建模思維在電化學類題目中的應用剖析

近年來，以新型電化學裝置為背景的試題已成為命題趨勢．這類題目要求學生不僅要掌握基礎知識，還要具備整合信息和解決實際問題的能力．該類題目的核心內容是基礎的電化學原理，如電極判斷、電極反應式的書寫等．為了更好地幫助學生解決這類題型，本文總結了相關解題模型．

１ 電化學類問題的解題模型

１.１ 理解題意，明確研究對象

在解答電化學試題時，首先需要借助題干中的文字信息，明確題目中描述或展示的裝置類型．電化學試題除了涉及原電池和電解池外，還會出現二次電池．二次電池放電時，裝置遵循原電池工作原理;充電時，裝置遵循電解池工作原理．如果題干含有“電解法”“電解”等字詞，則多表明研究對象為電解池;如果題干含有“電池”相關字詞，則多表明研究對象為原電池．除了文字描述外，也可以通過裝置圖進行判斷，看裝置是否含有外加電源：如果有外加電源，則為電解池;如果不含外加電源，則為原電池．可充電二次電池題目一般會直接用文字進行闡釋．

１.２ 確定兩極

原電池分為正、負極，電解池分為陽極和陰極．確定電極的方法較多，但其遵循的本質是相同的．原電池的工作原理為“負失正得”：失去電子的一端為負極，得到電子的一端為正極．電解池遵循的原理為“陽失陰得”：失去電子的電極為陽極，得到電子的電極為陰極．該步驟通常還會涉及電極方程式的書寫，需要遵循如圖１所示步驟．

１.３ 確定電路

在電化學裝置中，微粒移動的考查有兩大方面．內電路離子的移動方向和外電路電子的移動方向．在前兩步的基礎上，根據問題所涉及的是“外電路中的電子”還是“內電路中的離子”，利用表１口訣進行判斷．若遇到相關計算，要謹遵“守恒思想”，外電路兩極上得失電子總數相等，內電路移動離子的電荷總數與外電路電子的電荷總數相等．

２ 建模思維在解題中的應用

例１ 某團隊發明的制取H２O２ 的綠色方法原理如圖２所示（已知：H２O２ ?H＋ ＋HO－ ２ ，Ka＝２.４×１０－１２）．下列說法不正確的是（ ）．

A．b極的電極反應為O２＋H２O＋２e－ ＝HO－ ２ ＋OH-

B．X 膜為選擇性陽離子交換膜

C．a極為正極

D．每生成１molH２O２，電路中轉移４mole－

解析 第１步：確定研究對象．題干中不能直接分析出研究對象，要結合裝置圖進行分析，裝置圖無電源，且有電路“負載”，說明研究對象為原電池．

第２步：確定兩極．結合裝置示意圖可知，電極b的反應物為O２，電極a的反應物為H２．根據電極反應式書寫流程，a極發生反應H２－２e－ ＝２H＋ ，b極上的電極反應為O２＋H２O＋２e－ ＝HO－ ２ ＋OH－ ，選項A說法正確．O 元素由０價變成－１價，每生成１ molH２O２，電路中轉移２mol電子，選項D說法錯誤．根據“負失正得”的原理，a極為負極，選項C說法正確．

第３步：確定內外電路．根據原電池內電路的“負負正正”原理，陽離子會移向正極，因此a極附近生成的氫離子會透過X膜向b極（正極）移動，故X膜為選擇性陽離子交換膜，允許H＋ 通過，選項B說法正確．答案為D．

例２ 利用電解法將CO２ 轉化為CH４ 的原理如圖３所示．下列說法正確的是（ ）．

A．電解過程中，H＋ 由a極區向b極區遷移

B．電極b上反應為CO２＋８HCO３－－８e－＝CH４＋８CO２３－＋２H２O

C．電解過程中化學能轉化為電能

D．電解時，Na２SO４ 溶液濃度保持不變

解析 該題的裝置圖未標出電源，但不能依據沒有電源直接推斷為“原電池”，需要結合文字描述進行綜合分析．

第１步：確定研究對象．題干中“電解法”說明該裝置是電解池，電解過程中電能轉化為化學能，選項C錯誤．

第２步：確定兩極．結合裝置示意圖可知，電極a生成O２，失去電子，為陽極，則電極b為陰極，化學反應為CO２＋８HCO３－ ＋８e－ ＝CH４＋８CO２３－ ＋２H２O，選項B錯誤，由a極反應式可知，電解Na２SO４ 溶液實質是電解水，選項D錯誤．

第３步：確定內外電路．根據電解池內電路的“陰陽相吸”原理，陰離子會移向陽極，陽離子會移向陰極．因此H＋ 由a極區向b極區遷移，選項A 正確．答案為A．

例３ 某儲能電池原理如圖４所示．下列說法正確的是（ ）．

A．放電時負極反應：Na３Ti２ （PO４）３ －２e－ ＝２Na＋ ＋NaTi２（PO４）３

B．放電時Cl－ 透過多孔活性炭電極向CCl４ 中遷移

C．放電時每轉移１mol電子，理論上CCl４ 吸收０.５molCl２

D．充電過程中，NaCl溶液濃度增大

解析 第１步：確定研究對象．題干中“儲能電池”說明該裝置是一個可充電的二次電池．

第２步：確定兩極．結合裝置示意圖可知，放電時負極失電子，發生氧化反應，負極反應為Na３Ti２（PO４）３－２e－ ＝２Na＋ ＋NaTi２（PO４）３，選項A 正確．正極反應為Cl２＋２e－ ＝２Cl－ ，需要CCl４ 釋放Cl２ 進行反應，因此每轉移１mol電子，理論上CCl４ 釋放０.５molCl２，選項C錯誤．充電是放電的逆過程，因此在充電過程中，陽極反應為２Cl－ －２e－ ＝Cl２，消耗Cl－ ，NaCl的濃度降低，選項D錯誤．

第３步：確定內外電路．放電時，陰離子會移向負極，故Cl－ 透過多孔活性炭電極向NaCl中遷移，選項B錯誤．答案為A．

通過建立恰當的模型，學生能更系統地分析問題，從宏觀和微觀層面深入理解電化學過程，不僅提高了解題的準確性，也加深了其對化學反應本質的認識．在今后的教學中，教師應設計更多引導學生主動建模的教學活動，鼓勵他們在解決問題時積極應用和調整模型，讓“建模”在學生的思維中扎根．

（完）