)極反應(yīng)生成ZnO，根據(jù)總反應(yīng)式可知負(fù)極的電極反應(yīng)式為Zn(s)+2OH-(aq)-2e-=ZnO(s)+H2O(l)，C正確；放電時(shí)，負(fù)極上失電子，電子通過導(dǎo)線到達(dá)正極，溶液中OH-陰離子通過隔膜從正極區(qū)移向負(fù)極區(qū)，故D錯(cuò)誤。

要解決題目中的問題，考生首先要掌握原電池、電解池工作原理的“模型”：原電池的負(fù)極失電子，電子通過導(dǎo)線到達(dá)正極，形成電流，而在電解質(zhì)溶液中是離子的定向移動(dòng)形成電流，陽離子向正極移動(dòng)，陰離子向負(fù)極移動(dòng)；電解池的陽極失電子，電子通過導(dǎo)線到達(dá)陰極，形成電流，在電解質(zhì)溶液中，陽離子向陰極移動(dòng)，陰離子向陽極移動(dòng)。解題時(shí)要根據(jù)原電池、電解池工作原理的“模型”，結(jié)合題目中的情境，然后分析選項(xiàng)得出答案。

以上試題側(cè)重考查“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，要求考生對(duì)原電池、電解池的工作“模型”非常熟悉。建議考生復(fù)習(xí)中要學(xué)會(huì)構(gòu)建“模型”，深刻理解“模型”中的相關(guān)信息。要能把已建構(gòu)的“模型”運(yùn)用到具體的情境中去。這就要求考生在平時(shí)加強(qiáng)訓(xùn)練，多接觸各種情境，提高閱讀能力、提取信息的能力和分析問題解決問題的能力，進(jìn)而能在具體情境中解決問題。

二、體現(xiàn)“宏觀辨識(shí)與微觀探析”的核心素養(yǎng)

例3.(2019年全國(guó)卷Ⅲ第28題，節(jié)選)在傳統(tǒng)的電解氯化氫回收氯氣技術(shù)的基拙上，科學(xué)家最近采用碳基電極材料設(shè)計(jì)了一種新的工藝方案，主要包括電化學(xué)過程和化學(xué)過程，如圖所示：

負(fù)極區(qū)發(fā)生的反應(yīng)有____(寫反應(yīng)方程式)。電路中轉(zhuǎn)移1 mol電子，需消耗氧氣___L(標(biāo)準(zhǔn)狀況)。

答案：Fe3++e-=Fe2+、4Fe2++O2+4H+=4Fe3++2H2O；5.6。

解析：根據(jù)圖示，電解池左側(cè)發(fā)生反應(yīng)Fe3++e-=Fe2+，該反應(yīng)為還原反應(yīng)；收?qǐng)D中左側(cè)為負(fù)極反應(yīng)，負(fù)極通入氧氣后Fe2+被O2氧化成Fe3+，該反應(yīng)為4Fe2++O2+4H+=4Fe3++2H2O。根據(jù)電子守恒及4Fe2++O2+4H+=4Fe3++2H2O可知，電路中轉(zhuǎn)移4 mol電子消耗1 mol O2，收轉(zhuǎn)移1 mol電子消耗0.25 mol O2，其在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積為：22.4 L/mol×0.25 mol=5.6 L。

本題側(cè)重考查“宏觀辨識(shí)與微觀探析”化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。要求考生將宏觀的電流和微觀的電子、離子定向移動(dòng)結(jié)合在一起，運(yùn)用宏微結(jié)合的思想解題。因?yàn)樵撾娐分懈魈幍碾娏鞫际且粯拥模裕陔娐分卸ㄏ蛞苿?dòng)的電子、離子所帶的電荷總數(shù)也是一樣的。考生在平時(shí)的復(fù)習(xí)中，不但要掌握宏觀知識(shí)，更要理解宏觀知識(shí)的微觀本質(zhì)。

三、體現(xiàn)“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”的核心素養(yǎng)

例4.(江蘇卷化學(xué)第20題，節(jié)選) CO2的資源化利用能有效減少CO2排放，充分利用碳資源。

(2)電解法轉(zhuǎn)化CO2可實(shí)現(xiàn)CO2資源化利用。電解CO2制HCOOH的原理示意圖如下。

①寫出陰極CO2還原為HCOO-的電極反應(yīng)式：____。

②電解一段時(shí)間后，是極區(qū)的KHCO3溶液濃度降低，其原因是____。

答案：①CO2+H++2e-=HCOO-或 CO2+

②是極產(chǎn)生 O2，pH減小，HCO3-濃度降低；K+部分遷移至陰極區(qū)

解析：①電解池的陰極得電子發(fā)生還原反應(yīng)，所以CO2在陰極得電子生成HCOOH，電極反應(yīng)式為CO2+H++2e-=HCOO-或CO2+HCO3-+2e-=HCOO-+CO32-。②是極失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，發(fā)生4OH--4e-=O2↑+2H2O反應(yīng)，消耗H2O中的OH-，H2O中的H+和溶液中的HCO3-發(fā)生HCO3-+H+=H2O+CO2↑反應(yīng)，消耗 HCO3-，所以是極產(chǎn)生 O2，pH減小，HCO3-濃度降低；因?yàn)槭鞘请x子交換膜，所以溶液中的K+通過是離子交換膜向陰極移動(dòng)。

例5.(北京理綜卷第27題，節(jié)選)氫能源是最具應(yīng)用前景的能源之一，高純氫的制備是目前的研究熱點(diǎn)。

(2)可利用太是能光伏電池電解水制高純氫，工作示意圖如下。通過控制開關(guān)連接K1或K2，可交替得到 H2和 O2。

①制H2時(shí)，連接____。產(chǎn)生H2的電極反應(yīng)式是___。

②改變開關(guān)連接方式，可得O2。

③結(jié)合①和②中電極3的電極反應(yīng)式，說明電極3的作用：___。

答案：①K12H2O+2e-=H2↑+2OH-

③制H2時(shí)，電極3發(fā)生反應(yīng)：Ni(OH)2+OH--e-=NiOOH+H2O。制O2時(shí)，上述電極反應(yīng)逆向進(jìn)行，使電極3得以循環(huán)使用。

解析：①電極生成H2時(shí)，根據(jù)電極放電規(guī)律可知H+得到電子變?yōu)闅錃猓@是電解池的陰極反應(yīng)，因而電極須連接電源的負(fù)極作陰極，所以制 H2時(shí)，連接 K1，該電池在堿性溶液中，由 H2O提供 H+，電極反應(yīng)式為2H2O+2e-=H2↑+2OH-。③電極 3上 NiOOH 和Ni(OH)2相互轉(zhuǎn)化，其反應(yīng)式為NiOOH+e-+

H2ONi(OH)2+OH-，當(dāng)連接 K1時(shí)，Ni(OH)2失去電子變?yōu)镹iOOH，當(dāng)連接K2時(shí)，NiOOH得到電子變?yōu)镹i(OH)2，因而作用是連接K1或K2時(shí)，電極3分別作為是極材料和陰極材料，并且NiOOH和Ni(OH)2相互轉(zhuǎn)化提供電子轉(zhuǎn)移。

本題側(cè)重考查“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。無論是CO2的資源化利用還是氫能的開發(fā)利用，都是當(dāng)今社會(huì)的熱點(diǎn)問題，而學(xué)會(huì)分析和解決環(huán)保、能源等社會(huì)問題，是化學(xué)學(xué)習(xí)的一個(gè)重要目標(biāo)。對(duì)社會(huì)問題的關(guān)注可以增強(qiáng)考生的社會(huì)責(zé)任感，增強(qiáng)學(xué)習(xí)化學(xué)的動(dòng)力。考生要想答好這類題目就要做到兩點(diǎn)：其一，要關(guān)注與化學(xué)有關(guān)的社會(huì)熱點(diǎn)問題，平時(shí)多搜集相關(guān)資料，并總結(jié)歸類。其二，要對(duì)搜集到的問題進(jìn)行分析處理，不斷提高自己分析問題、解決問題的能力。