滕明俊

摘要：電化學(xué)知識(shí)原理抽象，是學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的難點(diǎn)也是高考考查的重點(diǎn).本文選取歷年高考中的典型例題進(jìn)行詳細(xì)剖析和梳理，以期幫助學(xué)生形成正確的解題策略，達(dá)到解一題知一類題的目的.

關(guān)鍵詞：電化學(xué);高考;解題策略

電化學(xué)是高考中重點(diǎn)考查的內(nèi)容，所涉及的知識(shí)點(diǎn)與日常生活、環(huán)境保護(hù)等方面密切相關(guān)，重點(diǎn)考查學(xué)生對(duì)基本知識(shí)的掌握與問題解決的能力，在注重核心素養(yǎng)培養(yǎng)的教育改革背景下備受出題者的青睞.

1 把握電極反應(yīng)式，解決探究問題

例1 北京市高考化學(xué)試卷

用零價(jià)鐵（ Fe）去除水體中的硝酸鹽（N03-）已成為環(huán)境修復(fù)研究的熱點(diǎn)之一.

（1） Fe還原水體中N03-的反應(yīng)原理如圖1所示.

①作負(fù)極的物質(zhì)是____

②正極的電極反應(yīng)式是

.

（2）將足量鐵粉投入水體中，經(jīng)24小時(shí)測定N03-的去除率和pH，結(jié)果如表1所示：

pH =4.5時(shí)，N03-的去除率低.其原因是____.

（3）實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在初始pH =4.5的水體中投入足量鐵粉的同時(shí)，補(bǔ)充一定量的Fe2+可以明顯提高N03-的去除率，對(duì)Fe2+的作用提出兩種假設(shè)：

I.Fe2+直接還原N03-;

Ⅱ.Fe2+破壞Fe0（ OH）氧化層.

①做對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示，可得到的結(jié)論是____.

②同位素示蹤法證實(shí)Fe2+能與Fe0（ OH）反應(yīng)生成Fe304.結(jié)合該反應(yīng)的離子方程式，解釋加入Fe2+提高N03-去除率的原因：____.

（4）其他條件與（2）相同，經(jīng)1小時(shí)測定N03-的去除率和pH，結(jié)果如表2所示：

與（2）中數(shù)據(jù)對(duì)比，解釋（2）中初始pH不同時(shí)，N03-去除率和鐵的最終物質(zhì)形態(tài)不同的原因：____.

【解析】

（1）在Fe還原水體中N03-的過程中，F(xiàn)e失去電子被氧化，N03-得到電子被還原成NH4+.

負(fù)極是氧化反應(yīng)發(fā)生的地方，所以Fe作為負(fù)極;正極涉及的物質(zhì)變化為：N03→NH4+

N的化合價(jià)從+5變成-3，需要得到8個(gè)電子，同時(shí)反應(yīng)式左邊氫的個(gè)數(shù)少，需要H+/H20對(duì)來保持原子守恒和電荷守恒，反應(yīng)式如下：N03-+ 8e-+IOH+= NH4+ +3H2O

（2）比較pH=2.5和4.5條件下的鐵的最終物質(zhì)形態(tài)，發(fā)現(xiàn)在pH =4.5的條件下，F(xiàn)e的表面形成了一層不導(dǎo)電的Fe0（ OH）膜.因?yàn)榉磻?yīng)的發(fā)生需要離子的移動(dòng)，所以Fe0（ OH）膜限制離子移動(dòng)，不能導(dǎo)電，所以阻止了反應(yīng)的進(jìn)一步發(fā)生.而酥松的Fe3 04中有空隙，能保證離子的移動(dòng)，從而能使反應(yīng)得以進(jìn)行.

（3）①通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)，單純的Fe2+和單純的Fe粉還原N03-的效率并不高，而Fe粉與Fe2+的結(jié)合效率最高.

同時(shí)，“Fe2+直接還原N03-”的假設(shè)I不成立，是因?yàn)槿绻摷僭O(shè)成立，用Fe2+還原和用Fe/Fe2+還原的效率應(yīng)該一樣，而實(shí)驗(yàn)事實(shí)證明不是如此.

假設(shè)Ⅱ，根據(jù)已有條件難以直接判定.

②Fe2+和Fe0（ OH）發(fā)生非氧化還原反應(yīng)生成Fe3 04和H+，反應(yīng)式如下：Fe2++ 2Fe0（ OH）一Fe304 +2H+，F(xiàn)e2+將不導(dǎo)電的Fe0（ OH）轉(zhuǎn)化為可導(dǎo)電的Fe304，有利于反應(yīng)的進(jìn)行，使N03-的去除率提高.

（4）在反應(yīng)進(jìn)行1小時(shí)左右，pH接近中性，說明H+基本已經(jīng)反應(yīng)完全，F(xiàn)e轉(zhuǎn)化為Fe2+.反應(yīng)式如下：Fe +2H+= Fe2++ H2↑，這時(shí)候兩種情況下的反應(yīng)進(jìn)行程度并不高，說明這一步并不是反應(yīng)的關(guān)鍵.之后進(jìn)行的反應(yīng)：Fez+和Fe0（ OH）反應(yīng)生成Fe304才是關(guān)鍵，pH =2.5情況下，氫離子濃度高，產(chǎn)生的Fe2+濃度大，促使Fe0（ OH）轉(zhuǎn)化為酥松、可導(dǎo)電的Fe3 04，使反應(yīng)進(jìn)行的更完全，而初始pH =4.5時(shí)，產(chǎn)生的Fe2+濃度小，從而造成N03-去除率和鐵的最終物質(zhì)形態(tài)不同.

【題后反思與點(diǎn)評(píng)】

面對(duì)有關(guān)電化學(xué)的題目，關(guān)鍵要明確負(fù)極（氧化反應(yīng)）和正極（還原反應(yīng)）所發(fā)生的反應(yīng)，然后書寫電極方程式，對(duì)涉及到水溶液的反應(yīng)，利用H+/H2O，OH -/H2O對(duì)來配平并注意電荷守恒，

另外，影響電極反應(yīng)的因素復(fù)雜，要借助電極反應(yīng)式來幫助判斷，如本題的（2）一（4）問，如果能準(zhǔn)確地把握好（1）的電極反應(yīng)式N03-+ 8e-+IOH+=NH4+ +3H2O這樣一個(gè)大前提，然后根據(jù)題干討論H+對(duì)反應(yīng)效率的影響，（2）一（4）的問題就能迎刃而解.

2 整合挖掘隱性信息，綜合多方面信息判斷

例2天津市高考化學(xué)試卷（節(jié)選）

氫能是發(fā)展中的新能源，它的利用包括氫的制備、儲(chǔ)存和應(yīng)用三個(gè)環(huán)節(jié).回答下列問題：

（1）與汽油相比，氫氣作為燃料的優(yōu)點(diǎn)是____（至少答出兩點(diǎn)）.但是氫氣直接燃燒的能量轉(zhuǎn)換率遠(yuǎn)低于燃料電池，寫出堿性氫氧燃料電池的負(fù)極反應(yīng)式：____.

（2）化工生產(chǎn)的副產(chǎn)氫也是氫氣的來源.電解法制取有廣泛用途的Na2 Fe04，同時(shí)獲得氫氣：Fe+2H2O +20H通電Feo4-+3H2↑，工作原理如圖3所示.裝置通電后，鐵電極附近生成紫紅色的Fe04 -，鎳電極有氣泡產(chǎn)生.若氫氧化鈉溶液濃度過高，鐵電極區(qū)會(huì)產(chǎn)生紅褐色物質(zhì).已知：Na2 Fe04只在強(qiáng)堿性條件下穩(wěn)定，易被H：還原.

①電解一段時(shí)間后，c（OH-）降低的區(qū)域在____（填“陰極室”或“陽極室”）.

②電解過程中，須將陰極產(chǎn)生的氣體及時(shí)排出，其原因是____.

③c（ Na2Fe04）隨初始c（NaOH）的變化如圖4，任選M、N兩點(diǎn)中的一點(diǎn)，分析c（ Na2Fe04）低于最高值的原因：______.

【解析】

（1）氫氣燃燒的產(chǎn)物是水;原料來源廣泛，可通過多種方式獲得，資源豐富;相同質(zhì)量的情況下，氫的燃燒能大于汽油，而汽油燃燒的產(chǎn)物是二氧化碳和水，汽油主要來自于石油的冶煉，資源不可再生.

（2）①通電后，鐵電極（陽極）附近生成紫紅色的Fe04 -，鎳電極（陰極）有氣泡產(chǎn)生，陽極Fe被氧化為Fe04 -，陰極H2O被還原為H2產(chǎn)生氣泡.

發(fā)生反應(yīng)的條件為堿性條件，所以在配平半反應(yīng)方程式時(shí)要用OH -/H20對(duì)來達(dá)到原子守恒.陽極發(fā)生Fe - 6e →Fe02 -，方程式左邊氧原子少，用OH -（一個(gè)H帶一個(gè)O）;方程式右邊氧原子多，所以右邊用H2O（一個(gè)H帶0.5個(gè)O）.

陽極反應(yīng)如下：Fe - 6e-+ 80H-=Fe04-+4H20

陰極發(fā)生H2O +2e →H2，方程式右邊氧原子少，用OH -;方程式左邊氧原子多，用H2O，

陰極反應(yīng)如下：2H20 +2e-= H2↑+20H-

可以看到，隨著電解時(shí)間的延長，陽極室的c（OH-）會(huì)下降.

②因?yàn)殛庩杻蓸O在同一個(gè)電解槽中，陽極產(chǎn)生的Na2Fe04具有氧化性，被陰極產(chǎn)生的H。所還原，所以須將陰極產(chǎn)生的氣體及時(shí)排出，防止產(chǎn)率降低，

③在圖4中，c（ Na2Fe04）存在一個(gè)極大點(diǎn)，說明c（OH -）存在一個(gè)條件最優(yōu)的情況：

在M點(diǎn)時(shí)，c（OH-）過低，因Na2Fe04只在強(qiáng)堿性條件下穩(wěn)定，所以產(chǎn)生的Na2 Fe04容易分解，且離子濃度低，反應(yīng)慢.

在N點(diǎn)時(shí)，c（OH -）過高，鐵電極區(qū)會(huì)生成紅褐色的副產(chǎn)物Fe（ OH）3.降低反應(yīng)效率.

【題后反思與點(diǎn)評(píng)】

電解池和原電池從氧化還原的角度來看是統(tǒng)一的，但是略有不同：氧化反應(yīng)發(fā)生在電解池的陽極和原電池的負(fù)極，還原反應(yīng)發(fā)生在電解池的陰極和原電池的正極，

電極反應(yīng)產(chǎn)物的穩(wěn)定性和具體的電解條件選用要綜合考慮各種因素：電極材料，電解液的濃度，酸堿度等等，題于中往往包含了大量的隱性信息，要注意挖掘和整合，如本題中的Na2 Fe04的穩(wěn)定性和氫氧化鈉的濃度控制等等，都是理解反應(yīng)本質(zhì)、解決問題的關(guān)鍵.

3 化學(xué)計(jì)量與氧化還原反應(yīng)融合

例3浙江高考化學(xué)試卷

金屬（M） -空氣電池（如圖5）具有原料易得、能量密度高等優(yōu)點(diǎn)，有望成為新能源汽車和移動(dòng)設(shè)備的電源.該類電池放電的總反應(yīng)方程式為：4M+ nO2+2nH20=4M（OH）n.已知：電池的“理論比能量”指單位質(zhì)量的電極材料理論上能釋放出的最大電能，下列說法不正確的是

A.采用多孔電極的目的是提高電極與電解質(zhì)溶液的接觸面積，并有利于氧氣擴(kuò)散至電極表面

B.比較Mg、Al、Zn三種金屬一空氣電池，Al -空氣電池的理論比能量最高

C.M -空氣電池放電過程的正極反應(yīng)式：4Mn++n02+2nH20 +4ne-=4M（ OH）。

D.在M-空氣電池中，為防止負(fù)極區(qū)沉積Mg（OH）2，宜采用中性電解質(zhì)及陽離子交換膜

【解析】

A選項(xiàng)，該電極反應(yīng)涉及到兩相反應(yīng)，02與電極不易接觸反應(yīng)，所以需要提高接觸面積，而多孔電極是一種可行的辦法，同時(shí)也能夠提高電極和電解質(zhì)溶液的接觸面積.正確.

B選項(xiàng)，金屬（Mg、Al、Zn）所形成的金屬離子如下：Mg2+、A13+、2n2+，單位質(zhì)量的金屬（ Mg.AI、Zn）所釋放出來的電能比如下：2/24：3/27：2/65=2.7：3.6：1.0，所以Al -空氣電池的理論比能量最高.正確

C選項(xiàng)，正極發(fā)生的是還原反應(yīng)：02被還原為OH -，反應(yīng)式如下：02+2H20+4e=-40H-

在正極中沒有金屬離子產(chǎn)生，所以Mn+是不存在的.C選項(xiàng)錯(cuò)誤.

D選項(xiàng)，在堿性條件下負(fù)極附近Mn+會(huì)與OH -反應(yīng)生成M（ OH）。沉積，所以要在中性條件下進(jìn)行，同時(shí)利用陽離子交換膜通過陽離子交換，降低電極附近的金屬離子的濃度.

【題后反思與點(diǎn)評(píng)】

本題B選項(xiàng)中，將化學(xué)計(jì)量的內(nèi)容和電池知識(shí)相融合，涉及物質(zhì)的量的計(jì)算和不同金屬的性質(zhì)，體現(xiàn)了多章節(jié)知識(shí)的融合.

4 信息學(xué)習(xí)遷移.提升到類

例4理綜（江蘇卷）化學(xué)試題

鐵炭混合物（鐵屑和活性炭的混合物）、納米鐵粉均可用于處理水中污染物.

（1）鐵炭混合物在水溶液中可形成許多微電池.將含有Cr207-的酸性廢水通過鐵炭混合物，在微電池正極上Cr2O7-轉(zhuǎn)化為Cr3+，其電極反應(yīng)式為____.

（2）在相同條件下，測量總質(zhì)量相同、鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同的鐵炭混合物對(duì)水中Cu2和Pb2+的去除率，結(jié)果如圖6所示.

①當(dāng)鐵炭混合物中鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0時(shí)，也能去除水中少量的Cu2+和Pb2+，其原因是一

.

②當(dāng)鐵炭混合物中鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于500-/0時(shí)，隨著鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加Cu2+和Pb2+的去除率不升反降，其主要原因是

（3）納米鐵粉可用于處理地下水中的污染物.

①一定條件下，向FeS04溶液中滴加堿性NaBH4溶液，溶液中BH4-（B元素的化合價(jià)為+3）與Fe2+反應(yīng)生成納米鐵粉、H2和B（ OH）4-，其離子方程式為____.

②納米鐵粉與水中N03-反應(yīng)的離子方程式為：

4Fe+ N03-+ 1OH+= 4Fe2++ NH4- +3 H20

研究發(fā)現(xiàn)，若pH偏低將會(huì)導(dǎo)致N03-的去除率下降，其原因是____.

③相同條件下，納米鐵粉去除不同水樣中N03-的速率有較大差異（見圖7），產(chǎn)生該差異的可能原因是

.

【解析】

（1）正極上Cr207-得到電子變成Cr3+： Cr207'+6e -一Cr3+，因?yàn)槭撬嵝詶l件下，所以用H+/H20達(dá)到原子守恒.方程式右邊氧原子少，所以用H2O;方程式左邊氧原子多，用H+.結(jié)合電荷守恒，電極反應(yīng)式如下：Cr207-+ 14H++ 6e=2Cr3++ 7H2O

（2）①混合物中沒有Fe存在，原電池反應(yīng)不發(fā)生.但是活性炭具有較大比表面積，吸附能力強(qiáng)，能夠吸附Cr12和Pb2+，除去部分污染物.②鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加微電池?cái)?shù)目減小.

（3）①反應(yīng)物包含F(xiàn)e2+和BH4-，產(chǎn)物為Fe，H2和B（ OH）4-，即Fe2++ BH4→Fe+H2↑+B（OH）4

因?yàn)槭窃趬A性條件下進(jìn)行，且方程式左邊氧原子少，所以左邊加上OH-，根據(jù)得失電子守恒，配平得到：2Fe2++ BH4-+ 40H-=2Fe+2H2↑+B（ OH）4②pH過低，H+濃度過高，納米Fe粉會(huì)和H+發(fā)生副反應(yīng)：Fe+2H+= Fe2++ H2↑，使N03-消除率降低

③圖7中顯示加了Cu2+的水樣，N03-的反應(yīng)速率加快.Fe活潑性高于Cu，能置換出Cu單質(zhì)，F(xiàn)e -Cu能夠形成原電池，加快反應(yīng)速率，以上原理和題干（1）中鐵一碳原電池的原理類似.

【題后反思與點(diǎn)評(píng)】

本題主要考查了信息遷移的能力：在（1）（2）給出“鐵一炭”微電池的信息后，在（3）中給出新的情境，考察答題者是否將知識(shí)遷移到“鐵一銅”微電池中，該信息點(diǎn)也和教材中金屬的保護(hù)等知識(shí)點(diǎn)緊密鏈接起來，不僅僅是解決一個(gè)問題，而且是解決了一種類型的問題，強(qiáng)調(diào)了知識(shí)的可應(yīng)用性和社會(huì)價(jià)值.

（收稿日期：2019 - 03 - 05）.