落實學科核心素養 破解高考試題難點——2019年高考電化學試題解析及解題策略

＞＞＞李長江 于 浩 張英鋒

(審稿：于海娟)

(本文責編：白志剛)

隨著《普通高中化學課程標準(2017版)》的出臺，近幾年高考化學試題的考查方式也穩中求變，不斷創新，其中電化學內容是每年的必考題目。試題類型延續以往的選擇題，在化學反應原理大題中與其他知識一起考查。試題情境來源于生活中的化學電源、研發中的新電池、實驗室及生產中的電化學裝置。在對基本知識考查的基礎上，更加突出對“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據推理與模型認知”“科學探究與創新意識”“科學態度與社會責任”五個方面化學學科核心素養的考查，對考生提出了更高的要求。本文選擇了部分2019年高考電化學典型試題進行詳細解析。

一、體現“證據推理與模型認知”的核心素養

1.電極的判斷及電極反應式的書寫

例1.(2019年全國卷Ⅱ第27題節選)(4)環戊二烯可用于制備二茂鐵(Fe(C5H5)2，結構簡式為)，后者廣泛應用于航天、化工等領域中。二茂鐵的電化學制備原理如下圖所示，其中電解液為溶解有溴化鈉(電解質)和環戊二烯的DMF溶液(DMF為惰性有機溶劑)。

該電解池的是極為____，總反應為____。電解制備需要在無水條件下進行，原因為___。

解析：需要獲得Fe2+，收是極為Fe電極；根據題干信息Fe-2e-=Fe2+，電解液中Na+反應前后不發生變化，所以起到催化劑的作用，使得環戊二烯在陰極得電子生成氫氣，與Fe2+結合生成二茂鐵，故電極反應式為Fe+2+H2↑；電解必須在無水條件下進行，因為中間產物Na會與水反應生成NaOH和H2，Fe2+與OH-結合生成Fe(OH)2。此題需要根據得失電子判斷電解池兩極，再根據題中信息找準反應物與產物，最后配平電極反應式。

對于信息題中電極反應式的書寫，考生首先要掌握電解池的“模型”：電解池的兩個電極是陽極和陰極，陽極失電子發生氧化反應，陰極得電子發生還原反應。然后依據電解池“模型”，結合題中信息分析出電極，確定反應物、生成物和最終產物。同時需要注意，質量守恒：電極反應式兩端原子的個數相等；電荷守恒：電極反應式兩端的電荷數相同。

2.對原電池、電解池工作原理的考查

例2.(2019年全國卷Ⅲ第13題)為提升電池循環效率和穩定性，科學家近期利用三維多孔海綿狀Zn(3D-Zn)可以高效沉積ZnO的特點，設計了采用強堿性電解質的3D-Zn-NiOOH二次電池，結構如圖所示。電池反應為Zn(s)+2NiOOH(s)+H2O(l)ZnO(s)+2Ni(OH)2(s)。下列說法錯誤的是( )

A.三維多孔海綿狀Zn具有較高的表面積，所沉積的ZnO分散度高

B.充電時是極反應為Ni(OH)2(s)+OH-(aq)-e-=NiOOH(s)+H2O(l)

C.放電時負極反應為Zn(s)+2OH-(aq)-2e-=ZnO(s)+H2O(l)

D.放電過程中OH-通過隔膜從負極區移向正極區

答案：D。

解析：根據題目中提示“利用三維多孔海綿狀Zn(3D-Zn)可以高效沉積ZnO的特點”可知，三維多孔海綿狀Zn具有較高的表面積，所沉積的ZnO分散度高，A正確；充電相當于是電解池，是極發生失去電子的氧化反應，根據總反應式可知是極是Ni(OH)2，失去電子轉化為NiOOH，電極反應式為Ni(OH)2(s)+OH-(aq)-e-=NiOOH(s)+H2O(l)，B正確；放電時相當于是原電池，負極發生失去電子的氧化反應，Zn作負極反應生成ZnO，根據總反應式可知負極的電極反應式為Zn(s)+2OH-(aq)-2e-=ZnO(s)+H2O(l)，C正確；放電時，負極上失電子，電子通過導線到達正極，溶液中OH-陰離子通過隔膜從正極區移向負極區，故D錯誤。

要解決題目中的問題，考生首先要掌握原電池、電解池工作原理的“模型”：原電池的負極失電子，電子通過導線到達正極，形成電流，而在電解質溶液中是離子的定向移動形成電流，陽離子向正極移動，陰離子向負極移動；電解池的陽極失電子，電子通過導線到達陰極，形成電流，在電解質溶液中，陽離子向陰極移動，陰離子向陽極移動。解題時要根據原電池、電解池工作原理的“模型”，結合題目中的情境，然后分析選項得出答案。

以上試題側重考查“證據推理與模型認知”的化學學科核心素養，要求考生對原電池、電解池的工作“模型”非常熟悉。建議考生復習中要學會構建“模型”，深刻理解“模型”中的相關信息。要能把已建構的“模型”運用到具體的情境中去。這就要求考生在平時加強訓練，多接觸各種情境，提高閱讀能力、提取信息的能力和分析問題解決問題的能力，進而能在具體情境中解決問題。

二、體現“宏觀辨識與微觀探析”的核心素養

例3.(2019年全國卷Ⅲ第28題，節選)在傳統的電解氯化氫回收氯氣技術的基拙上，科學家最近采用碳基電極材料設計了一種新的工藝方案，主要包括電化學過程和化學過程，如圖所示：

負極區發生的反應有____(寫反應方程式)。電路中轉移1 mol電子，需消耗氧氣___L(標準狀況)。

答案：Fe3++e-=Fe2+、4Fe2++O2+4H+=4Fe3++2H2O；5.6。

解析：根據圖示，電解池左側發生反應Fe3++e-=Fe2+，該反應為還原反應；收圖中左側為負極反應，負極通入氧氣后Fe2+被O2氧化成Fe3+，該反應為4Fe2++O2+4H+=4Fe3++2H2O。根據電子守恒及4Fe2++O2+4H+=4Fe3++2H2O可知，電路中轉移4 mol電子消耗1 mol O2，收轉移1 mol電子消耗0.25 mol O2，其在標準狀況下的體積為：22.4 L/mol×0.25 mol=5.6 L。

本題側重考查“宏觀辨識與微觀探析”化學學科核心素養。要求考生將宏觀的電流和微觀的電子、離子定向移動結合在一起，運用宏微結合的思想解題。因為該電路中各處的電流都是一樣的，所以，在電路中定向移動的電子、離子所帶的電荷總數也是一樣的。考生在平時的復習中，不但要掌握宏觀知識，更要理解宏觀知識的微觀本質。

三、體現“科學態度與社會責任”的核心素養

例4.(江蘇卷化學第20題，節選) CO2的資源化利用能有效減少CO2排放，充分利用碳資源。

(2)電解法轉化CO2可實現CO2資源化利用。電解CO2制HCOOH的原理示意圖如下。

①寫出陰極CO2還原為HCOO-的電極反應式：____。

②電解一段時間后，是極區的KHCO3溶液濃度降低，其原因是____。

答案：①CO2+H++2e-=HCOO-或 CO2+

②是極產生 O2，pH減小，HCO3-濃度降低；K+部分遷移至陰極區

解析：①電解池的陰極得電子發生還原反應，所以CO2在陰極得電子生成HCOOH，電極反應式為CO2+H++2e-=HCOO-或CO2+HCO3-+2e-=HCOO-+CO32-。②是極失電子發生氧化反應，發生4OH--4e-=O2↑+2H2O反應，消耗H2O中的OH-，H2O中的H+和溶液中的HCO3-發生HCO3-+H+=H2O+CO2↑反應，消耗 HCO3-，所以是極產生 O2，pH減小，HCO3-濃度降低；因為是是離子交換膜，所以溶液中的K+通過是離子交換膜向陰極移動。

例5.(北京理綜卷第27題，節選)氫能源是最具應用前景的能源之一，高純氫的制備是目前的研究熱點。

(2)可利用太是能光伏電池電解水制高純氫，工作示意圖如下。通過控制開關連接K1或K2，可交替得到 H2和 O2。

①制H2時，連接____。產生H2的電極反應式是___。

②改變開關連接方式，可得O2。

③結合①和②中電極3的電極反應式，說明電極3的作用：___。

答案：①K12H2O+2e-=H2↑+2OH-

③制H2時，電極3發生反應：Ni(OH)2+OH--e-=NiOOH+H2O。制O2時，上述電極反應逆向進行，使電極3得以循環使用。

解析：①電極生成H2時，根據電極放電規律可知H+得到電子變為氫氣，這是電解池的陰極反應，因而電極須連接電源的負極作陰極，所以制 H2時，連接 K1，該電池在堿性溶液中，由 H2O提供 H+，電極反應式為2H2O+2e-=H2↑+2OH-。③電極 3上 NiOOH 和Ni(OH)2相互轉化，其反應式為NiOOH+e-+

H2ONi(OH)2+OH-，當連接 K1時，Ni(OH)2失去電子變為NiOOH，當連接K2時，NiOOH得到電子變為Ni(OH)2，因而作用是連接K1或K2時，電極3分別作為是極材料和陰極材料，并且NiOOH和Ni(OH)2相互轉化提供電子轉移。

本題側重考查“科學態度與社會責任”化學學科核心素養。無論是CO2的資源化利用還是氫能的開發利用，都是當今社會的熱點問題，而學會分析和解決環保、能源等社會問題，是化學學習的一個重要目標。對社會問題的關注可以增強考生的社會責任感，增強學習化學的動力。考生要想答好這類題目就要做到兩點：其一，要關注與化學有關的社會熱點問題，平時多搜集相關資料，并總結歸類。其二，要對搜集到的問題進行分析處理，不斷提高自己分析問題、解決問題的能力。