基于核心內容的電化學知識復習

◇　北京　陶秀梅(特級教師)

(作者單位：北京市第十八中學)

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基于核心內容的電化學知識復習

◇北京陶秀梅(特級教師)

電化學是高中化學的重點內容,是最能體現化學源于生活并服務于生活和社會,體現化學有用性和真實價值的具體實例,近幾年高考對電化學內容的考查,越來越關注對核心知識的理解和具體應用的真實價值．因此,在高三的復習中,要強化對基礎知識的認識和熟練,使知識更加系統化和網絡化;要強化把學科知識轉化為學科能力,加深對學科思想的理解．下面談一談在電化學專題復習中要落實的幾項內容.

1　為什么要研究化學能與電能的相互轉化

電化學在能量轉換、物質合成、防止金屬腐蝕等方面應用廣泛,通過電化學的學習和研究能夠解決生產、生活、科學技術活動中的真實問題,感受化學可以使生活更美好．2015年作為全世界薄膜發電領域最大的公司漢能集團成為中國內地資產首富,足以說明電化學在國民經濟中占有多么重要的地位．

1.1利用電化學原理可以改造傳統能源和開發新能源，設計各種新型電池

例如:鋰離子電池見圖1，染料敏化太陽能電池見圖2，鎂-次氯酸鹽燃料電池見圖3.還有各種燃料電池及新型電池的開發利用,為改造傳統能源和開發新能源提供了有力理論支持．

圖1

1.2利用電化學原理可以更加綠色地制取新物質，解決環境問題

圖4

分析通常工業上制取NH4NO3通過以下流程完成:

這種方法反應環節多、生產效率低,在生產過程中容易產生有害物質造成大氣污染．若用電解NO的方法,則可以減少反應步驟和環節、減少污染物的排放,生產效率高,是一種非常好的辦法．

圖5

分析a室發生陽極反應:

2H2O-4e-=4H++O2↑;

H+從a室進入b室,發生反應:

此時b室排出海水的pH<6.

c室發生陰極反應

2H2O+2e-=2OH-+H2↑,

生成的OH-與pH<6的海水中和,合格后排回大海．

通過典型例題的練習和電化學前沿內容的拓展,體會到應用電化學原理通過裝置的設計,克服了傳統工業在生產過程中的生產效率低、易造成大氣污染等問題,實現了能量的高效轉化,既體現了化學的有用性,又開拓學生視野,激發學生的學習熱情．

2從原理、技術、應用層面認識化學能與電能的轉化

在《選修4》教材中是這樣描述電化學的:電化學是研究化學能與電能相互轉化的裝置、過程和效率的科學．也就是說在高中階段不僅要求理解原理,還要對技術和應用層面的問題有所領悟．在《必修2》及《選修4》階段的學習中,大家已經明確了通過設計可以使自發的氧化還原反應中的電子定向移動,獲得電流;知道了電流可以引發氧化還原反應,電解法是最強有力的氧化還原手段;還知道了通過改進工藝設計,可以提高能量的轉化效率．

圖6

A該過程是將太陽能轉化為化學能的過程;

B催化劑a表面發生氧化反應,有O2產生;

C催化劑a附近酸性減弱,催化劑b附近酸性增強;

D催化劑b表面的反應是

CO2+2H++2e-=HCOOH

分析試題以人工光合作用為背景,提供了一個類似于電解池構型的光解池,素材陌生度高,情景呈現方式新穎,要想準確作答,需要從原理、技術、應用等層面加以理解,圖7為利用人工光合作用制造“太陽能燃料”的原理.

甲　原理圖　　　　　　　　乙　原理放大圖

丙　原理簡圖　圖7

在復習時要注意思考:

1) 這種裝置從電化學角度看,它的名稱是什么?為什么?

2) 電極總反應是什么?

3) 如果沒有原理圖,如何寫出電極總反應?

4)a、b電極名稱是什么?怎樣寫出a電極所發生的電極反應?

5) ① 該過程是將太陽能轉化為________能的過程.② 催化劑b表面的反應________.③ 催化劑a附近酸性減弱,催化劑b附近酸性增強的原因是什么?

通過對試題的完整分析,可以總結、建構電化學內容的學習規律，電化學的核心內容就是利用氧化還原反應原理,將導線中的電子與電解質中的離子,通過一定的工藝設計使其分別在電池的2個不同區域得失電子，發生氧化還原反應,通過氧化和還原反應實現電子導電與離子導電的轉換,使整個裝置形成“通路”,達到化學能與電能相互轉化的目的．

工業上對電池的表述更加廣泛, 即電池是一種化學電源,它由2種不同成分的電化學活性電極分別組成正負極,兩電極浸泡在能提供媒體傳導作用的電解質中,當連接在某一外部載體上時,通過轉換其內部的化學能來提供電能．通過反應將化學能或物理能轉化為電能,是一種能量轉化與儲存的裝置．

2.1電化學內容認知模型

明確電池的4要素: 1)電子導體(導線); 2)離子導體(電解質); 3)電極材料(金屬、非金屬、新型材料); 4)電極反應(氧化或還原反應).

圖8

研究電化學要從原理、裝置、微粒的運動和變化等角度全面分析．

1) 回顧最基本的銅-鋅-硫酸原電池找出構成原電池的基本要素．

2) 通過雙液電池的分析,鞏固建立基本模型,弄清模型中各要素的內容,理清關系．

3) 利用蓄電池實例,訓練解決實際問題的能力．

2.2研究電化學的一般步驟

通過基礎知識的復習和解題訓練,明確研究電化學的一般步驟,如圖9所示.

圖9

圖10

(1)Pt電極上發生的是________反應(填“氧化”或“還原”)．

(2)寫出NiO電極的電極反應式________．

分析1) 確定研究的是什么電池.仔細觀察電池的工作原理示意圖,沒有外加電源,是原電池．

2) 判斷電池的電極.電池Pt電極通入的是O2變為O2-,元素化合價降低,得電子,發生的是還原反應,判斷是正極．NiO電極NO轉化為NO2,元素化合價升高,失去電子,發生的是氧化反應,判斷是負極．

3) 書寫電極反應式.結合題設的情境,電極反應式為:

正極:O2+4e-=2O2-還原反應.

負極:NO+O2--2e-=NO2氧化反應.

書寫電極反應式是電化學內容考查的重點,也是出現問題最多的知識點,感覺是最難應付的．試題中要求書寫的電極反應大多數情況是陌生的氧化還原方程式,書寫的步驟歸納為:

a) 認真閱讀試題,有效提取題目信息,基于裝置功能明確是得電子還是失電子?找出反應物和生成物．

b) 哪種物質(微粒)得、失電子?得、失多少電子?電極周圍還有哪些粒子?這些粒子處于什么環境中,能否繼續反應?生成什么?

c) 補全反應式中所缺的物質或離子(一般補H2O、H+、OH-)．

4) 檢查.完成電極反應式的配平,要從定性(元素種類、電荷種類、化合價變化等)、定量(電子守恒、電荷守恒、元素守恒)方面考慮．

(2)當陰極室中溶液pH升至8以上時,吸收液再生并循環利用．簡述再生原理______________．

圖11

從上述例題的解題過程可以看出,如果掌握了電化學知識的認知模型和解題的一般思路,通過仔細觀察、認真思考就能夠準確、快速地解答．

3從宏觀、微觀、符號3個層次理解并實現有機融合

電化學內容突出體現了宏觀、微觀、符號三重表征的有機融合．電化學中對電池反應中的現象及產物的判斷是宏觀上的,電子和離子等微觀粒子的移動、鹽橋的知識需要運用微粒觀理解,而電離方程式、電極反應式等化學語言的呈現需要抽象思維能力．因此在復習中要通過恰當的模式和策略,做到知其然又知其所以然,并且能夠準確表達．

在復習中要時刻不忘三重關系的分析與表達,還要訓練書寫的規范和考慮問題的全面等．

綜合所述,在高三電化學專題復習過程中,首先要重新審視所學的內容,從整體角度對必修及選修教材相關內容進行分析,在深刻理解氧化還原反應本質的基礎上,從能量轉化與守恒及微觀粒子的運動與反應的角度,建立電化學的認知體系,再結合高考試題進行深入研究,在復習中落實鞏固,使體系更加完善,應用更加自如,提升知識的遷移能力,深刻領會電化學的核心內容,做到以不變應萬變．

(作者單位：北京市第十八中學)