從高考電化學試題看命題選材

山東 劉 剛

化學學科核心素養中“宏觀辨識與微觀探析”“證據推理與模型認知”“科學探究與創新意識”等概括了化學學習和研究的思維方式和方法。高考中的電化學試題，尤其是以新型電源和電化學設備的演變發展為情境的試題，很好地詮釋了“證據推理與模型認知”“科學探究與創新意識”等學科素養。這類試題不僅體現了化學學科的應用價值，更引領學生用辯證的、創新的思維來掌握化學學科規律。各類新型電池是目前科學研究的熱門方向，涉及航空航天、污染處理、海水淡化、實現“碳達峰、碳中和”的CO2捕捉與轉化等諸多領域。從試題情境的選材來看，涉及科學領域最新的科研成果，從傳統的原電池到各種鋰離子電池，再到濃差電池及以復分解反應為基礎的非氧化還原反應電池、微生物燃料電池等。所以，以發展創新的眼光分析和認識高考化學中的電化學試題，追根溯源，探究試題情境選材與教材電化學基礎理論的有效結合，分析試題情境選材與學科必備知識、關鍵能力考查的關系，有助于教師厘清今后電化學試題的發展方向，有利于促進化學學科素養在電化學原理教學與考試評價中的落實。筆者以2020年山東卷第10題為例，對此進行分析，以供各位老師參考。

【例1】(2020·山東卷·10)微生物脫鹽電池是一種高效、經濟的能源裝置，利用微生物處理有機廢水獲得電能，同時可實現海水淡化。現以NaCl溶液模擬海水，采用惰性電極，用圖1所示裝置處理有機廢水(以含CH3COO-的溶液為例)。下列說法錯誤的是

( )

B.隔膜1為陽離子交換膜，隔膜2為陰離子交換膜

C.當電路中轉移1 mol電子時，模擬海水理論上除鹽58.5 g

D.電池工作一段時間后，正、負極產生氣體的物質的量之比為2∶1

圖1

【參考答案】B

該試題創設試題情境的素材源自哈爾濱工業大學孟繁宇博士的論文《污泥底物微生物脫鹽電池性能及處理后污泥改良鹽堿土效果》，以其中的微生物燃料電池為背景進行電化學相關原理考查，動力源是微生物對碳素營養源(如葡萄糖等)的厭氧降解。電池的發生原理和濃差電池及以復分解反應為基礎的非氧化還原反應電池一樣，打破了教材上“基礎原電池須自發的氧化還原反應”的規律，給了學生和教師全新的知識視角。那么教師應如何看待教學過程中的原創命題、試題改編以及命題素材的選取與分析呢？筆者認為應從以下幾個方面進行思考。

一、試題立意遵循電化學理論的必備知識

高考電化學試題的考查無論簡單還是復雜，新穎還是常規，都是基于教材中電化學基本知識結構和基礎原理進行問題設置。目前高中教材中電化學原理主要從能量變化角度、氧化還原反應角度進行模型構建，涉及原電池、電解池、金屬的腐蝕與防護、基礎化學電源等內容，考查方向有電極反應書寫及判斷、電池總反應、電極判斷、離子遷移、綜合計算、綜合應用等，原電池、電解池基礎原理結構如圖2所示。此類試題解決的關鍵是抓住以下要點：無論是原電池還是電解池，發生氧化反應的為陽極(原電池負極)，發生還原反應的為陰極(原電池正極)，電勢高的為正極，電勢低的為負極，電子在外電路遷移，離子在內電路遷移。

圖2 原電池和電解池的簡單結構模型

二、試題情境素材體現學科關鍵能力，培養創新意識

電化學試題所體現的關鍵能力側重于分析與推測、歸納與論證能力，要求學生能夠根據原電池和電解池的工作原理，設計簡單的原電池和電解池，能用相關信息分析化學電源的工作原理，能夠選擇并設計金屬防腐措施，能綜合運用題中信息，解決實際問題。教師要讓學生通過試題信息分析，認識到物質的運動與變化，清晰化學變化遵循一定的條件，符合一定的規律；在電化學理論基礎上，認識到電子由電勢低的一方流向電勢高的一方，在電子、離子的遷移變化過程中實現電能與其他能量的轉化，能夠根據電池中發生的現象及出現的數據信息等證據，推理電池反應的原理。

( )

B.充電時釋放CO2，放電時吸收CO2

圖3

【參考答案】D

三、試題選材反映時代性，凝練學科素養

化學學科屬于走在社會前沿的學科，新發明、新研究成果日新月異，而高考試題很多素材來源于最新社會熱點，如2021年全國甲卷第28題和第35題以被形象地稱為“液態陽光”計劃的我國科學家研發的全球首套千噸級太陽能燃料合成項目為試題情境，呈現硅晶體太陽能發電、電能分解水制氫氣、氫氣與溫室氣體二氧化碳反應制備燃料甲醇等技術，展示我國科學家在綠色發展和清潔能源開發利用方面的創新成果。試題選擇硅晶體、甲醇合成、二氧化碳結構以及我國科學家研發的高選擇性的金屬氧化催化劑等為考查載體，多層次、多方位考查化學原理和物質結構理論。

中國科學院福建物質結構研究所的王要兵研究員小組2019年在AccountsofChemicalResearch上發表了一篇綜述，總結了金屬二氧化碳電池領域中CO2電化學的發展歷程，并分析了目前在有機和水系兩種不同電解液體系下CO2電化學的機理、設計關鍵、應用策略以及未來的發展前景。更有價值的，也更困難的是實現二次水系Zn-CO2電池，從裝置上來說，Zn負極在堿性電解液中更有效，但CO2會與堿自發反應，所以需要用雙極膜隔離堿性的負極電解液和中性的正極電解液。然而，在設計二次水系Zn-CO2電池時，必須考慮充電過程與放電過程中對膜相反方向的電荷傳遞需求。因此，至少需要一對相反方向放置的雙極膜才能保證二次水系Zn-CO2電池的充放電需求。更重要的是，二次水系Zn-CO2電池要求配備可在較低的過電位下進行雙催化功能的正極材料，以在提高CO2還原性能的同時，降低充電電勢，提高電池能量效率。基于這些分析，王要兵研究員小組發掘了一系列雙功能催化劑正極材料，開發了多種模式的二次水系Zn-CO2電池，可適用于多種應用需求。如圖4所示：

圖4 雙極膜和雙功能陰極催化劑實現二次水系Zn-CO2電池

2020年全國卷Ⅰ第12題取材于該科研成果，將溫室氣體CO2轉化為儲氫物質甲酸等化學品和燃料，為解決環境和能源問題提供了一種新途徑。

【例3】(2020·全國卷Ⅰ·12)科學家近年發明了一種新型Zn-CO2水介質電池。電池示意圖如圖5，電極為金屬鋅和選擇性催化材料，放電時，溫室氣體CO2被轉化為儲氫物質甲酸等，為解決環境和能源問題提供了一種新途徑。

圖5

下列說法錯誤的是

( )

B.放電時，1 mol CO2轉化為HCOOH，轉移的電子數為2 mol

D.充電時，正極溶液中OH-濃度升高

【參考答案】D

試題情景立意高遠，落點基于教材電化學基本原理，綜合要求高于教材，符合高考考查要求，體現學科核心素養，立足環境保護、電化學原理的考查，培養學生科學探究與創新意識的學科素養，提高學生的社會責任感。

基于以上分析，教師應以高考試題為參照，不僅要分析解題方法，同時要關注命題背景選材，在日常的教學中，關注有關化學化工的最新科技進展，搜集社會熱點和最新素材，提高學生的知識廣度，提升學生快速讀取信息的能力，引導學生在深入研究高考試題素材的基礎上，注重對學科知識的消化吸收和提煉升華，教師教學與命題中需關注大學及科研部門各個團隊的最新論文著作，提取中學知識相關的部分，創新設計問題情境，挖掘貼近高考真題的素材，命制高質量的訓練題，著眼學生終身發展，通過試題情景素材喚醒、激發學生的創造力和創新力，同時通過教師的自主學習和自主命題，提升教師自身的業務能力，開闊眼界，用變化發展的目光看待科學發展。

筆者受2020年山東省高考電化學試題啟發，研究了“微生物燃料電池”相關文獻，并命制了一道試題。

【例4】(原創)某科研小組設計了微生物燃料電池，進行同步硝化和反硝化脫氮研究，裝置示意圖如圖6所示，下列說法錯誤的是

( )

圖6

B.缺氧電極和好氧電極都是原電池正極

【參考答案】CD

【命題分析】筆者在試題背景選材上抓住“微生物燃料電池”這一核心，關注最新研發信息，搜索適合改編命題的論著成果。該試題使用論文中的裝置框架，改變原圖中顯性信息源，為選項設問做好鋪墊，根據文章中原理分析，選擇適合于中學生認知水平的考查點，從知識立意和能力立意進行題干和設問設計，根據不同的學段，設計難度深度，使試題符合考查的目標和要求。