評析一道2013年高考理綜化學試題
2014-02-20 01:27:46陳筱勇
化學教學 2014年1期
陳筱勇
摘要：剖析了一道2013年新課標高考理綜化學試卷第28（5）小題的命題意圖，作了該試題解析，并由此得出了相關的教學啟示。
關鍵詞：高考；試題評析；教學啟示
文章編號：1005–6629（2014）1–0074–02 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B
題目：2013高考新課標[28.（5）]二甲醚直接燃料電池具有啟動快、效率高等優點，其能量密度高于甲醇直接燃料電池（5.93 kW·h·kg-1）。若電解質為酸性，二甲醚直接燃料電池的負極反應為 ，1個二甲醚分子經過電化學氧化，可以產生 個e-的電量；該電池的理論輸出電壓為1.20 V，能量密度E= （列式計算。能量密度=電池輸出電能/燃料質量，l kW·h=3.6×106 J）。
1 命題意圖分析
試題考查原電池電極方程式的書寫、化學計量在化學實驗中的應用以及物理學中的電學知識等等，命題思路新穎，體現了新課標的教學要求，是一道化學學科與物理學科綜合的經典案例。目前全國各地的高考理綜試卷，絕大部分試卷是將理、化、生簡單的拼卷，規定考生在150分鐘內完成，沒有實質上的綜合。從簡單的理化生拼卷到實質上的綜合，這才是今后全國各地高考理綜考試卷發展的必經之路[1]。
電池的能量密度源于化學選修4課本第75頁，教材介紹了電池優劣的判斷標準：單位質量或單位體積的電池所儲存的能量多少，叫能量密度即比能量；單位質量或單位體積的電池所輸出功率的多少，叫功率密度即比功率。它們的計算公式分別為：比能量=電壓×電流×該狀態下所能持續放電的時間/體積（或質量）、比功率=最大放電電流×該狀態下所能持續放電的時間/質量（或體積）。
例如5號鎳鎘電池的額定電壓為1.2 V，其容量為800 mAh，則其能量為0.96 Wh（1.2 V×0.8 Ah）。同樣尺寸的5號鋰-二氧化錳電池的額定電壓為3 V，其容量為1200 mAh，則其能量為3.6 Wh。這兩種電池的體積是相同的，因此鋰-二氧化錳電池的比能量是鎳鎘電池的3.75倍。
2 試題解析
由題給的直接燃料電池的能量密度的計算公式和甲醇直接燃料電池的能量密度（5.93 kW·h·kg-1）得知，試題中二甲醚直接燃料電池的能量密度的計算只要計算出1 kg二甲醚輸出的電能即可。
若電解質為酸性介質如H2SO4溶液，燃燒產物CO2不會被稀H2SO4吸收，二甲醚直接燃料電池的負極發生氧化反應，反應的電極方程式為：CH3OCH3+3H2O-12e-=2CO2+12H+，顯然1個二甲醚分子經過電化學氧化，可以產生12個e-的電量；
1 kg二甲醚的物質的量n=1000/46 mol，可以產生的1000/46×12×6.02×1023個e-的電量，1個e-的電量為1.602×10-19 C。
1 kg二甲醚輸出的電能：W=UIt=Uq=1.20×1000/46×12×6.02×1023×1.602×10-19 J
=3.02×107 J
=3.02×107/3.6×106（kW·h）
=8.39 kW·h
二甲醚直接燃料電池能量密度或比能量E=8.39 kW·h·kg-1
用同樣的方法，通過列式計算求出甲醇直接燃料電池的理論輸出電壓是多少？
若電解質為酸性，甲醇直接燃料電池的負極電極反應式為：
CH3OH+H2O-6e-=CO2+6H+，1個甲醇分子經過電化學氧化，可以轉移6個e-；
1 kg甲醇的物質的量n=1000/32 mol，可以轉移的1000/32×6×6.02×1023個e-的電量；
1個e-的電量是1.602×10-19 C，1 kg二甲醚輸出的電能：
W=UIt=Uq=U×1000/32×6×6.02×1023×1.602×10-19
=1.808×107 U
=1.808×107/3.6×106 U（kW·h·V-1）
=5.02 U（kW·h·V-1）
E=5.93 kW·h·kg-1=5.02 UkW·h·kg-1·V-1
U=1.18 V
若電解質為NaOH堿性溶液，甲醇直接燃料電池的負極反應為：CH3OH+8OH--6e-=CO3 2-+6H2O，同理也可算出理論輸出電壓是1.18 V；根據P=W/t，功率可以由電池輸出的電能換算得到，求出比功率。
3 教學啟示
在人教版教師用書中，幾乎沒有見到能量密度知識的介紹或拓展內容，教輔資料上幾乎看不到關于比能量、比功率等例題或試題，因此在新課標教學和高考復習時容易被師生忽視。
關注社會生產實際已成為中學化學教育的一個鮮明特征，新課程教材中更是將“化學與社會發展”內容列為一個重要的學習內容，因此在高考試題中已經或將要出現相應的以“化學、社會、生活及邊緣交叉科學”為情境的試題，筆者認為這是今后高考理綜試卷命題的“風向標”。因此，教師應該從新課程中挖掘關于“科學技術與社會發展”的元素，將化學知識的教學內容融入具體社會現象和解決現實社會問題之中，并適時地引導學生去尋找理化生交叉內容的潛在考點。
參考文獻：
[1]劉孝元. 2013年全國新課標理綜卷I化學試題“穩”“變”“新”[J].中學化學教學參考，2013，（7）：54～56.
摘要：剖析了一道2013年新課標高考理綜化學試卷第28（5）小題的命題意圖，作了該試題解析，并由此得出了相關的教學啟示。
關鍵詞：高考；試題評析；教學啟示
文章編號：1005–6629（2014）1–0074–02 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B
題目：2013高考新課標[28.（5）]二甲醚直接燃料電池具有啟動快、效率高等優點，其能量密度高于甲醇直接燃料電池（5.93 kW·h·kg-1）。若電解質為酸性，二甲醚直接燃料電池的負極反應為 ，1個二甲醚分子經過電化學氧化，可以產生 個e-的電量；該電池的理論輸出電壓為1.20 V，能量密度E= （列式計算。能量密度=電池輸出電能/燃料質量，l kW·h=3.6×106 J）。
1 命題意圖分析
試題考查原電池電極方程式的書寫、化學計量在化學實驗中的應用以及物理學中的電學知識等等，命題思路新穎，體現了新課標的教學要求，是一道化學學科與物理學科綜合的經典案例。目前全國各地的高考理綜試卷，絕大部分試卷是將理、化、生簡單的拼卷，規定考生在150分鐘內完成，沒有實質上的綜合。從簡單的理化生拼卷到實質上的綜合，這才是今后全國各地高考理綜考試卷發展的必經之路[1]。
電池的能量密度源于化學選修4課本第75頁，教材介紹了電池優劣的判斷標準：單位質量或單位體積的電池所儲存的能量多少，叫能量密度即比能量；單位質量或單位體積的電池所輸出功率的多少，叫功率密度即比功率。它們的計算公式分別為：比能量=電壓×電流×該狀態下所能持續放電的時間/體積（或質量）、比功率=最大放電電流×該狀態下所能持續放電的時間/質量（或體積）。
例如5號鎳鎘電池的額定電壓為1.2 V，其容量為800 mAh，則其能量為0.96 Wh（1.2 V×0.8 Ah）。同樣尺寸的5號鋰-二氧化錳電池的額定電壓為3 V，其容量為1200 mAh，則其能量為3.6 Wh。這兩種電池的體積是相同的，因此鋰-二氧化錳電池的比能量是鎳鎘電池的3.75倍。
2 試題解析
由題給的直接燃料電池的能量密度的計算公式和甲醇直接燃料電池的能量密度（5.93 kW·h·kg-1）得知，試題中二甲醚直接燃料電池的能量密度的計算只要計算出1 kg二甲醚輸出的電能即可。
若電解質為酸性介質如H2SO4溶液，燃燒產物CO2不會被稀H2SO4吸收，二甲醚直接燃料電池的負極發生氧化反應，反應的電極方程式為：CH3OCH3+3H2O-12e-=2CO2+12H+，顯然1個二甲醚分子經過電化學氧化，可以產生12個e-的電量；
1 kg二甲醚的物質的量n=1000/46 mol，可以產生的1000/46×12×6.02×1023個e-的電量，1個e-的電量為1.602×10-19 C。
1 kg二甲醚輸出的電能：W=UIt=Uq=1.20×1000/46×12×6.02×1023×1.602×10-19 J
=3.02×107 J
=3.02×107/3.6×106（kW·h）
=8.39 kW·h
二甲醚直接燃料電池能量密度或比能量E=8.39 kW·h·kg-1
用同樣的方法，通過列式計算求出甲醇直接燃料電池的理論輸出電壓是多少？
若電解質為酸性，甲醇直接燃料電池的負極電極反應式為：
CH3OH+H2O-6e-=CO2+6H+，1個甲醇分子經過電化學氧化，可以轉移6個e-；
1 kg甲醇的物質的量n=1000/32 mol，可以轉移的1000/32×6×6.02×1023個e-的電量；
1個e-的電量是1.602×10-19 C，1 kg二甲醚輸出的電能：
W=UIt=Uq=U×1000/32×6×6.02×1023×1.602×10-19
=1.808×107 U
=1.808×107/3.6×106 U（kW·h·V-1）
=5.02 U（kW·h·V-1）
E=5.93 kW·h·kg-1=5.02 UkW·h·kg-1·V-1
U=1.18 V
若電解質為NaOH堿性溶液，甲醇直接燃料電池的負極反應為：CH3OH+8OH--6e-=CO3 2-+6H2O，同理也可算出理論輸出電壓是1.18 V；根據P=W/t，功率可以由電池輸出的電能換算得到，求出比功率。
3 教學啟示
在人教版教師用書中，幾乎沒有見到能量密度知識的介紹或拓展內容，教輔資料上幾乎看不到關于比能量、比功率等例題或試題，因此在新課標教學和高考復習時容易被師生忽視。
關注社會生產實際已成為中學化學教育的一個鮮明特征，新課程教材中更是將“化學與社會發展”內容列為一個重要的學習內容，因此在高考試題中已經或將要出現相應的以“化學、社會、生活及邊緣交叉科學”為情境的試題，筆者認為這是今后高考理綜試卷命題的“風向標”。因此，教師應該從新課程中挖掘關于“科學技術與社會發展”的元素，將化學知識的教學內容融入具體社會現象和解決現實社會問題之中，并適時地引導學生去尋找理化生交叉內容的潛在考點。
參考文獻：
[1]劉孝元. 2013年全國新課標理綜卷I化學試題“穩”“變”“新”[J].中學化學教學參考，2013，（7）：54～56.
摘要：剖析了一道2013年新課標高考理綜化學試卷第28（5）小題的命題意圖，作了該試題解析，并由此得出了相關的教學啟示。
關鍵詞：高考；試題評析；教學啟示
文章編號：1005–6629（2014）1–0074–02 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B
題目：2013高考新課標[28.（5）]二甲醚直接燃料電池具有啟動快、效率高等優點，其能量密度高于甲醇直接燃料電池（5.93 kW·h·kg-1）。若電解質為酸性，二甲醚直接燃料電池的負極反應為 ，1個二甲醚分子經過電化學氧化，可以產生 個e-的電量；該電池的理論輸出電壓為1.20 V，能量密度E= （列式計算。能量密度=電池輸出電能/燃料質量，l kW·h=3.6×106 J）。
1 命題意圖分析
試題考查原電池電極方程式的書寫、化學計量在化學實驗中的應用以及物理學中的電學知識等等，命題思路新穎，體現了新課標的教學要求，是一道化學學科與物理學科綜合的經典案例。目前全國各地的高考理綜試卷，絕大部分試卷是將理、化、生簡單的拼卷，規定考生在150分鐘內完成，沒有實質上的綜合。從簡單的理化生拼卷到實質上的綜合，這才是今后全國各地高考理綜考試卷發展的必經之路[1]。
電池的能量密度源于化學選修4課本第75頁，教材介紹了電池優劣的判斷標準：單位質量或單位體積的電池所儲存的能量多少，叫能量密度即比能量；單位質量或單位體積的電池所輸出功率的多少，叫功率密度即比功率。它們的計算公式分別為：比能量=電壓×電流×該狀態下所能持續放電的時間/體積（或質量）、比功率=最大放電電流×該狀態下所能持續放電的時間/質量（或體積）。
例如5號鎳鎘電池的額定電壓為1.2 V，其容量為800 mAh，則其能量為0.96 Wh（1.2 V×0.8 Ah）。同樣尺寸的5號鋰-二氧化錳電池的額定電壓為3 V，其容量為1200 mAh，則其能量為3.6 Wh。這兩種電池的體積是相同的，因此鋰-二氧化錳電池的比能量是鎳鎘電池的3.75倍。
2 試題解析
由題給的直接燃料電池的能量密度的計算公式和甲醇直接燃料電池的能量密度（5.93 kW·h·kg-1）得知，試題中二甲醚直接燃料電池的能量密度的計算只要計算出1 kg二甲醚輸出的電能即可。
若電解質為酸性介質如H2SO4溶液，燃燒產物CO2不會被稀H2SO4吸收，二甲醚直接燃料電池的負極發生氧化反應，反應的電極方程式為：CH3OCH3+3H2O-12e-=2CO2+12H+，顯然1個二甲醚分子經過電化學氧化，可以產生12個e-的電量；
1 kg二甲醚的物質的量n=1000/46 mol，可以產生的1000/46×12×6.02×1023個e-的電量，1個e-的電量為1.602×10-19 C。
1 kg二甲醚輸出的電能：W=UIt=Uq=1.20×1000/46×12×6.02×1023×1.602×10-19 J
=3.02×107 J
=3.02×107/3.6×106（kW·h）
=8.39 kW·h
二甲醚直接燃料電池能量密度或比能量E=8.39 kW·h·kg-1
用同樣的方法，通過列式計算求出甲醇直接燃料電池的理論輸出電壓是多少？
若電解質為酸性，甲醇直接燃料電池的負極電極反應式為：
CH3OH+H2O-6e-=CO2+6H+，1個甲醇分子經過電化學氧化，可以轉移6個e-；
1 kg甲醇的物質的量n=1000/32 mol，可以轉移的1000/32×6×6.02×1023個e-的電量；
1個e-的電量是1.602×10-19 C，1 kg二甲醚輸出的電能：
W=UIt=Uq=U×1000/32×6×6.02×1023×1.602×10-19
=1.808×107 U
=1.808×107/3.6×106 U（kW·h·V-1）
=5.02 U（kW·h·V-1）
E=5.93 kW·h·kg-1=5.02 UkW·h·kg-1·V-1
U=1.18 V
若電解質為NaOH堿性溶液，甲醇直接燃料電池的負極反應為：CH3OH+8OH--6e-=CO3 2-+6H2O，同理也可算出理論輸出電壓是1.18 V；根據P=W/t，功率可以由電池輸出的電能換算得到，求出比功率。
3 教學啟示
在人教版教師用書中，幾乎沒有見到能量密度知識的介紹或拓展內容，教輔資料上幾乎看不到關于比能量、比功率等例題或試題，因此在新課標教學和高考復習時容易被師生忽視。
關注社會生產實際已成為中學化學教育的一個鮮明特征，新課程教材中更是將“化學與社會發展”內容列為一個重要的學習內容，因此在高考試題中已經或將要出現相應的以“化學、社會、生活及邊緣交叉科學”為情境的試題，筆者認為這是今后高考理綜試卷命題的“風向標”。因此，教師應該從新課程中挖掘關于“科學技術與社會發展”的元素，將化學知識的教學內容融入具體社會現象和解決現實社會問題之中，并適時地引導學生去尋找理化生交叉內容的潛在考點。
參考文獻：
[1]劉孝元. 2013年全國新課標理綜卷I化學試題“穩”“變”“新”[J].中學化學教學參考，2013，（7）：54～56.
