理論與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合

摘 要：高中化學(xué)電化學(xué)主要為原電池、電解池及其相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)，高考命題通常在此基礎(chǔ)上，綜合當(dāng)前新型電池技術(shù)，進(jìn)行題目變型，其本質(zhì)上都是對基礎(chǔ)知識(shí)的考查.為此，教師在教學(xué)過程中，針對原電池、電解池以及兩者結(jié)合的題型進(jìn)行針對性訓(xùn)練，引導(dǎo)學(xué)生正確區(qū)分“四極”，幫助學(xué)生熟悉各種題型的特點(diǎn)和解題方法，以便學(xué)生能夠快速準(zhǔn)確地完成題目的解答.

關(guān)鍵詞：高考；高中；電化學(xué)；原理理解；解題技巧

中圖分類號：G632"" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A"" 文章編號：1008-0333（2024）19-0123-03

收稿日期：2024-04-05

作者簡介：陸月（1980.3—），女，江蘇省濱海人，本科，中學(xué)一級教師，從事高中化學(xué)教學(xué)研究

高中電化學(xué)主要包括原電池和電解池的工作原理、電極反應(yīng)式的書寫、電解方程式的書寫、電子轉(zhuǎn)移的表示方法以及電化學(xué)的簡單計(jì)算等內(nèi)容，是氧化還原反應(yīng)的進(jìn)一步深化與實(shí)踐應(yīng)用，對于高中生化學(xué)能力要求較高.并且部分內(nèi)容較為抽象，需要學(xué)生也能夠充分理解[1].為確保學(xué)生能夠理解、記憶并熟練運(yùn)用電化學(xué)知識(shí)，教師需要幫助學(xué)生更深入理解電化學(xué)原理，并能夠?qū)⑵涫炀氝\(yùn)用到解題過程中.

1 原電池工作原理與解題技巧

1.1 原電池工作原理

原電池的工作原理是利用化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，為自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng).具體來說，原電池由兩個(gè)電極（正極和負(fù)極）以及電解質(zhì)溶液組成[2]，其工作原理如圖1所示.

1.2 原電池習(xí)題解題技巧

原電池是高中化學(xué)中非常重要的知識(shí)點(diǎn)之一，也是高考中的重點(diǎn)和難點(diǎn).此類題目主要考查學(xué)生對原電池工作原理的掌握程度，包括能否正確判斷原電池的正負(fù)極、能否正確書寫電極反應(yīng)式，以及能否正確判斷原電池中正負(fù)離子的移動(dòng)方向等.在書寫電極反應(yīng)式時(shí)，需要遵循書寫規(guī)則和技巧，確保電子轉(zhuǎn)移數(shù)和電荷守恒的準(zhǔn)確性.

例1 如圖2所示，為VB2（堿性硼化釩）——空氣電池，總反應(yīng)方程式為：11O2+4VB2+20OH-+6H2O4VO3-4+8B（OH）-4，則下列說法中錯(cuò)誤的是（" ）.

A.原電池正常工作時(shí)，OH-移動(dòng)方向?yàn)檎龢O至負(fù)極

B.電流方向?yàn)閺?fù)合碳電極→負(fù)載→堿性硼化釩電極，電子方向相反

C.負(fù)極反應(yīng)式為：

16OH-+VB2-11e-=4VO3-4+2B（OH）-4+4H2O

D.當(dāng)參與反應(yīng)的O2量為0.448 L時(shí)，電子轉(zhuǎn)移為0.12 mol

答案：D

解析 從題干上來看，該題為原電池類型習(xí)題，而根據(jù)已知條件中總反應(yīng)方程式可知，VB2（堿性硼化釩）為負(fù)極，復(fù)合碳電極為正極，A項(xiàng)，OH-為陰離子，移動(dòng)方向?yàn)樨?fù)極，正確；B項(xiàng)，根據(jù)原電池工作原理，電流方向?yàn)檎龢O至負(fù)極，電子流方向?yàn)樨?fù)極至正極，通過上述分析可知，VB2（堿性硼化釩）為負(fù)極，復(fù)合碳電極為正極，正確；C項(xiàng)，正極發(fā)生氧化反應(yīng)，方程式為：2H2O+4e-4OH-，利用總反應(yīng)方程式減去正極反應(yīng)方程式，正確；D項(xiàng)，復(fù)合碳電極為正極，氧氣與電子數(shù)之比為1∶4，故O2量為0.448 L時(shí)，電子轉(zhuǎn)移應(yīng)為0.02 mol，錯(cuò)誤.

2 電解池工作原理與解題技巧

2.1 電解池工作原理

電解池的工作原理是利用電解作用將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，即將電解質(zhì)溶液中的物質(zhì)進(jìn)行氧化還原反應(yīng).在電解池中，電流通過外接電源和電極，使電子從負(fù)極流向正極，從而引發(fā)氧化還原反應(yīng).電解池由外接電源、電解質(zhì)溶液、陰陽電極以及導(dǎo)線組成[3].當(dāng)電解池接通外接電源后，電子從負(fù)極流向?qū)Ь€，再通過電解質(zhì)溶液傳遞到正極，形成電流回路.在電極上，電子的傳遞導(dǎo)致陽離子在陰極上得到電子發(fā)生還原反應(yīng)，陰離子在陽極上失去電子發(fā)生氧化反應(yīng).電解過程中，陽離子向陰極移動(dòng)，并在陰極上獲得電子釋放出能量，從而發(fā)生還原反應(yīng)；陰離子向陽極移動(dòng)，并在陽極上失去電子吸收能量，從而發(fā)生氧化反應(yīng).

2.2 電解池類習(xí)題解題技巧

根據(jù)電解池工作原理，通常使用活潑金屬為陽極，即元素周期表中鉑以前的金屬[4].而陰極發(fā)生還原反應(yīng)，陰極材料一般不參與反應(yīng)，因此解答此類題型時(shí)，可以從電解池陰極入手，快速判斷電解池陰陽極.

例2 如圖4所示，a、b極均為惰性材料，該裝置主要作用為制備過氧化氫（H2O2），所用原料為去離子水與氧氣（O2），忽略溫度變化影響，則下列說法錯(cuò)誤的是（" ）.

A.a、b反應(yīng)過程中產(chǎn)生與消耗的氧氣（O2）摩爾比為1∶2

B.電解反應(yīng)過程中，陰極室pH值下降

C.陰極反應(yīng)式：4H++2O2+4e-2H2O2

D.陽極產(chǎn)生1 mol O2，陰極電子轉(zhuǎn)移4 mol

答案：B

解析 從圖中可以看出，在裝置右側(cè)，O2進(jìn)入裝置，生成H2O2，氧元素化合價(jià)降低，說明裝置右側(cè)發(fā)生還原反應(yīng)，b極為陰極，連接電源負(fù)極；a極為陽極，連接電源正極.則陽極反應(yīng)式為2H2O-4e-4H++O2，陰極反應(yīng)為4H++2O2+4e-2H2O2.A項(xiàng)，根據(jù)陰陽極反應(yīng)式可知，電子轉(zhuǎn)移數(shù)相同，氧氣比為1∶2，正確；B項(xiàng)，根據(jù)陽極反應(yīng)式，生成H+，通過質(zhì)子交換膜轉(zhuǎn)移至左側(cè)陰極室，則pH不變.錯(cuò)誤；C項(xiàng)，根據(jù)上述分析，正確；D項(xiàng)，通過上述陰陽極反應(yīng)式，正確.

3 原電池與電解池組合裝置解題技巧

高考中，為考查學(xué)生電化學(xué)知識(shí)掌握情況，通常會(huì)以前沿電化學(xué)知識(shí)為背景，通過設(shè)置原電池與電解池組合裝置類題型，考查學(xué)生解決綜合問題、復(fù)雜問題的能力[5].不論題型如何變換，此類題型的基礎(chǔ)還是電子的轉(zhuǎn)移、離子的移動(dòng)、電極反應(yīng)等知識(shí).在解答這類題目時(shí)，學(xué)生需要準(zhǔn)確地識(shí)別出原電池和電解池的類型，以及各個(gè)電極的名稱和功能；根據(jù)題目的描述，分析反應(yīng)過程，明確各電極上發(fā)生的反應(yīng)和物質(zhì)的變化；綜合運(yùn)用所學(xué)的電化學(xué)知識(shí)，結(jié)合題目的具體情境進(jìn)行分析和推理.

例3 如圖5所示為新型 Zn-CO2 水介質(zhì)電池，電極為選擇性催化材料與金屬鋅.該電池在充電過程中，能夠?qū)⑺D(zhuǎn)化為氧氣等物質(zhì)，是當(dāng)前解決能源污染的新型手段.根據(jù)圖示結(jié)構(gòu)，則下列說法不正確的是（" ）.

A.充電時(shí)，正極溶液中氫離子濃度降低

B.充電式，陰極反應(yīng)為Zn（OH）2-4+2e-Zn+4OH-

C.放電時(shí)，總反應(yīng)式為Zn+2OH-+CO2+2H2O2Zn（OH）2-4+HCOOH

D.放電時(shí)，每產(chǎn)生1 mol HCOOH，則電子轉(zhuǎn)移2 mol

答案：A

解析 此題型為原電池與電解池混合類題目，根據(jù)充、放電，電池的類型也發(fā)生變化.A項(xiàng)，充電時(shí)的電極反應(yīng)式為2H2O-4e-4H++O2↑，可以看出產(chǎn)物中存在4H+，錯(cuò)誤；B項(xiàng)，充電式，Zn（OH）2-4經(jīng)過反應(yīng)，被轉(zhuǎn)化為Zn，正確；C項(xiàng)，可分別寫出放電時(shí)正負(fù)極反應(yīng)方程式，結(jié)合得到總反應(yīng)方程式，正確.D項(xiàng)，根據(jù)總反應(yīng)式，放電時(shí)，消耗CO2，生成HCOOH，錯(cuò)誤.

4 電極反應(yīng)式書寫與解題技巧

高中電化學(xué)反應(yīng)方程式書寫通常

在高考中以新型電池能源案例分析題型出現(xiàn)，主要集中在填空題中.而高中階段學(xué)生對于新型電池能源較為陌生，因此在書寫電極反應(yīng)方程式過程中，難以把握關(guān)鍵要點(diǎn).為提高學(xué)生電極反應(yīng)式書寫正確率，教師需要注重引導(dǎo)學(xué)生正確判斷題目中的正負(fù)、陰陽電極，可以從反應(yīng)過程中電子的得失入手，找到電化學(xué)反應(yīng)中的氧化劑、還原劑以及反應(yīng)產(chǎn)物，從而能夠輕松地完成解題，并正確書寫電極反應(yīng)式.

例4 新型鋅——空氣燃料電池中，電解質(zhì)溶液為KOH，總反應(yīng)式為2Zn+O2+4OH-+2H2O2Zn（OH）2-4.根據(jù)題目，完成下列問題：

（1）電源負(fù)極反應(yīng)式為：.

（2）該新型電池放電過程中，內(nèi)部轉(zhuǎn)移了4 mol電子，則標(biāo)準(zhǔn)狀況下，消耗氧氣量為.

答案：（1）Zn-2e-+4OH-2Zn（OH）2-4

（2）22.4 L

解析 在題目已知條件中，給出了原電池總反應(yīng)方程式，分析可知，該原電池為金屬鋅失去電子，通過原電池負(fù)極氧化反應(yīng)，失去電子，可以判斷金屬鋅為負(fù)極.另外，根據(jù)題目電解質(zhì)溶液為KOH，呈堿性，故反應(yīng)過程中不可能生成H+.經(jīng)分析，可書寫負(fù)極化學(xué)反應(yīng)方程式為Zn-2e-+4OH-2Zn（OH）2-4.第（2）問中，根據(jù)總反應(yīng)方程式可知，1 mol金屬鋅反應(yīng)失去4 mol電子，1 mol O2反應(yīng)失去4 mol電子，則在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，經(jīng)換算需要消耗22.4 L O2.

5 結(jié)束語

綜上所述，教師在教學(xué)過程中，需要注重引導(dǎo)學(xué)生加強(qiáng)基礎(chǔ)知識(shí)記憶與理解，根據(jù)具體題型，分析電化學(xué)的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，通過有效引導(dǎo)，加強(qiáng)學(xué)生解決問題的思維框架構(gòu)建能力，熟悉題型類別，幫助學(xué)生快速完成題型解答.

參考文獻(xiàn)：

［1］ 李行利，路小彬.建構(gòu)電化學(xué)解題模型，高效突破高考習(xí)題[J].廣州化工，2023，51（13）：243-246.

[2] 王永波.高考電化學(xué)理論知識(shí)的解題技巧研究[J].人文之友，2019（14）：167.

[3] 徐依，王海勤.高考化學(xué)電化學(xué)專題復(fù)習(xí)方法及解題策略[J].招生考試之友，2023（24）：44-47.

[4] 蘇莉.構(gòu)建解題模型速解電化學(xué)問題[J].高中數(shù)理化，2021（23）：68-69.

[5] 袁李李，朱懷義.電解原理的理解與運(yùn)用[J].數(shù)理化解題研究，2021（1）：100-101.

［責(zé)任編輯：季春陽］