基于思維模型構建的高三電化學復習難點突破策略

馮美紅

電化學是氧化還原反應原理的重要應用之一，高三學生在復習過程中，往往容易將原電池和電解池中相似的知識點混淆，相關復習難點突破策略列舉如下。

一、打通原電池與電解池原理的隔閡

學生在高一學段已經(jīng)獲得“氧化還原反應”這一知識模型，并將其內(nèi)涵總結為“升失氧化、降得還原”；在高二學段則存化學反應與能量的相互轉(zhuǎn)化章節(jié)中分開學習了原電池和電解池知識，復習過程中若不能將新舊知識進行有效整合（如圖1所示），則容易引起思維的混亂。

二、從微觀角度探析池中離子移動方向問題

1.電子的移動方向

以鋅銅電池為例，根據(jù)電化學的基本原理，電子從負極或陽極流出，最終進入正極或陰極，如圖2所示：可以認為電子“布滿”了正極或陰極（即本例中的Cu電極），Cu2-則移向電子“布滿”的電極附近并得到電子變成Cu附著。因此，只要認準電子流入的電極，即可快速判斷發(fā)生還原反應的電極。

對比前兩個圖，也可以理解形成原電池可以加快反應速率的原因：Zn電極失去電子后形成Zn2+進入溶液中，若未構建原電池形成的基本條件——閉合同路，則電子依然聚集在Zn電極上，因此Cu2+需要克服Zn2+的排斥才能“艱難”得到電子；而有不同電極和閉合回路后，電子沿著導線從負極出發(fā)，移動到正極，Cu2+更容易從正極上得到電子，宏觀上體現(xiàn)出來的就是反應速率加快。

2.離子的移動方向

在理清電子移動的基礎上，只要結合物理上帶電微粒的相互作用原理——“同性相斥、異性相吸”就可以簡單判斷。結合化學學科知識，離子移動方向的分為以下3類情況：

思維模型Ⅰ：離子參與某電極反應——移動到該電極

中學各版本教材中的“鉛蓄電池”就是典型例子，放電時正負極分別為：

負極：Pb+ SO42- - 2e =PbSO4

正極：PbO2+4H++SO42- +2e=PbSO4 +2H2O

由電極反應式可知，SO42-均參與正負反應，則應移動到這兩個電極附近。

思維模型Ⅱ：離子不參與電極反應——被電子吸引或排斥

電化學中的“閉合回路”由2部分組成——電子在電極、導線上的定向移動和電解質(zhì)溶液中陰陽離子的定向移動。因此，未參與電極反應的離子的定向移動有著重要的意義，甚至為了增強溶液的導電性，會加入一些“無關”離子。判斷這類離子的移動的方向，關鍵在于看“電子在哪里？”與電子帶同種電荷的陰離子會被電子排斥，遠離電子；和電子帶異種電荷的陽離子則被吸引而朝電子方向移動。鹽橋中的離子用于維持溶液的電中性，也可以用這種方法來判斷，如圖3所示。

思維模型Ⅲ：含“膜”的裝置中離子移動方向

為了避免副反應、限定某些離子的移動，電化學中常會涉及各種離子交換膜、雙極膜等，能選擇性地允許離子通過，起到平衡電荷、形成閉合回路的作用，解題過程中往往需要根據(jù)離子的移動方向來判斷膜的種類。例如，電滲析法淡化海水的裝置如圖4所示。電解槽中陰離子交換膜和陽離子交換膜相間排列，將電解槽分隔成多個獨立的間隔室，海水充滿在各個間隔室中。通電后，一個間隔室的海水被淡化，而其相鄰間隔室的海水被濃縮，從而實現(xiàn)了淡水和濃縮海水分離，電解結果如圖5所示。

三、復雜電極反應式的書寫

對于復雜的電極，尤其是鋰離子電池、有機物參與的電極反應，元素價態(tài)較難判斷，可結合原子守恒、電荷守恒用“待定系數(shù)一配平法”來解決。

大多數(shù)鋰離子電池基于電化學“嵌入／脫嵌”反應原理，替代了傳統(tǒng)的“氧化還原反應”，其原理類似“濃差電池”，即在兩極形成的電壓的驅(qū)動下，Li+可以從電極材料提供的“空間”中“嵌入”或“脫嵌”。鋰離子電池的正極材料一般為含Li+的化合物，已商業(yè)化的正極材料有LiFePO4、LiCoO2、LiMn2O4等。

例題1 某品牌全電動汽車使用的是鈷酸鋰（LiCoO2）電池，其工作原理如圖6所示，A極材料是金屬鋰和碳的復合材料（碳作為金屬鋰的載體），電解質(zhì)為一種能傳導Li+的高分子材料，隔膜只允許特定的離子通過，電池反應為：

電極反應式的書寫思維模型：

第1步，根據(jù)總反應明確電極反應前后物質(zhì)的變化，初步寫出兩極對應產(chǎn)物：