電化學學習方法探討

杜德祥

(昆明市第一中學，云南 昆明 650031)

“變化觀念與平衡思想” 是化學學科五個核心素養中最基本的核心素養，也是學生了解、認識、解決化學常見問題的基礎。變化是化學永恒的主題，同時，化學變化的過程又是守恒的。守恒是物質世界運動的一大特點，也是自然界最重要的基本規律。電化學的學習有助于學生“變化觀念和平衡思想”學科核心素養的建構。

電化學(含原電池和電解池)其實是氧化還原反應的一個特殊領域，有電子轉移是其本質。普通氧化還原反應中電子的得失是同時、同處發生，而電化學中的電子轉移卻是同時但不同處發生——電子從A處轉移至B處。這就必然出現電子的定向移動，而電子的定向移動即形成電流(正電荷移動的方向與電子移動的方向相反，正電荷移動的方向就是電流的方向)。由此就蘊含著電化學中的很多“變化”。電化學中的平衡思想是：無論發生何種變化，一個電極失去的電子總數一定等于另一個電極得到的電子總數。這就是電化學中“變”與“不變”的對立統一。

電化學中的“變化”一般包括：電子轉移的方向、電流方向、陰陽離子的移動方向、電極反應、電池的總反應；電化學中的平衡思想的體現之一：得失電子相等。

電化學知識與人類生活息息相關、密不可分。“運用化學原理和化學技術，解釋生活中的化學現象，解決生活中的化學問題，提高人類生存質量和生活質量，是化學科學對人類的重要貢獻之一。學生從生活和生產實際中探究和學習化學，既是運用化學原理、觀念和方法解釋生活中的化學現象，解決生活中與化學相關的問題的過程，又是形成解決未來生活中可能面臨的陌生、復雜甚至不可預測的問題的能力的過程”。居于此，在每一年的高考中，都涉及到對電化學知識的考查。本文從電化學中的變化與守恒、解決電化學問題的認知模型的建立，以及認知模型在解決電化學問題中的應用三個方面進行闡述。

1 電化學中的變化與守恒

電子的轉移是氧化還原反應的本質，因此電化學中必然有氧化還原反應的發生。所以電化學必須遵循氧化還原反應中的所有概念，即還原劑失去電子，化合價升高，元素被氧化，發生氧化反應；氧化劑得到電子，化合價降低，元素被還原，發生還原反應。

1.1 原電池

1.1.1 電極名稱

原電池是化學能轉變成電能的裝置，也可以理解為：原電池是由于化學反應而引起電流產生的裝置。有電流產生，必然就有電子的定向移動。一般規定：失去電子的一極，即電子流出的一極，為原電池的負極；得到電子的一極，即電子流入的一極，為原電池的正極。

1.1.2 典型代表——銅-鋅-硫酸原電池

銅-鋅-硫酸原電池是所有原電池的基礎，也就是說，所有的原電池中，更容易失去電子的一極是負極，更容易得到電子的一極是正極。根據氧化還原反應的知識，失去電子，化合價升高，被氧化，發生氧化反應；得到電子，化合價降低，被還原，發生還原反應。

1.1.3 有鹽橋的鋅銅原電池(即雙液原電池)

沒有鹽橋(鹽橋中通常裝有含瓊膠的KCl飽和溶液)的普通銅-鋅-硫酸銅原電池中，鋅單質與硫酸銅直接接觸而反應。在這一部分反應中，電子直接從還原劑轉移給氧化劑，沒有電子通過外電路的定向移動，即沒有形成電流，導致能量轉化率不高。另外，鋅片與硫酸銅溶液直接接觸反應，銅在鋅片表面析出，鋅表面也構成了原電池，進一步加速銅在鋅表面析出，致使向外輸出的電流強度逐漸減弱。當鋅片表面完全被銅覆蓋后，將不再構成原電池，也就沒有電流產生了。使用鹽橋后，鋅單質和硫酸鋅溶液接觸，銅單質和硫酸銅溶液接觸，兩份溶液通過鹽橋聯通，不會出現氧化劑和還原劑之間的直接反應。雙液原電池使用鹽橋，可使由它連接的兩溶液保持電中性，鹽橋保障了電子通過外電路從鋅到銅的不斷轉移，使鋅的溶解和銅的析出過程得以持續進行，在外電路形成持續穩定的電流。所以使用鹽橋的鋅銅原電池，即雙液原電池，有兩個優點：能量轉化率高；能提供持續穩定的電流。

1.1.4 電池分類及各自的典型代表

1)一次電池

①堿性鋅錳電池。負極是Zn，正極是MnO2，電解液是KOH溶液。負極反應為：Zn+2OH--2e-=Zn(OH)2；正極反應為：2MnO2+2H2O+2e-=2MnOOH(氫氧化氧錳)+2OH-；總方程為：Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2。(注：可以通過得、失電子能力的強弱，也可以通過化合價的升、降，來判斷電池的正負極。)

②鋅銀電池。負極是Zn，正極是Ag2O，電解液是KOH溶液。負極反應為：Zn+2OH--2e-=Zn(OH)2；正極反應為：Ag2O+H2O+2e-=2Ag+2OH-；總方程為：Zn+Ag2O+H2O=Zn(OH)2+2Ag。

③鋰亞硫酰氯電池。負極是Li，正極是石墨，電解質由非水的SOCl2和LiAlCl4組成。負極反應為：4Li-4e-+4Cl-=4LiCl；正極反應為：2SOCl2+4e-=S+SO2+4Cl-；總方程為：4Li+2SOCl2=S+SO2+4LiCl↓。生成的S和SO2溶解在SOCl2電解液中。

④鎘鎳電池。負極為海綿網篩狀Cd粉和NiO粉，正極為NiOOH和石墨粉的混合物，電解液通常為KOH溶液。負極反應為：Cd-2e-+2OH-=Cd(OH)2；正極反應為：2NiOOH+2e-+2H2O=2Ni(OH)2+2OH-；總反應為：Cd+2NiOOH+2H2O=Cd(OH)2+2Ni(OH)2。

⑤氫鎳電池。負極活性物質為H2，正極活性物質為NiOOH，電解液通常為30%的KOH溶液。負極反應為：H2-2e-+2OH-(aq)=2H2O；正極反應為：2NiOOH+2e-+2H2O=2Ni(OH)2+2OH-；總反應為：H2+2NiOOH=2Ni(OH)2。

2)二次電池(即可充電、放電的電池)

對這類電池的基本認識是：放電時按照原電池分析，充電時按照電解池分析。放電時失去的電子，在充電時要重新得到。放電時生成的物質，在充電時要將它消耗掉；放電時消耗的物質，在充電時要重新生成。所以放電時的負極，在充電時要跟外接電源的負極相連；放電時的正極，在充電時要跟外接電源的正極相連。

① 鉛蓄電池

負極板上覆蓋有Pb，正極板上覆蓋有PbO2，電解液是H2SO4溶液。

② 聚合物鋰離子蓄電池

負極采用鋰-碳層間化合物LixC6，正極采用鋰化合物LiCoO2或LiNiO2或LiMn2O4，電解質使用固態或膠態高分子電解質或有機電解液。放電時，負極反應為：LixC6-xe-=xLi++C6；正極反應為：Li1-xCoO2+xe-+xLi+=LiCoO2等；總反應為：LixC6+Li1-xCoO2=C6+LiCoO2。

參照上述鉛蓄電池，容易寫出該電池充電時的陰、陽極反應以及總反應，在此不再贅述。

3)燃料電池

燃料電池是一種連續地將燃料和氧化劑的化學能直接轉換成電能的化學電源。它工作時，燃料和氧化劑連續地由外部供給，在電極上不斷地進行反應，生成物不斷地被排除，于是電池就連續不斷地提供電能。

燃料電池種類很多，現以氫氧燃料電池為例。該電池以H2為燃料，O2為氧化劑，使用酸性或堿性電解液。負極反應為：2H2-4e-=4H+(堿性電解液時為：2H2-4e-+4OH-=4H2O)；正極反應為：O2+4e-+4H+=2H2O (堿性電解液時為：O2+4e-+2H2O=4OH-)；總反應為：2H2+O2=2H2O。

除氫氣外，烴、烴的含氧衍生物、肼、氨氣、煤氣等，均可作燃料電池的燃料；除純氧氣外，空氣中的氧氣也可以作氧化劑。

1.2 電解池

1.2.1 電極名稱及微粒流向

電解池是將電能轉變成化學能的裝置，也可以理解為：電解池是由于外接直流電源而引起化學反應發生的裝置。一般規定：與外接電源正極相連的一極是電解池的陽極，與外接電源負極相連的一極是電解池的陰極。

外電路中的電子流動方向由外接電源決定。電子從陽極流出，流入外接電源的正極，再由外接電源的負極流出，流入電解池的陰極。所以陽極發生氧化反應，陰極發生還原反應。根據“帶相同電性的微粒，其運動方向一致”的原則，電解質溶液中，陰離子向陽極移動，陽離子向陰極移動。

1.2.2 典型電解池

1)氯堿工業

在氯堿工業中，燒堿的生產原理簡圖見圖1。

圖1 燒堿的生產原理簡圖

陽極的放電順序一般是：活潑金屬>S2->I->Br->Cl->OH->含氧酸根離子>F-。陰極的放電順序一般是：Ag+>Hg2+>Fe3+>Cu2+>H+(濃度較大時)>Pb2+>Sn2+>Fe2+>Zn2+>H+(濃度很小時)>Al3+>Mg2+>Na+>K+。

2)電解精煉銅

用純銅作陰極，粗銅作陽極，用CuSO4溶液作電解液。電解時，陽極反應有：Zn-2e-=Zn2+、Fe-2e-=Fe2+、Cu-2e-=Cu2+等，其它雜質，如Au、Ag等，沉積在電解槽的底部(陽極泥)；陰極反應為：Cu2++2e-=Cu。

3)電鍍

例如，若要將鋅鍍到鐵件上，陽極為鍍層金屬鋅，待鍍金屬鐵作陰極，含鋅離子的溶液如硫酸鋅溶液作電解液。由于H+濃度很小，陽極反應為Zn-2e-=Zn2+，陰極反應為Zn2++2e-=Zn。

2 解決電化學問題的認知模型的建立

《普通高中化學課程標準(2017年版2020年修訂)》[1]中對“證據推理與模型認知”的核心素養論述為：“具有證據意識，能基于證據對物質組成、結構以及變化提出可能的假設，通過分析推理加以證實或證偽；建立觀點、結論和證據之間的邏輯關系。指導可以通過分析、推理等方法認識研究對象的本質特征、構成要素及其相互關系，建立認知模型，并能運用模型解釋化學現象，揭示現象的本質和規律”。任何一個電化學問題(情境)，其本質均為氧化還原反應的不同應用情境，因此對任何一個電化學問題(情境)的認識，都要基于對氧化還原反應知識的認識，進而建立解決電化學(含原電池和電解池)問題(情境)的認知模型：第一步，快速畫出電池草圖。目的是使分析過程變得直觀。若問題情境中已經呈現了圖示，則可以利用此圖而無需再畫。第二步，分析推理并標出電子流動方向。目的是可以清楚地判斷哪一極發生氧化反應、哪一極發生還原反應等。原電池中的電子總是從更易失去電子的一極流出(此極發生氧化反應，涉及元素化合價的升高)，經過外電路流入正極(此極發生還原反應，涉及元素化合價的降低)；電解池中根據外界電源的正負極判斷，電子總是從陽極流出(此極發生氧化反應，涉及元素化合價的升高)，流入外接電源正極，再從外接電源負極流出，流入陰極(此極發生還原反應，涉及元素化合價的降低)。當然也可以根據元素化合價的變化情況等，逆向推出外接電源的正負極。第三步，關注電極材料。電解池中尤其要關注陽極材料，因為如果是活潑電極，電極材料本身要發生反應。第四步，關注電解質溶液中所有的陰陽離子。特別值得注意的是，要關注電解液是有水還是無水環境。若有水，要關注電解液的酸堿性，不要忘記任何水溶液中都有H+和OH-。目的是根據離子的放電順序，準確判斷出究竟是何種離子放電，離子的移動方向如何等等。

3 認知模型在解決電化學問題中的應用

在每一年的高考試題中，都有對電化學知識的考查。例如，2017年全國I卷第11題、2017年全國II卷第11題、2017年全國III卷第11題、2018年全國I卷第13題、2018年全國II卷第12題、2018年全國III卷第11題、2019年全國I卷第12題、2019年全國II卷第27題(節選)、2019年全國III卷第13題、2020年全國I卷第12題、2020年全國II卷第12題、2020年全國III卷第12題、2021年全國甲卷第13題、2021年全國乙卷第12題等等。本文以2017年全國III卷第11題為例，闡述電化學試題中的問題解決方法。

例題 全固態鋰硫電池能量密度高、成本低，其工作原理如圖所示。其中，電極a常用摻有石墨烯的S8材料，電池反應為：16Li+xS8=8Li2Sx(2≤x≤8)。下列說法錯誤的是( )

A)電池工作時，正極可發生反應：2Li2S6+2Li++2e-=3Li2S4；

B)電池工作時，外電路中流過0.02 mol電子，負極材料減重0.14 g；

C)石墨烯的作用主要是提高電極a的導電性；

D)電池充電時間越長，電池中Li2S2的量越多。

【解析】本題情境陌生，但類似于人教版《普通高中課程標準試驗教科書化學選修4化學反應原理》[3]中提到的聚合物鋰離子蓄電池。在陌生情境中應用化學基本知識和基本原理，學以致用，是高考試題以能力立意的必然要求，知識遷移能力以及心理承受能力等的考查歷來受到極大重視。本題已提供圖示，可在圖上直接進行分析。根據Li+(正電荷)的移動方向，也可以根據S8→Li2S8→Li2S6→Li2S4→Li2S2的變化過程中S的化合價變化，推出電子移動方向即正電荷移動方向的反方向為：b極流出，進入用電器，流入a極，并在圖中標出；推出電極a為正極，電極b為負極。根據氧化還原反應知識，b極失去電子，化合價升高，被氧化，發生氧化反應；a極得到電子，化合價降低，被還原，發生還原反應。b極的反應為：Li-e-=Li+，a極隨著放電的不斷進行，發生的反應有：S8+2e-+2Li+=Li2S8、3Li2S8+2e-+2Li+=4 Li2S6、2Li2S6+2e-+2Li+=3Li2S4、Li2S4+2e-+2Li+=2Li2S2。可知放電時間越長，電池中Li2S2的量越多；反之，充電時間越長，電池中Li2S2的量越少。所以本題的正確選項為D。本題的A、D選項考查的是電化學中的“變化”，B選項考查的是電化學中的“守恒”，很容易根據Li-e-=Li+計算而出，C選項考查的是涉及到的物質的物理及化學性質。

4 結語

電化學知識的考查，不外乎涉及“變化”“守恒”以及一些重要物質的基本物理及化學性質的考查。“變化”一般涉及對電極反應式的書寫、總方程式的書寫、電極的判斷、電子流動方向、電流方向、陰陽離子移動方向、化合價的變化以及氧化還原反應的基本概念等的考查；“守恒”一般考查根據電化學中的兩個極上得失電子相等進行的簡單計算。通過對每一年高考試題的解答，可以發現試題情境雖較為陌生，但若建立起“四步曲”的解題模型，定會使看似陌生抽象的問題迎刃而解。