電化學命題考點細化分析

◇ 山東 劉樹領 (正高級教師)

電化學是氧化還原反應知識的深化,是微粒觀、變化觀、守恒觀、情感價值觀等化學學科觀念的集中體現,也是能量變化知識的主要組成部分,是滲透宏觀辨識與微觀探析、變化觀念與平衡思想、證據推理與模型認知、科學探究與創新意識、科學態度與社會責任化學核心素養的最佳載體,因而使得電化學知識的考查成為命題的經典內容.

1 考查電極類型及電極反應式

電極是電化學裝置的重要組成元素,是電極反應發生的載體,因而電極材料可以相同也可以不同,但必須是導電的固體.電極名稱常從兩個角度分析,一是從外電路的電流方向(即電勢高低)角度分析,即流出電子(電勢低)的一極為負極,流入電子(電勢高)的一極為正極;二是從發生的反應類型角度分析,即發生氧化反應的一極為陽極,發生還原反應的一極為陰極.只是習慣上原電池的兩極稱為正、負極,電解池的兩極稱為陰、陽極.

例1圖1為利用電化學方法處理有機廢水的原理示意圖.下列說法正確的是( ).

圖1

A.工作時,a極的電勢低于b極的電勢

B.工作一段時間之后,a極區溶液的pH減小

C.a、b極不能使用同種電極材料

D.b極的電極反應式為CH3COO－＋4H2O－8e－＝＋9H＋

解析

根據圖示可知,b電極上CH3COO－轉化為,碳元素的化合價升高,故其電極反應為CH3COO－＋4H2O－8e－＝＋9H＋(a電極上發生C6H5OCl＋2e－＋H＋＝C6H6O＋Cl－),說明原電池b為負極、a為正極,即a極的電勢高于b極,所以選項A錯誤,選項D正確;由于電極反應式中沒有涉及電極材料,故電極材料可以相同也可以不同,所以選項C錯誤;根據a電極反應式知,每當有2 mol電子轉移時,則有1molH＋參與電極反應,同時還有2molH＋通過質子交換膜進入a電極區,導致a極區溶液pH減小,所以選項B正確.答案為B、D.

【應對策略】首先依據裝置圖找出電極反應物及產物,然后分析其價態變化,判斷出反應類型,進而推斷出電極類型.書寫電極反應式時,一定要分析電極產物的實際存在狀態,如本題中放電產物HCOOH一定不能在堿性環境下存在只能在堿性環境下存在.

2 考查離子移動方向及離子交換膜

離子導體是電化學裝置的主要構成組分,其常見形式有電解質溶液、熔融電解質、離子交換膜、離子液體、快離子導體等.離子交換膜具有選擇性,既可以允許單一離子通過,也可以允許同電性的離子通過.同時離子交換膜既可以提純分離電極產物又可以阻止電極反應物的直接接觸(與鹽橋作用類似),因而在電化學裝置中常被使用.離子的移動方向受濃度、電場、自身氧化性(或還原性)強弱等因素的影響,只是在一般情況下陽離子移動方向陰極、陰離子移向陽極.

例2某微生物電池在運行時可同時實現凈化有機物污水、凈化含廢水(pH約為6)和淡化食鹽水,其裝置示意圖如圖2所示.D和E為離子交換膜,Z為待淡化食鹽水(Cr3＋完全沉淀所需的pH為5.6).下列說法不正確的是( ).

圖2

A.E為陰離子交換膜

解析

【應對策略】讀懂題意,明確電化學原理應用的目的,進而根據電化學裝置圖中的有關信息判斷出電極類型,確定離子移動方向及離子交換膜的選擇問題.若沒有新情境信息提示時,可以按照常規離子移動方向、放電順序去解答問題.

3 考查電化學原理應用及相關計算

電化學知識的重要性更主要的是體現在應用方面,如在物質制備與檢測、分離與提純、環保與能源、材料保護與文物復原以及在探究反應原理、物質含量測定等方面,均會出現電化學原理知識.

例3潮濕環境、Cl－、溶解氧是造成青銅器銹蝕的主要環境因素.腐蝕嚴重的青銅器表面大多存在起催化作用的多孔催化層.如圖3為青銅器發生電化學腐蝕的原理示意圖,下列說法正確的是( ).

圖3

A.腐蝕過程中,青銅基體是正極

B.若有64gCu腐蝕,理論上消耗氧氣的體積為11.2L(標準狀況)

C.多孔催化層的形成加速了青銅器的腐蝕速率,是因為改變了反應的焓變

D.環境中的Cl－、正負極產物作用生成多孔粉狀銹,其離子方程式為

解析

結合圖示信息可知青銅基體中的銅失去電子變為Cu2＋,故青銅基體是負極,選項A錯誤;負極發生反應:Cu－2e－＝Cu2＋,正極上O2得電子發生還原反應:O2＋2H2O＋4e－＝4OH－,根據電子守恒知,64g銅失去2mol電子,則需要消耗O2的物質的量為0.5mol,故其在標況下體積為11.2L,選項B正確;多孔催化層的形成加速了青銅器的腐蝕速率,主要是因為其正極的多孔結構,增大反應物與電極的接觸面積從而加快反應速率,但對反應實質及焓變沒有影響,選項C錯誤;利用原子守恒即可寫出離子方程式:2Cu2＋＋3OH－＋Cl－＝Cu2(OH)3Cl↓,選項D正確.答案為B、D.

【應對策略】針對電化學中有關溶液的pH計算、質量變化與溶液復原、電極反應物或產物等有關物理量的變化計算等問題,都應根據題意寫出電極反應式,利用電子守恒原則確定兩電極反應物或生成物之間的關系式,進而去分析電極反應中各物質或微粒的變化情況,分析溶液中H＋或OH－剩余量、質量變化量等問題,但在計算氣體體積時要注意題中是否明確了是在標準狀況下.

4 考查電化學與其他知識融合問題

電化學知識經常出現在工藝流程大題、反應原理綜合大題、實驗綜合大題中,以進一步凸顯學科知識內的融合與關聯,凸顯化學知識的應用性、創新性與綜合性.

例4某小組同學探究物質的溶解度大小與沉淀轉化方向之間的關系.以探究AgCl和AgI之間的轉化為例.已知溶解度(20℃)AgI:3.0×10－7g;AgCl:1.5×10－4g.

實驗Ⅰ:如圖4所示.

圖4

實驗Ⅱ:在試管中進行溶液間反應時,學生無法觀察到AgI轉化為AgCl,于是又設計了如表1所示實驗(電壓表讀數:a＞c＞b＞0).

表1

圖5

① 實驗Ⅰ證明了AgCl轉化為AgI,甲溶液可以是________(填序號).

A.AgNO3溶液 B.NaCl溶液

C.KI溶液

② 實驗Ⅱ的步驟ⅰ中,B中石墨上的電極反應式是________.

③ 結合信息,解釋實驗Ⅱ中b＜a的原因:.

④ 實驗Ⅱ的現象能說明AgI轉化為AgCl,理由是________.

⑤由實驗Ⅰ、Ⅱ的實現現象,可以得出何種結論?

解析

這是利用原電池原理來探究沉淀溶解平衡的問題.根據“實驗Ⅰ證明了AgCl轉化為AgI”知,甲與乙溶液反應必須產生AgCl才可,且溶液中不能有Ag＋剩余,故過量的甲溶液為NaCl溶液.Ag＋具有較強氧化性、I－具有較強還原性,故B中石墨上的電極反應式為2I－－2e－＝I2.向B中滴入AgNO3(aq),至沉淀完全時,此時I－濃度極小,故其還原性極弱,導致原電池的電壓變小,所以b＜a.根據“重復ⅰ,再向B中加入與ⅲ等量NaCl(s),電壓為a”知,Cl－本身對該原電池電壓無影響,又因已知電源電壓“c＞b”,故向B中投入一定量的NaCl(s)時,勢必有I－出現,所以證明發生了AgI＋Cl－＝ AgCl＋I－.通過實驗Ⅰ、Ⅱ現象可知溶解度小的沉淀容易轉化成溶解度更小的沉淀,反之則不易;溶解度差別越大,由溶解度小的沉淀轉化為溶解度較大的沉淀越難實現.

綜上可知,電化學知識的考查題境、設問形式無論如何變化,其考查的落腳點就是電化學的工作原理,所以抓住教材中提供的電化學裝置圖,抽取出電化學裝置工作時的基本模型與原理,理清電極名稱概念、離子移動方向及電極反應等知識點,即可順利解答.