巧用“H、O原子數目”突破有機物參與的電極反應式書寫

王 明 鄧陽洋

(重慶市育才中學校)

電化學原理是普通高中化學選擇性必修1《化學反應原理》中的重要組成部分,也是高考化學中的必考部分。隨著科技的發展,與有機物相關的電池越來越多。高考試題所追求的真實情境是科技和社會發展在試題中的真實再現,以有機物為素材的電化學原理考查逐年增加,此時電極反應式的書寫就成為了解題的關鍵!參與電極反應的物質,不管是無機物還是有機物,其本質總是相同的——某些微粒在電極上發生氧化還原反應。考場上想快速、準確地寫出電極反應式,確定相關元素的價態就顯得尤為重要。遺憾的是,很多復雜有機物中元素價態較難確定,對解決此類問題造成了很大的困擾。那么,這類電極反應怎么才能快速、準確地寫出呢?教學中,筆者運用“H、O原子數目”理論,很好地突破了此類問題。

1.教材中的電有機合成

上述書寫流程如圖1所示。

圖1 電極反應式書寫模型

2.高考試題中的電有機合成

從典型例題得出書寫模型(模型認知)并不是學習終點,運用模型解決真實情境中的真實問題(證據推理)才是關鍵。現簡單列舉幾例,論述如下。

【例1】(2021年全國甲卷,13題)乙醛酸是一種重要的化工中間體,可采用如圖所示的電化學裝置合成,圖中的雙極膜中間層中的H2O解離為H+和OH-,并在直流電場作用下分別向兩極遷移,下列說法中正確的是

( )

A.KBr在上述電化學合成過程中只起電解質的作用

C.制得2 mol乙醛酸,理論上外電路中遷移了1 mol電子

D.雙極膜中間層中的H+在外電場作用下向鉛電極方向遷移

利用上面的分析,選項A、B明顯錯誤;電解池中陽離子向陰極移動,故D明顯正確;外電路遷移2 mol電子時,陰極和陽極區共產生2 mol乙醛酸,故C錯誤。綜上,本題正確答案為D。

( )

A.a為電源負極

B.溶液中Q的物質的量保持不變

C.CO2在M極被還原

D.分離出的CO2從出口2排出

3.試題的再次創新

重慶卷歷年高考試題中,電化學部分創新較多,現以2022年和網絡流傳的2023年重慶卷試題為例,簡單分析其變化趨勢。

3.1 電極區域內反應增多

【例3】(2022年重慶卷,12題)硝酮是重要的有機合成中間體,可采用“成對間接電氧化”法合成。電解槽中水溶液的主要成分及反應過程如圖所示。

下列說法錯誤的是

( )

A.惰性電極2是陽極

C.消耗1 mol O2,可得到1 mol硝酮

D.外電路通過1 mol電子,可得到1 mol水

3.2 有機物結構變得更復雜

【例4】(網絡版,2023年重慶卷)電化學合成是一種綠色高效的合成方法,如圖是在酸性介質中電解合成半胱氨酸和煙酸的示意圖,錯誤的是

( )

A.電極a為陰極

B.H+從電極b移向電極a

D.生成3 mol半胱氨酸的同時生成1 mol煙酸

高考考查的“必備知識和關鍵能力”,主要由三個部分的要求整合而成,即高校專業學習要求、普通高中課程標準、歷年高考考查的知識和能力。在這三個部分中,一線教師和學生最熟悉的一般是“歷年高考考查的知識和能力”,另外,高考要考查的前兩個部分內容,也都是通過第三個部分呈現出來的。只有研究高考才能預測高考,從而指導我們科學備考。