建思維模型 解電化學問題

廣東 劉漢國

《普通高中化學課程標準(2017年版2020年修訂)》指出，證據(jù)推理與模型認知是化學學科重要的核心素養(yǎng)之一。解決問題的思維模型對學生化學核心素養(yǎng)的提升起到很好的效果，在日常復習中讓學生學會建立解決問題的“方法類”思維模型可達到事半功倍的效果。

電化學是高中化學課程中重要的知識之一，是中學化學中最能體現(xiàn)化學源于生活并服務于生活的具體實例，故也是高考中的高頻重難點知識。此類試題有三大特點：一是取材新穎，考查學生分析問題、解決問題的能力；二是聯(lián)系生活，培養(yǎng)學生的知識遷移能力；三是結合實驗，考查學生創(chuàng)新能力、計算能力。電化學主要的考查方式為電極的判斷、電極方程式的判斷或書寫、充放電池的分析以及離子交換膜的分析等，但是由于該命題對能力的要求較高，使得學生得分率較低。本文通過構建判斷電極的思維模型、書寫電極方程式的思維模型、分析充放電池的思維模型和分析離子交換膜的思維模型，突破考查電化學知識的難點，供各位老師在教學時參考借鑒。

一、真題啟發(fā)，模型構建

高考真題是高考的風向標，真題研究對于把握高考方向、精準備考有重要的指導意義。通過對高考真題的研究，尋找快速、準確的解題方法，是高三老師備考的關鍵環(huán)節(jié)。

1.判斷電極思維模型的構建

對于電化學題目的分析，確定裝置為原電池還是電解池是首要任務，判斷電極是解題的關鍵。對于原電池，一般情況下，活潑金屬為負極，不活潑金屬為正極；化合價升高的電極區(qū)為負極，化合價降低的電極區(qū)為正極；電子在導線中從負極流向正極，陽離子在溶液中從負極流向正極；電極質量減少的一側為負極，電極上有氣體或質量增加的一側為正極。對于電解池，與電源正極相連為陽極，與負極相連為陰極；化合價升高的電極區(qū)為陽極，化合價降低的電極區(qū)為陰極；陽離子在溶液中從陽極流向陰極；電極質量減少為陽極，電極質量增加為陰極。構建判斷電極的思維模型如圖1所示。

圖1 判斷電極的思維模型

【例1】(2018·全國卷Ⅰ·13)最近我國科學家設計了一種CO2+H2S協(xié)同轉化裝置，實現(xiàn)對天然氣中CO2和H2S的高效去除。示意圖如圖所示，其中電極分別為ZnO@石墨烯(石墨烯包裹的ZnO)和石墨烯，石墨烯電極區(qū)發(fā)生反應為

該裝置工作時，下列敘述錯誤的是

( )

C.石墨烯上的電勢比ZnO@石墨烯上的低

D.若采用Fe3+/Fe2+取代EDTA-Fe3+/EDTA-Fe2+，溶液需為酸性

【答案】C

2.書寫電極方程式思維模型的構建

電極方程式的書寫或判斷是電化學的重要考查方式，也是學生的難點。在電極方程式的書寫時，首先根據(jù)題目信息或化合價升降等條件確定主要反應物，再根據(jù)題目信息或共存原則等確定主要生成物，接著利用得失電子守恒和電荷守恒等進行基本配平，然后根據(jù)溶液環(huán)境或守恒原則補充缺項部分，最后調整配平完善細節(jié)。構建書寫電極方程式的思維模型如圖2所示。

圖2 書寫電極方程式的思維模型

【例2】(2018·江蘇卷·20節(jié)選)NOx(主要指NO和NO2)是大氣主要污染物之一。有效去除大氣中的NOx是環(huán)境保護的重要課題。

(2)用稀硝酸吸收NOx，得到HNO3和HNO2的混合溶液，電解該混合溶液可獲得較濃的硝酸。寫出電解時陽極的電極反應式：______________________________。

【變式1】(2017·江蘇卷·16節(jié)選)(4)“電解Ⅱ”是電解Na2CO3溶液，原理如圖所示。陽極的電極反應式為______________________________，陰極產生的物質A的化學式為________。

3.分析充放電池通用思路的構建

充放電池又稱為二次電池，是高考的熱點。充電時的電極反應與放電時電極反應過程相反，充電時的陽極反應為放電時的正極反應的逆反應，充電時的陰極反應為放電時的負極反應的逆反應，負極的電極反應與陰極的電極反應相對應，正極的電極反應與陽極的電極反應相對應。構建分析充放電池的思維模型如圖3所示。

圖3 分析充放電池的通用思路

( )

B.充電時釋放CO2，放電時吸收CO2

【答案】D

( )

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

D.放電過程中OH-通過隔膜從負極區(qū)移向正極區(qū)

【答案】D

【解析】根據(jù)分析充放電池的通用思路，Zn的化合價升高，則在原電池的負極反應，對應的ZnO在電解池的陰極反應；NiOOH中Ni的化合價降低，則在原電池的正極反應，對應的Ni(OH)2在電解池的陽極反應；具體分析如下：三維多孔海綿狀Zn具有較高的表面積，吸附能力強，所沉積的ZnO分散度高，A項正確；充電時相當于電解池，陽極失電子，由Ni(OH)2變?yōu)镹iOOH，B項正確；放電時即原電池，鋅作負極失電子，變?yōu)閆nO，C項正確；原電池在工作時，陰離子向負極移動，因此OH-向負極移動而不是正極，D項錯誤。

4.分析離子交換膜思維模型的構建

最近幾年高考題中出現(xiàn)了對離子交換膜在電解池或原電池中應用的考查，但是學生分析對有離子交換膜的新型裝置不知所措。交換膜在中學電化學中主要有兩方面作用：一方面是防止副反應的發(fā)生，避免影響目標產品的質量；另一方面利于物質的制備、分離、提純等步驟的實施。分析離子交換膜的裝置，首先要明確其作用，然后根據(jù)電極判斷出離子的移動方向，從而得出離子交換膜的類別。構建分析離子交換膜的思維模型如圖4所示。

圖4 分析離子交換膜的思維模型

【答案】ab為陰離子交換膜，cd為陽離子交換膜

【變式3】(2014·全國卷Ⅰ·27節(jié)選)次磷酸(H3PO2)是一種精細磷化工產品，具有較強還原性。回答下列問題：

(4)H3PO2也可用電滲析法制備，“四室電滲析法”工作原理如圖所示(陽膜和陰膜分別只允許陽離子、陰離子通過)：

②分析產品室可得到H3PO2的原因：________________________________________________。

二、高考預測，模型應用

研究近幾年高考題不難發(fā)現(xiàn)，高考越來越注重考查知識的應用性，越來越強調考題需體現(xiàn)學科價值。知識本身的考查與知識應用的考查最大的區(qū)別，在于問題設置是直接設問還是隱蔽設問，但值得注意的是，無論是知識本身的考查還是知識應用的考查，其考查的核心與解題的方法是一致的。

【例5】(原題)(1)A裝置是________(填“原電池”或“電解池”)，A裝置中通入SO2一極的電極反應式為________。

(2)N2O5在電解池的________(填“c極”或“d極”)區(qū)生成，其電極反應式為________。

(改編)膜技術原理在化工生產中有著廣泛的應用。有人設想利用電化學原理制備少量硫酸和綠色硝化劑N2O5，裝置圖如下。

請解釋制備少量硫酸和綠色硝化劑N2O5的原因是

________________________________________________。

【分析】改編后的設問與原設問最大區(qū)別在于，原題著重知識本身的考查，設問比較直接，而改編后的設問著重知識應用的考查，設問相對隱蔽，但是改編前后考查的本質卻沒有發(fā)生變化：電極方程式的書寫、電極判斷和離子移動等知識。

【答案】(原題)原電池 c極

三、精準備考，抓住核心

1.簡化解題過程，提高解題能力

在新課程改革的背景下，電化學題目的內容和形式千變萬化，但萬變不離其宗：電極的判斷、電極方程式的判斷或書寫、充放電池的分析以及離子交換膜的分析等，在復習中抓住核心知識，找準合適試題情境，理清命題特點，構建思維模型，就能夠提高解題能力。

2.培養(yǎng)模型意識，提升核心素養(yǎng)

通過建立經典的思維模型，不但有利于電化學問題的快速簡便解決，而且可以引導學生在其他知識模塊，特別是理論性較強的知識板塊，如化學平衡、電離平衡、水解平衡等建立一些經典的思維模型，并形成一套完整的思維策略，讓這些思維策略形成自覺意識，使新課程理念真正貫穿到實踐中，培養(yǎng)學生的科學核心素養(yǎng)和探究能力。