構(gòu)建“裝置-原理”二維模型 厘清電化學(xué)反應(yīng)原理

安徽 董 順

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》指出，證據(jù)推理與模型認(rèn)知是化學(xué)學(xué)科重要的核心素養(yǎng)之一。解決問題的思維模型對(duì)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的落實(shí)有著重要的作用，在高三復(fù)習(xí)過程中幫助學(xué)生建立解決問題的“模型”能夠很好地提高學(xué)生復(fù)習(xí)備考的效率。

在近年高考化學(xué)試題中電化學(xué)內(nèi)容是高頻考點(diǎn)，詳細(xì)考查情況如表1所示，有的試題以選擇題形式呈現(xiàn)，有的試題以非選擇題形式呈現(xiàn)，該類試題對(duì)考生的思維能力要求較高，有一定的難度和較高的區(qū)分度。

表1 2021年電化學(xué)在高考中的考查統(tǒng)計(jì)

1.構(gòu)建原電池及電解池“裝置原理”二維模型

原電池及電解池的構(gòu)成都包括電極材料、電極反應(yīng)物、電子導(dǎo)體和離子導(dǎo)體，根據(jù)電化學(xué)原理，構(gòu)建“裝置-原理”二維模型如圖1。

圖1 電化學(xué)“裝置-原理”二維模型圖

在原電池中電子由負(fù)極經(jīng)導(dǎo)線流向正極，在電解池中電子由電源負(fù)極經(jīng)導(dǎo)線流向電解池陰極，由電解池陽極流向電源正極。在離子導(dǎo)體中，陽離子移向陰極(原電池正極也可稱為陰極)，陰離子移向陽極(原電池負(fù)極也可稱為陽極)，從而形成閉合回路。還原劑在陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，氧化劑在陰極發(fā)生還原反應(yīng)。原電池將自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)過程中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，電解池將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。

在原電池及電解池中，各個(gè)電極轉(zhuǎn)移的電子數(shù)目與電路中通過的電子數(shù)目相等，并遵循以下等量關(guān)系：

電量Q=It，t為時(shí)間，單位為秒；電解時(shí)Q=nF，n為轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量，法拉第常數(shù)F=96 485 C·mol-1(即為1 mol電子的電量為96 485 C)。

根據(jù)電化學(xué)基本原理解答電化學(xué)類試題，首先判斷是原電池還是電解池，若為原電池則根據(jù)各電極物質(zhì)元素化合價(jià)的變化判斷正負(fù)極；若為電解池，則應(yīng)先判斷其陰陽極。若能判斷外電源正負(fù)極，則容易判斷陰陽極，若無法判斷外電源正負(fù)極，則根據(jù)各電極物質(zhì)元素化合價(jià)的變化判斷陰陽極。電極反應(yīng)方程式的書寫首先需要判斷反應(yīng)物和產(chǎn)物，再根據(jù)元素化合價(jià)的變化結(jié)合介質(zhì)環(huán)境書寫。

2.典例分析

2.1 原電池原理的考查

【例1】(2021·廣東省選擇性考試·9)火星大氣中含有大量CO2，一種有CO2參加反應(yīng)的新型全固態(tài)電池有望為火星探測器供電。該電池以金屬鈉為負(fù)極，碳納米管為正極，放電時(shí)

( )

A.負(fù)極上發(fā)生還原反應(yīng)

B.CO2在正極上得電子

C.陽離子由正極移向負(fù)極

D.將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能

【答案】B

【模型應(yīng)用】根據(jù)“裝置-原理”二維模型圖知，負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，正極發(fā)生得電子的還原反應(yīng)，陽離子移向正極，容易判斷B項(xiàng)正確。

【例2】(2021·山東學(xué)業(yè)水平等級(jí)考試·10)以KOH溶液為離子導(dǎo)體，分別組成 CH3OH-O2、N2H4-O2、(CH3)2NNH2-O2清潔燃料電池，下列說法正確的是

( )

A.放電過程中，K+均向負(fù)極移動(dòng)

B.放電過程中，KOH物質(zhì)的量均減小

C.消耗等質(zhì)量燃料，(CH3)2NNH2-O2燃料電池的理論放電量最大

D.消耗1 mol O2時(shí)，理論上N2H4-O2燃料電池氣體產(chǎn)物的體積在標(biāo)準(zhǔn)狀況下為11.2 L

【答案】C

【模型應(yīng)用】根據(jù)“裝置-原理”二維模型圖知，陽離子(K+)移向正極，又有得失電子守恒知C正確、D錯(cuò)誤。

2.2 電解池原理的考查

【例3】(2021·全國甲卷·13)乙醛酸是一種重要的化工中間體，可采用如圖2所示的電化學(xué)裝置合成。圖中的雙極膜中間層中的H2O解離為H+和OH-，并在直流電場作用下分別向兩極遷移。下列說法正確的是

圖2

( )

A.KBr在上述電化學(xué)合成過程中只起電解質(zhì)的作用

C.制得2 mol乙醛酸，理論上外電路中遷移了1 mol電子

D.雙極膜中間層中的H+在外電場作用下向鉛電極方向遷移

【答案】D

【解析】該裝置通電時(shí)，乙二酸被還原為乙醛酸，因此鉛電極為電解池陰極，石墨電極為電解池陽極，陽極上Br-被氧化為Br2，Br2將乙二醛氧化為乙醛酸，雙極膜中間層的H+在直流電場作用下移向陰極，OH-移向陽極。KBr在上述電化學(xué)合成過程中除作電解質(zhì)外，同時(shí)還是電解過程中陽極的反應(yīng)物，生成的Br2為乙二醛制備乙醛酸的中間產(chǎn)物，A錯(cuò)誤；陽極上為Br-失去電子生成Br2，Br2將乙二醛氧化為乙醛酸，B錯(cuò)誤；電解過程中陰陽極均生成乙醛酸，1 mol乙二酸生成1 mol乙醛酸轉(zhuǎn)移電子為2 mol，1 mol乙二醛生成1 mol乙醛酸轉(zhuǎn)移電子為2 mol，根據(jù)轉(zhuǎn)移電子守恒可知每生成1 mol乙醛酸轉(zhuǎn)移電子為2 mol，因此制得1 mol乙醛酸時(shí)，理論上外電路中遷移了2 mol電子，C錯(cuò)誤；由上述分析可知，雙極膜中間層的H+在外電場作用下移向陰極，即H+移向鉛電極，D正確；答案為D。

【模型應(yīng)用】根據(jù)“裝置-原理”二維模型圖知，陰極發(fā)生還原反應(yīng)，則鉛電極為陰極，陽離子(H+)移向陰極，D項(xiàng)正確。

【例4】(2021·全國乙卷·12)沿海電廠采用海水為冷卻水，但在排水管中生物的附著和滋生會(huì)阻礙冷卻水排放并降低冷卻效率。為解決這一問題，通常在管道口設(shè)置一對(duì)惰性電極(如圖3所示)，通入一定的電流。

圖3

下列敘述錯(cuò)誤的是

( )

A.陽極發(fā)生將海水中的Cl-氧化生成Cl2的反應(yīng)

B.管道中可以生成氧化滅殺附著生物的NaClO

C.陰極生成的H2應(yīng)及時(shí)通風(fēng)稀釋安全地排入大氣

D.陽極表面形成的Mg(OH)2等積垢需要定期清理

【答案】D

【模型應(yīng)用】根據(jù)“裝置-原理”二維模型圖知，陰極發(fā)生還原反應(yīng)，有OH-生成，從而在陰極表面形成Mg(OH)2，D項(xiàng)錯(cuò)誤。

【例5】(2021·廣東省選擇性考試·16)鈷(Co)的合金材料廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械制造等領(lǐng)域。如圖4為水溶液中電解制備金屬鈷的裝置示意圖。下列說法正確的是

圖4

( )

A.工作時(shí)，Ⅰ室和Ⅱ室溶液的pH均增大

B.生成1 mol Co，Ⅰ室溶液質(zhì)量理論上減少16 g

C.移除兩交換膜后，石墨電極上發(fā)生的反應(yīng)不變

【答案】D

【例6】(2021·湖南省選擇性考試·16節(jié)選)利用電解原理，將氨轉(zhuǎn)化為高純氫氣，其裝置如圖5所示。

圖5

(1)電解過程中OH-的移動(dòng)方向?yàn)開_______(填“從左往右”或“從右往左”)；

(2)陽極的電極反應(yīng)式為_______________。

【解析】(1)由圖可知，通NH3的一極氮元素化合價(jià)升高，發(fā)生氧化反應(yīng)，為電解池的陽極，則另一電極為陰極，電解過程中OH-移向陽極，則從右往左移動(dòng)，故答案為從右往左；

【模型應(yīng)用】根據(jù)“裝置-原理”二維模型圖知，陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，陰離子移向陽極。

2.3 可逆電池的考查

【例7】(2021·湖南省選擇性考試·10)鋅/溴液流電池是一種先進(jìn)的水溶液電解質(zhì)電池，廣泛應(yīng)用于再生能源儲(chǔ)能和智能電網(wǎng)的備用電源等。三單體串聯(lián)鋅/溴液流電池工作原理如圖6所示：

圖6

下列說法錯(cuò)誤的是

( )

A.放電時(shí)，N極為正極

B.放電時(shí)，左側(cè)貯液器中ZnBr2的濃度不斷減小

D.隔膜允許陽離子通過，也允許陰離子通過

【答案】B

3.電化學(xué)類試題的考查趨勢預(yù)測