高考電化學試題分析及多方位解法探究

杜博博，尹嬌陽， 胡小兵

（寶雞文理學院化學化工學院，陜西寶雞 721013）

1 高考電化學試題分析

1.1 建構電化學試題分析框架

高考電化學試題常常以生活實踐情境或學術探索情境為真實情境載體， 融入所要考查的必備知識和關鍵能力，以解決實際問題為測試任務，按照評價體系設置不同層次、有難易梯度的試題，體現考查內容的基礎性、綜合性、應用性和創新性，凸顯化學學科核心素養和核心價值。 因此，對于高考電化學試題的研究應該從試題情境、考查要求、考查內容、考查角度等方面進行試題研究[1～3]。

1.2 2020 年3 套全國卷理綜電化學試題分析

電化學試題重點考查離子反應方程式、氧化還原反應、物質的量計算、元素化合物、電化學知識等基礎化學內容，考查學生理解、吸收、整合化學信息的能力、分析和解決化學問題的能力[4]、化學思維和探究的能力等，以2020 年3 套全國理綜卷電化學試題為例進行分析如表1 所示。

表1 2020 年全國卷高考電化學試題分析

2 高考電化學試題解題探究

通過文本法對2020 年全國卷電化學試題進行研究， 從試題情境與考查角度等方面入手分析探究電化學試題的解題方法和規律，見圖1～圖4。

圖4

例1 解題思路探析：該題考查反應式的書寫、定量計算、微粒濃度變化等內容，從題干信息“放電時， 溫室氣體CO2被轉化為儲氫物質甲酸等”中直接可以找出反應物和生成物并根據其化合價變化對電極做出判斷，因此放電時通入二氧化碳的一極為正極，電極金屬鋅為負極，再根據圖1所示發現Zn 失電子后結合OH-生成了Zn(OH)42-，因此負極反應為，A 項正確；放電時，正極上CO2生成了HCOOH，碳元素的化合價從+4 變成+2，可知有1molCO2參與反應生成HCOOH 時轉移的電子的物質的量為2mol，B 項正確； 充電時陰極上Zn (OH)42-轉化為Zn， 陽極上H2O 失電子生成了O2， 因此電池總反應為2Zn (OH)42-=2Zn+O2↑+4OH-+2H2O，C 項正確； 充電時陽極反應式為2H2O-4e-=4H++O2↑，因此正極區c(OH-)降低，D項錯誤。

圖1

例2 解題思路探析：該題考查電解原理的應用，從裝置圖可以判斷出為電解池，由“當通電時，Ag+注入到無色WO3薄膜中，生成AgxWO3”可知Ag 失電子變成Ag+， 因此，Ag 電極做陽極，透明導電層做陰極，A 項正確；電解池工作時陽離子移向陰極，B 項正確； 從題干信息推知,WO3在陰極放電生成AgxWO3，W 元素化合價降低，C 項錯誤； 陽極反應式Ag-e-=Ag+， 陰極反應式xAg++WO3+e-=AgxWO3, 結合陰陽極反應式寫出總反應WO3+xAg=AgxWO3D 項正確。

圖2

例3 解題思路探析： 根據圖3 可知該裝置為電解池，通過球棍模型看出CO2轉化成了CO，陰極反應式為CO2+2e-=CO+O2-。CH4轉化成了CH2=CH2，C 的 化 合 價 從-4 降 低 為-2，CH4轉 化 成 了CH3-CH3，C 的化合價從-4 降低為-3，若生成的乙烯和乙烷的物質的量分別為2mol、1 mol 時，陽極轉移的電子的物質的量為[-2-（-4）]×2×2+[-3-(-4)]×2×1=10mol，根據原子守恒可知消耗CH4物質的量為6mol，此時陰極消耗CO25mol，因此若生成的乙烯和乙烷的體積比為2∶1， 則消耗的CH4和CO2體積比為6∶5。

圖3

例4 解題思路探析： 該題考查原電池原理，由題干信息可知VB2電極失電子作負極， 復合碳電極為正極，O2在正極得電子， 反應式為O2+4e-+2H2O=4OH-， 轉 移0.04mol 電 子 時， 有0.01mol O2參與反應， 在標準狀況下的體積為0.224L，A 項正確；負極消耗OH-，pH 降低，正極產生OH-，pH 升高，B 項錯誤； 結合正負極反應式， 電池總反應為4VB2+11O2+20OH-+6H2O=8B(OH)4-+4VO43-，C 項正確；電流從正極流出沿導線經過負載進入負極， 然后在通過電解質溶液回到正極，D 項正確。

3 高考電化學試題多方位解法

3.1 電池種類判斷

在遇到電化學試題時，首先要搞明白該題考查的是電解池還是原電池。 原電池是把化學能轉化為電能的裝置， 屬于自發進行的氧化還原反應；而電解池則與它相反，即為電能轉換為化學能的裝置，是在外接電源的作用下發生氧化還原反應。 在分析電化學試題時，我們要充分提取題干中有效信息，判斷出題干所考查的內容是原電池還是電解池。 如題目所給的裝置圖中的電極材料若與“光伏電池”“直流電源”“電源”“+、-”等相連時，則判斷為電解池；若電極材料與“負載”“用電器”等相連時，可判斷為原電池。 題干描述中若出現“二次電池”，是指該電池既可放電也可充電，放電時用作原電池，充電時用作電解池。 通常，題干信息中出現“空氣電池、微生物電池、燃料電池”等是指原電池，如果出現“電解法”“電解氧化法”“電滲析法”“外加電流的陰極保護法”等往往指電解池。

3.2 電極判斷

在原電池中，兩個電極名稱分別是正極和負極，正極得電子，發生還原反應；而負極失電子，發生氧化反應。 原電池的負極一般為：1） 活性金屬 材 料， 如Li、Mg、Al、Pb、Zn、Ag 等；2）C3H8O、C6H12O6、CH3COO-、CH3OH 等可失電子的有機物質所在的電極；3） 有Li+、Cu2+等陽離子流出的電極；4） 電子流出的電極。 原電池的正極一般為：1）有O2、Cl2等氧化性強的非金屬單質所通入的電極；2）有MnO2、WO3、AgO、PbO2等高價態的金屬氧化物的電極；3）AgCl、NiOOH、K2FeO4等具有氧化性物質的電極；4）電流流出的電極[4～6]。

在電解池中兩個電極分別叫做陽極和陰極，陰極得電子，發生還原反應；陽極失電子，發生氧化反應。 對于陰陽極判斷的依據有：1） 與電源負極相連的電極稱作陰極，與電源正極相連的電極稱作陽極；2）根據題干所給總反應式來判斷，觀察反應式中元素的化合價變化，有元素化合價降低的一極為陰極， 元素化合價升高的一極作陽極；3）根據生成物來判斷，電極上若有O2、Cl2生成，則該電極為陽極，若有Zn、Pb、H2等生成，該電極為陰極。

3.3 反應式的書寫

在書寫電極反應式時， 需遵循原子守恒、得失電子守恒、電荷守恒。 按照程序性原則將電極反應式書寫步驟一般分為五步：1） 寫反應物，在題目所呈現的信息中找出各個電極的反應物；2）寫生成物， 根據化學反應規律寫出生成物；3）得失電子，根據化合價變化寫出得到或失去電子的數目；4）配平電荷，依據電荷守恒，配出相關離子和數目；5）缺啥補啥，根據原子守恒補齊物質使反應式前后各原子數目相等。 總反應式在書寫時可將正負電極或陰陽電極相加得到，需滿足得失電子守恒，也可以根據氧化還原反應的規律直接寫出總反應式[7～9]。

3.4 電流、電子、離子的移動方向

電流可以通過外電路，也可以通過內電路，而電子不能進入電解質溶液。 在無離子交換膜存在時， 一般陰陽離子遷移方向如表2 所示。若有離子交換膜存在， 則根據題目中隔膜、離子選擇性膜做出具體判斷，其中，只允許質子通過的膜為質子交換膜，允許陽離子通過的膜是陽離子交換膜，允許陰離子通過的膜是陰離子交換膜[10]。

表2 電池中電流、電子、離子移動方向

3.5 定量計算

定量計算是按照題目所給定或規定的相關量，運用化學原理或方法將化學問題進行數學處理，計算出其他量。 電化學中的定量計算一般包括物質的量、氣體體積、物質的量濃度、質量等，常見的類型有：1）根據放電或充電時反應物的化學計量變化，計算轉移的電子數目；2）根據電路中轉移的電子數目，計算放電或充電時產物的相關量；3）根據電路中轉移的電子數目，計算電極的質量變化。 電化學試題中的定量計算可借助電極反應式，遵循得失電子守恒的思想來應對。

為了方便讀者更好的理解和掌握電化學試題的多方位解法，現以下面幾個具體實例加以說明（見圖5～圖7）。

圖5

圖7

例5 解法說明： 該題題干中出現了“電滲析法”“直流電場”“+、-”等關鍵字眼，因此判斷該電池為電解池。 左邊惰性材料與“-”相連，為陰極，右邊惰性材料與“+”相連，為陽極。SO42-為陰離子，從正極區移向負極區。 陰極反應式書寫步驟：先寫出陰極反應物為H2O， 再寫出生成物為H2，得到2e-，然后用OH-配平，最終為2H2O+2e-=H2↑+2OH-。 根據電子轉移的數目進行定量計算，可知電路中通過1mol 電子時，生成0.25molO2生成。

例6 解法說明：該題干出現“微生物電池”“化學能轉化為電能”，因此判斷該電池為原電池。 左邊反應物有C6H12O6為負極， 右邊反應物是O2為正極。 質子交換膜只允許質子通過，質子從負極區移向正極區。 根據書寫步驟寫出負極電極反應式：第一步找出反應物為C6H12O6，第二步判斷出生成物有CO2， 第三步根據化合價變化計算出每消耗1molC6H12O6失去24mole-，第四步依據電荷守恒，用H+配平反應式左右兩端電荷，第五步采用原子守恒補充缺少的物質， 最終寫的式子為C6H12O6-24e-+6H2O=6CO2+24H+；再根據同樣的步驟寫出正極的反應式為O2+4e-+4H+=2H2O； 綜合正負極反應式及運用得失電子守恒，寫出總反應式為C6H12O6=6CO2+6H2O。 也可通過氧化還原反應的規律直接寫出總反應式。

圖6

例7 解法說明：從題干可知，b 極H2O 轉化為O2，a 極CO2轉化為C3H8O，且圖像中有“-||-”，可知該電池為電解池，a 極為陰極，b 極為陽極。 H+通過質子交換膜從陽極移向陰極。a 極電極反應式書寫步驟：第一步寫出反應物為CO2，第二步找出生成物為C3H8O，第三步根據化合價變化計算出每生成1molC3H8O 時得到18mole-，第四步根據電荷守恒用H+配平電荷，第五步根據原子守恒，補充缺少的物質H2O，最終得出的反應式為3CO2+18e-+18H+=C3H8O+5H2O。按照電極反應式書寫步驟，寫出b 極反應式為2H2O-4e-=O2↑+4H+，每生成1molO2轉移4mol 電子，再結合a 極反應式，計算電路中有4 mol 電子轉移時，被還原的CO2為