融合創新的高考電化學試題中的計算

電化學作為高考化學的核心板塊，其計算題型正從傳統的電極反應式書寫、電子守恒關系的應用逐步向融合真實情境的創新考查轉變.本文例析融合晶胞、化學平衡、反應熱的電化學試題中的相關計算，以期幫助學生復習備考.

1與晶胞融合考查的計算

一例1某種離子型鐵的氧化物晶胞見圖1，它由a、b兩種正方體單元組成，且兩種正方體單元中氧離子的空間位置相同.若通過 Li⁺ 嵌入或脫嵌晶胞的棱心和體心，可將該晶體設計為鋰電池的正極材料LiFe_nO_m/Li_1-xFe_nO_m（m，n 為正整數）.已知：

一個晶胞中脫嵌出的 Li⁺ 數 ×100% 脫嵌率=二個晶胞中嵌入Li+的最大值下列說法錯誤的是（ ）.

圖1

A.a單元中，體心位置的 Fe²⁺ 位于 O^2- 形成的四面體空隙中B.該晶胞中 Fe³⁺ 周圍等距且最近的 O^2- 有6個C.放電時，該鋰電池的正極反應為 Li_1-xFe₆O₈+ xe^-+nLi⁺=LiFe₆O₈ D.若該正極材料中 n（Fe²⁺）：n（Fe³⁺）=3：5 ，則脫嵌率為 50%

由圖1可知， a 單元中，體心位置的 Fe²⁺ 位于O^2- 形成的四面體空隙中，選項A說法正確.結合b正方體單元的晶胞圖可知， Fe³⁺ 周圍等距且最近的 O^2- 有6個，選項B說法正確.放電時，該鋰電池的正極得電子，電極反應為

Li_1-xFe₆O₈+xe^-+xLi⁺=LiFe₆O₈，

選項C說法正確.由于 Li⁺ 嵌人或脫嵌晶胞的棱心和體心，所以 Li⁺ 總數為 ，由化學式為LiFe₆O₈ 可知，1個晶胞中 O^2- 為32個， Fe 有24個，Li有4個，根據正負化合價代數和為0可知， Fe²⁺ 個數為 12，Fe³⁺ 個數也為12，設 x 個 Li⁺ 脫嵌，則有 x 個 Fe²⁺ 被氧化為 Fe³⁺ ，所以當正極材料中 n（Fe²⁺）， ：n（Fe2+）=3：5時，12+x= （20 ，故 x=3 ，有3個 Li⁺ 脫5嵌，則脫嵌率為 75% ，選項D說法錯誤.答案為D.

解題策略與晶胞融合的計算依然應用均攤法確定晶胞的微粒組成，通過題干信息明確充放電過程中微粒嵌入或脫嵌，依據電荷守恒（正負化合價的代數和為0）確定電極材料組成與變化，正確書寫電極反應，再根據陌生信息的提示進行相關計算.

2與化學平衡融合考查的計算

例2一種高效除去廢水中的 PO₄^3- 的電化學裝置如圖2所示.已知常溫下， K_sp 0 ΔFePO₄）=1.3× .0^-22，K_sp[Fe（OH）₃]=2.8×10^-39 .下列說法正確的是（ ）.

圖2

A.若以鉛蓄電池為電源，則a極應與 Pb 電極相連B.陽極發生的電極反應為 4Fe²⁺+O₂+4H⁺+ C.開始電解前應先調節 pH 約為2，若 pHgt;4 ，該電解原理除去 PO₄^3- 的效率更高D.電路中有 0.3mol 電子通過時，理論上最多生成的 FePO₄ 的質量為 22.65g

由圖2可知，該電化學裝置使 PO₄^3- 轉化為FePO₄ 沉淀除去，則Fe為陽極，失去電子后生成 Fe²⁺ ， O₂ 將 Fe²⁺ 氧化為 Fe³⁺ ，石墨為陰極，故a為正極，b為負極，若以鉛蓄電池為電源，b極應與 Pb 電極相連，選項A錯誤.Fe電極為陽極，Fe失去電子生成 Fe²⁺ ，電極方程式為 Fe-2e^-=Fe²⁺ ，選項B中的反應式是陽極區總反應，而非電極反應，錯誤.由K_sp[Fe（OH）₃]=2.8×10^-39 可知， Fe³⁺ 完全轉化為Fe（OH）₃ 沉淀時

6.5×10^-12mol?L^-1，

故 pH=2.8 ，開始電解前應先調節 pH 約為2，抑制Fe³⁺ 轉化為 Fe（OH）₃ 沉淀，若 pHgt;4 Fe³⁺ 會轉化為Fe（OH）₃ 沉淀，除去 PO₄^3- 的效率會降低，選項C錯誤.電路中有 0.3mol 電子通過時，生成 0.15mol Fe²⁺，O₂ 將 Fe²⁺ 氧化為 Fe³⁺ ，理論上最多生成的FePO₄ 物質的量為 0.15mol ，質量為 151g?mol^-1× 0.15mol=22.65g. ，選項D正確.答案為D.

解題策略與化學平衡、電離平衡、沉淀溶解平衡等融合考查的電化學計算，首先應明確電化學過程對物質濃度的影響，然后根據平衡常數表達式列出等式.在計算判斷的過程中，要注意根據平衡常數的大小和反應的實際情況進行合理的近似處理，簡化計算過程.

3與反應熱融合考查的計算

例3猶他大學化學家發明了 N₂/H₂ 生物燃料電池，以質子交換膜為隔膜，室溫條件下合成了氨（工作原理如圖3）.已知工業合成氨的熱化學方程式為

ΔH=-92.4kJ?mol^-1.

下列有關該電池的說法正確的是（ ）.

圖3

A.“Anode\"意為正極、“Cathode\"意為負極B.已知原裝置中不含有 NH₄⁺ ，則理論上燃料電池中最終不會生成 NH₄⁺ C.“Anode\"電極上發生反應為N₂+6e^-+6H⁺=2NH₃ D.若該電池的能量轉化效率為 80% ，則每生成17gNH₃ ，理論上可放出 73.92kJ 電能

原電池中電子由負極流向正極，“Anode”極失去電子為負極，“Cathode”極得到電子為正極，選項A錯誤.每轉移 3mol 質子的同時，消耗3molH⁺ 并生成 1molNH₃ ，移動至正極的 H⁺ 不足以與 NH₃ 反應生成 NH₄⁺ ，選項B正確.“Anode\"極失去電子為負極，發生反應為 H₂-2e^-=2H⁺ ，選項C錯誤.若該電池的能量轉化效率為 80% ，則每生成17gNH₃ ，理論上可產生電能為 80%=36.96kJ ，選項D錯誤.答案為B.

解題策略電化學是實現化學能與電能互換的裝置，能向外釋放能量的反應是設計成化學電源的先決條件.因此電化學與反應熱密切相關，進行反應熱計算時要先明確熱化學方程式的計量數僅表示物質的量，再根據物質的量與 ΔH 的數量關系及能量轉化效率進行計算.

4結語

高考命題將聚焦“雙碳目標”下的電催化、新型儲能技術（如鋰硫電池、鈉電池）的情境創新，融合物質的量、能量轉化效率、環境保護等多維度綜合計算的考查.夯實基礎知識，熟練掌握“找物質、配電子、調守恒\"電極反應式書寫的“三步法”；針對新型電池，用“總反應 正極反應 + 負極反應\"逆向推導未知電極式，強化思維建模；分析近年全國卷及新高考卷電化學計算真題，總結“情境、考點\"對應規律，如 CO₂ 電解常考產物選擇性計算，燃料電池?？寄芰棵芏鹊?

電化學計算的創新試題本質是“原理的情境化表達”，無論背景如何新穎，核心始終圍繞“電子守恒”與“物質轉化”備考時需建立“從現象到本質”的分析路徑，將新型裝置拆解為“電極反應—離子遷移一能量變化\"的基本模型，再結合定量關系精準計算.這種“知識遷移 + 邏輯推理”的思維模式，不僅是應對高考的關鍵，更是理解電化學前沿技術的基礎.

（完）