高考“寵兒”——化學能與電能的命題特點及解決對策

◇　河北　顏建河

(作者單位：河北省衡水市故城縣教育局教研室)

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高考“寵兒”
——化學能與電能的命題特點及解決對策

◇河北顏建河

電化學是高考命題的熱點之一,試題多以選擇題為主,同時也穿插在非選擇題中．電化學的知識內容既可以涉及物理知識的應用,也可以與生產生活、新科技及新技術等問題相聯系,是不可忽略的一個知識點．所考查的內容多以原電池的工作原理、電解產物判斷、電池反應方程式的書寫、離子的移動方向、溶液的pH變化、金屬的腐蝕和防護為熱點．特別是可充電電池方面的信息遷移題更是高考的一大亮點,這類試題情境新、陌生度高,且知識切入點低、綜合性強,充分體現了高考化學科目考能力這一指導思想．為此,一定要立足基礎、重視課本核心知識的梳理與總結,充分利用典型例(習)題的講評,最終實現在運用(訓練)中掌握知識、提升能力．

1　原電池與電解池判斷方法

由于原電池與電解池的組成相似,電極反應的類型相同(均為氧化還原反應),以至于學生不能正確判斷哪種是原電池,哪種是電解池，如何區別呢?其方法如下:

1) 從能量轉化判斷.

原電池是把化學能轉化為電能的裝置,而電解池是把電能轉化為化學能的裝置．盡管它們的組成類似,但作用不同,原電池可用來產生電流,而電解池卻要消耗電能．

2) 從電極名稱判斷.

原電池的兩極分別叫正、負極,兩極名稱由電極材料決定,電極材料多為2種活動性不同的金屬(其中一種也可以是非金屬或某些氧化物),相對活動性強的金屬易失去電子為負極,活動性弱的難失去電子的為正極．例如,銅鋅原電池,活潑金屬鋅為負極,不活潑金屬銅為正極．

電解池的兩極分別叫陰、陽極,兩極名稱由外接直流電源決定,與外接直流電源負極相接的一極叫陰極,與外接直流電源正極相接的一極叫陽極．

3) 從電極反應判斷.

圖1

以銅鋅原電池和電解氯化銅溶液為例說明:

a)銅鋅原電池如圖1所示．

負極(鋅片)：電子流出的一極,其電極反應式為Zn-2e-=Zn2+(氧化反應);

正極(銅片)：電子流入的一極,其電極反應式為2H++2e-=H2↑ (還原反應)．

為了便于記憶可歸納為4個字:負氧正還．

圖2

b)氯化銅電解池(石墨作電極)如圖2所示．

陽極(C1)：與直流電源正極相接,其電極反應式為2Cl--2e-=Cl2↑(氧化反應);

陰極(C2)：與直流電源負極相接,其電極反應式為Cu2++2e-=Cu(還原反應)．

為了便于記憶可歸納為4個字:陽氧陰還．

4) 從電子流動方向判斷.

在原電池中,電子從負極流入正極．在電解池中,電子從直流電源負極流入陰極,通過電解質溶液到陽極,從陽極再回到直流電源的正極．

圖3

電解氯化銅溶液時,用石墨作電極,它在一般條件下不參加反應,故叫惰性電極．若把電極換成某種金屬,情況就不同了,電極本身要參加反應,如在氯化鋅溶液中,用鐵、鋅作電極如圖3所示．

陽極(鋅片)：與直流電源正極相接,電極反應式為Zn-2e-=Zn2+(氧化反應);

陰極(鐵片)：與直流電源負極相接,其電極反應式為Zn2++2e-=Zn(還原反應)．

經過一段時間的反應,鋅就沉積在鐵片的表面上,這就是電鍍．電鍍是電解原理的一種運用,電解和電鍍雖然陽極發生的都是氧化反應,但前者是電解質溶液的離子發生氧化反應,而后者是陽極本身發生的氧化反應,反應結果是消耗了陽極,而電解質溶液無變化．

綜上所述,原電池、電解池、電鍍池3種裝置的區別搞清楚了,判斷方法就可迎刃而解．

1) 單一裝置:a) 凡有外加直流電源的裝置,該裝置為電解池．若電極本身參加反應,則可能是電鍍池或電解精煉(需具體分析)．b) 無外加直流電源,兩電極用金屬(或一種非金屬或某些氧化物)放在電解質溶液里的裝置,就是原電池．用導線把兩極連接，該原電池開始工作,即產生電流．若不用導線把兩極連接,該原電池沒有工作,即不產生電流．如干電池沒有用導線把兩極連接起來,就沒有工作,即不產生電流,它仍然是原電池．

2) 復合裝置:a) 若有外加直流電源與幾個裝置串聯或并聯,則各個裝置都是電解池,若電極本身參加反應,則可能是電鍍池或電解精煉(需具體分析)．b) 若無外加直流電源,而是用導線把各池的電極串聯或并聯起來,要根據電極材料本身的相對活動性來決定．由于中學階段不學電極電位,一般活動性大的金屬作電極的裝置為原電池,與原電池相連的各池是電解池,若電極參加反應者,情況如前所述．如圖4所示，從電極材料本身看,鋁相對活動性大,B池為原電池,負極(Al):2Al-6e-=2Al3+;正極(Cu):3Cu2++6e-=3Cu．A池為電解池,陽極(Cu):Cu-2e-=Cu2+;陰極(Fe):2H++2e-=H2↑．電子由Al流到Fe,再由A池的Cu流到B池的Cu．再如圖5所示，電極材料中鐵的相對活動性大,所以A池為原電池．電極反應如下，負極(Fe):Fe-2e-=Fe2+;正極(Cu):2H++2e-=H2↑．電子由Fe流到C,再由B池的Cu流到A池的Cu．B池為電解池,電極反應如下，陽極(Cu):Cu-2e-=Cu2+;陰極(C):Cu2++2e-=Cu．經過一段時間,C電極上沉積一層銅．

圖4　　　　　　　　　　　　圖5

2　可充電電池核心知識分析

1) 可充電電池分為放電和充電2個過程．放電是原電池反應,其相關知識可依據原電池原理進行分析;充電是電解池反應,其相關知識可依據電解原理進行分析．

2) 判斷電池放電時的電極極性和材料,可先標出放電(原電池)總反應式電子轉移的方向和數目,失去電子的一極為負極,該物質為負極材料;得到電子的一極為正極,該物質為正極材料．判斷電池充電時的電極極性和材料,方法同前,失去電子的一極為陽極,該物質即為陽極材料;得到電子的一極為陰極,該物質即為陰極材料．

3) 書寫可充電電池電極反應時,一般都是先書寫放電的電極反應式．書寫時要遵循以下步驟:a)先標出原電池總反應式電子轉移的方向和數目,指出參與負極和正極反應的物質;b)寫出一個比較容易書寫的電極反應式(要注意電極產物是否與電解質溶液共存);c)要在遵循電子守恒的基礎上,用總反應式減去寫出的電極反應式即得另一電極反應式．對于充電的電極反應來說,其書寫方法與放電的電極反應過程相反,即充電的陽極反應為放電正極反應的逆過程,充電的陰極反應為放電負極反應的逆過程．

4) 判斷可充電電池的氧化還原過程,可根據電極反應式進行分析,放電(原電池)的負極及充電(電解池)的陽極均失去電子,其變價元素被氧化,發生了氧化反應，放電(原電池)的正極及充電(電解池)的陰極均得到電子,其變價元素被還原,發生了還原反應．

5) 對溶液中離子移動方向的判斷．放電時,陰離子移向負極,陽離子移向正極;充電時,陰離子移向陽極,陽離子移向陰極．

6) 可充電電池充電時與電源的連接關系.可充電電池用完后充電時,原電池的負極與外電源的負極相連,原電池的正極與外電源的正極相連．

(負極)(正極)

(陰極)(陽極)

根據上述電子轉移情況及電池相關知識,即可迅速寫出原電池和電解池的反應式．

當然,要解決好可充電電池方面的問題,其關鍵是必須認真閱讀題干、理解題示信息,切實把握好以下幾點:

1) 放電時按原電池原理進行分析,充電時按電解原理分析．

2) 充放電時電極與電源的連接不能錯位,即放電時的負極板,在充電時必須連接電源負極,作為陰極發生還原反應;放電時的正極板,在充電時連接電源正極,作為陽極發生氧化反應．這樣,才能達到兩塊極板經充電復原,成為可重復使用的充電電池．

3) 溶液中陰、陽離子移動方向是:a) 放電時陽離子移向正極,陰離子移向負極;b) 充電時陽離子移向陰極(-),陰離子移向陽極(+)．

4) 要注意電池所處的環境．

3　運用

涉及有關可充電電池方面的試題,是歷年高考化學學科的必考題型之一．為此,要解答好這方面的題目,其關鍵就在于能否正確書寫電極反應式,而電極反應式書寫的切入點則是放電時的電極反應式的書寫．倘若學生能熟練掌握上述相關知識,這方面的問題便可迅速解決．

請回答下列問題(不考慮氫、氧的氧化還原):

圖6

(1) 放電時:正極的電極反應式是________;電解液中H2SO4的濃度將變________;當外電路通過1mol電子時,理論上負極板的質量增加________g．

(2) 在完全放電耗盡PbO2和Pb時,若按圖6連接,電解一段時間后,則在A電極上生成________,B電極上生成________,此時鉛蓄電池的正負極的極性將________．

(1) 關于蓄電池的下列說法,不正確的是________．

① 放電時,Fe為負極; ② 充電時陽極電極反應式為Fe(OH)2+2e-=Fe+2OH-; ③ 放電時,電解質溶液中的陽離子向負極移動; ④ 充電時,Ni(OH)2的電極反應式為Ni(OH)2-2e-=NiO2+2H+; ⑤ 蓄電池的電極必須浸在堿性電解質溶液中．

(2) 以此蓄電池為電源,用鉑電極電解CuSO4溶液500mL．當蓄電池中電解質溶液質量減輕0.9g時,電解池(不考慮其他損耗)陰極上析出________,其質量為________g．若原CuSO4溶液的pH為5,電解后溶液體積的變化忽略不計,則電解后溶液的pH為________．

(負極)(正極)

(陰極)(陽極)

根據上述整合的信息及題中給予的條件,題中的各個問題便可迎刃而解．

(1) 根據上述電子轉移情況,可判斷出原電池的正、負極和電解池的陰、陽極,并由此判斷出只有①、④、⑤正確．蓄電池的電極必須浸在堿性電解質溶液

中,其原因是放電產生Fe(OH)2、Ni(OH)2必須存在于堿性環境中,且放電過程中產生的H+必須被立即中和掉．

(2) 以上述蓄電池為電源,用惰性電極電解CuSO4溶液,由于蓄電池中消耗的是0.9g水,則由關系式2e-～2H2O,可求出有0.05mol電子轉移．又因電解CuSO4溶液,其電極反應為:

(損耗4OH-,余下水電離出的4H+).

當電源輸出0.05mol電子時,陰極上析出Cu為0.025mol,其質量為1.6g．則溶液中增加H+0.05mol(損耗0.05mol水電離出的OH-)．故c(H+)=(0.05mol+10-5mol·L-1×0.5L)/0.5L=0.1mol·L-1,即pH=1．

(作者單位：河北省衡水市故城縣教育局教研室)