高考電化學(xué)試題分析及多方位解法探究

杜博博，尹嬌陽， 胡小兵

（寶雞文理學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，陜西寶雞 721013）

1 高考電化學(xué)試題分析

1.1 建構(gòu)電化學(xué)試題分析框架

高考電化學(xué)試題常常以生活實踐情境或?qū)W術(shù)探索情境為真實情境載體， 融入所要考查的必備知識和關(guān)鍵能力，以解決實際問題為測試任務(wù)，按照評價體系設(shè)置不同層次、有難易梯度的試題，體現(xiàn)考查內(nèi)容的基礎(chǔ)性、綜合性、應(yīng)用性和創(chuàng)新性，凸顯化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)和核心價值。 因此，對于高考電化學(xué)試題的研究應(yīng)該從試題情境、考查要求、考查內(nèi)容、考查角度等方面進(jìn)行試題研究[1～3]。

1.2 2020 年3 套全國卷理綜電化學(xué)試題分析

電化學(xué)試題重點考查離子反應(yīng)方程式、氧化還原反應(yīng)、物質(zhì)的量計算、元素化合物、電化學(xué)知識等基礎(chǔ)化學(xué)內(nèi)容，考查學(xué)生理解、吸收、整合化學(xué)信息的能力、分析和解決化學(xué)問題的能力[4]、化學(xué)思維和探究的能力等，以2020 年3 套全國理綜卷電化學(xué)試題為例進(jìn)行分析如表1 所示。

表1 2020 年全國卷高考電化學(xué)試題分析

2 高考電化學(xué)試題解題探究

通過文本法對2020 年全國卷電化學(xué)試題進(jìn)行研究， 從試題情境與考查角度等方面入手分析探究電化學(xué)試題的解題方法和規(guī)律，見圖1～圖4。

圖4

例1 解題思路探析：該題考查反應(yīng)式的書寫、定量計算、微粒濃度變化等內(nèi)容，從題干信息“放電時， 溫室氣體CO2被轉(zhuǎn)化為儲氫物質(zhì)甲酸等”中直接可以找出反應(yīng)物和生成物并根據(jù)其化合價變化對電極做出判斷，因此放電時通入二氧化碳的一極為正極，電極金屬鋅為負(fù)極，再根據(jù)圖1所示發(fā)現(xiàn)Zn 失電子后結(jié)合OH-生成了Zn(OH)42-，因此負(fù)極反應(yīng)為，A 項正確；放電時，正極上CO2生成了HCOOH，碳元素的化合價從+4 變成+2，可知有1molCO2參與反應(yīng)生成HCOOH 時轉(zhuǎn)移的電子的物質(zhì)的量為2mol，B 項正確； 充電時陰極上Zn (OH)42-轉(zhuǎn)化為Zn， 陽極上H2O 失電子生成了O2， 因此電池總反應(yīng)為2Zn (OH)42-=2Zn+O2↑+4OH-+2H2O，C 項正確； 充電時陽極反應(yīng)式為2H2O-4e-=4H++O2↑，因此正極區(qū)c(OH-)降低，D項錯誤。

圖1

例2 解題思路探析：該題考查電解原理的應(yīng)用，從裝置圖可以判斷出為電解池，由“當(dāng)通電時，Ag+注入到無色WO3薄膜中，生成AgxWO3”可知Ag 失電子變成Ag+， 因此，Ag 電極做陽極，透明導(dǎo)電層做陰極，A 項正確；電解池工作時陽離子移向陰極，B 項正確； 從題干信息推知,WO3在陰極放電生成AgxWO3，W 元素化合價降低，C 項錯誤； 陽極反應(yīng)式Ag-e-=Ag+， 陰極反應(yīng)式xAg++WO3+e-=AgxWO3, 結(jié)合陰陽極反應(yīng)式寫出總反應(yīng)WO3+xAg=AgxWO3D 項正確。

圖2

例3 解題思路探析： 根據(jù)圖3 可知該裝置為電解池，通過球棍模型看出CO2轉(zhuǎn)化成了CO，陰極反應(yīng)式為CO2+2e-=CO+O2-。CH4轉(zhuǎn)化成了CH2=CH2，C 的 化 合 價 從-4 降 低 為-2，CH4轉(zhuǎn) 化 成 了CH3-CH3，C 的化合價從-4 降低為-3，若生成的乙烯和乙烷的物質(zhì)的量分別為2mol、1 mol 時，陽極轉(zhuǎn)移的電子的物質(zhì)的量為[-2-（-4）]×2×2+[-3-(-4)]×2×1=10mol，根據(jù)原子守恒可知消耗CH4物質(zhì)的量為6mol，此時陰極消耗CO25mol，因此若生成的乙烯和乙烷的體積比為2∶1， 則消耗的CH4和CO2體積比為6∶5。

圖3

例4 解題思路探析： 該題考查原電池原理，由題干信息可知VB2電極失電子作負(fù)極， 復(fù)合碳電極為正極，O2在正極得電子， 反應(yīng)式為O2+4e-+2H2O=4OH-， 轉(zhuǎn) 移0.04mol 電 子 時， 有0.01mol O2參與反應(yīng)， 在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積為0.224L，A 項正確；負(fù)極消耗OH-，pH 降低，正極產(chǎn)生OH-，pH 升高，B 項錯誤； 結(jié)合正負(fù)極反應(yīng)式， 電池總反應(yīng)為4VB2+11O2+20OH-+6H2O=8B(OH)4-+4VO43-，C 項正確；電流從正極流出沿導(dǎo)線經(jīng)過負(fù)載進(jìn)入負(fù)極， 然后在通過電解質(zhì)溶液回到正極，D 項正確。

3 高考電化學(xué)試題多方位解法

3.1 電池種類判斷

在遇到電化學(xué)試題時，首先要搞明白該題考查的是電解池還是原電池。 原電池是把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置， 屬于自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)；而電解池則與它相反，即為電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能的裝置，是在外接電源的作用下發(fā)生氧化還原反應(yīng)。 在分析電化學(xué)試題時，我們要充分提取題干中有效信息，判斷出題干所考查的內(nèi)容是原電池還是電解池。 如題目所給的裝置圖中的電極材料若與“光伏電池”“直流電源”“電源”“+、-”等相連時，則判斷為電解池；若電極材料與“負(fù)載”“用電器”等相連時，可判斷為原電池。 題干描述中若出現(xiàn)“二次電池”，是指該電池既可放電也可充電，放電時用作原電池，充電時用作電解池。 通常，題干信息中出現(xiàn)“空氣電池、微生物電池、燃料電池”等是指原電池，如果出現(xiàn)“電解法”“電解氧化法”“電滲析法”“外加電流的陰極保護(hù)法”等往往指電解池。

3.2 電極判斷

在原電池中，兩個電極名稱分別是正極和負(fù)極，正極得電子，發(fā)生還原反應(yīng)；而負(fù)極失電子，發(fā)生氧化反應(yīng)。 原電池的負(fù)極一般為：1） 活性金屬 材 料， 如Li、Mg、Al、Pb、Zn、Ag 等；2）C3H8O、C6H12O6、CH3COO-、CH3OH 等可失電子的有機物質(zhì)所在的電極；3） 有Li+、Cu2+等陽離子流出的電極；4） 電子流出的電極。 原電池的正極一般為：1）有O2、Cl2等氧化性強的非金屬單質(zhì)所通入的電極；2）有MnO2、WO3、AgO、PbO2等高價態(tài)的金屬氧化物的電極；3）AgCl、NiOOH、K2FeO4等具有氧化性物質(zhì)的電極；4）電流流出的電極[4～6]。

在電解池中兩個電極分別叫做陽極和陰極，陰極得電子，發(fā)生還原反應(yīng)；陽極失電子，發(fā)生氧化反應(yīng)。 對于陰陽極判斷的依據(jù)有：1） 與電源負(fù)極相連的電極稱作陰極，與電源正極相連的電極稱作陽極；2）根據(jù)題干所給總反應(yīng)式來判斷，觀察反應(yīng)式中元素的化合價變化，有元素化合價降低的一極為陰極， 元素化合價升高的一極作陽極；3）根據(jù)生成物來判斷，電極上若有O2、Cl2生成，則該電極為陽極，若有Zn、Pb、H2等生成，該電極為陰極。

3.3 反應(yīng)式的書寫

在書寫電極反應(yīng)式時， 需遵循原子守恒、得失電子守恒、電荷守恒。 按照程序性原則將電極反應(yīng)式書寫步驟一般分為五步：1） 寫反應(yīng)物，在題目所呈現(xiàn)的信息中找出各個電極的反應(yīng)物；2）寫生成物， 根據(jù)化學(xué)反應(yīng)規(guī)律寫出生成物；3）得失電子，根據(jù)化合價變化寫出得到或失去電子的數(shù)目；4）配平電荷，依據(jù)電荷守恒，配出相關(guān)離子和數(shù)目；5）缺啥補啥，根據(jù)原子守恒補齊物質(zhì)使反應(yīng)式前后各原子數(shù)目相等。 總反應(yīng)式在書寫時可將正負(fù)電極或陰陽電極相加得到，需滿足得失電子守恒，也可以根據(jù)氧化還原反應(yīng)的規(guī)律直接寫出總反應(yīng)式[7～9]。

3.4 電流、電子、離子的移動方向

電流可以通過外電路，也可以通過內(nèi)電路，而電子不能進(jìn)入電解質(zhì)溶液。 在無離子交換膜存在時， 一般陰陽離子遷移方向如表2 所示。若有離子交換膜存在， 則根據(jù)題目中隔膜、離子選擇性膜做出具體判斷，其中，只允許質(zhì)子通過的膜為質(zhì)子交換膜，允許陽離子通過的膜是陽離子交換膜，允許陰離子通過的膜是陰離子交換膜[10]。

表2 電池中電流、電子、離子移動方向

3.5 定量計算

定量計算是按照題目所給定或規(guī)定的相關(guān)量，運用化學(xué)原理或方法將化學(xué)問題進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，計算出其他量。 電化學(xué)中的定量計算一般包括物質(zhì)的量、氣體體積、物質(zhì)的量濃度、質(zhì)量等，常見的類型有：1）根據(jù)放電或充電時反應(yīng)物的化學(xué)計量變化，計算轉(zhuǎn)移的電子數(shù)目；2）根據(jù)電路中轉(zhuǎn)移的電子數(shù)目，計算放電或充電時產(chǎn)物的相關(guān)量；3）根據(jù)電路中轉(zhuǎn)移的電子數(shù)目，計算電極的質(zhì)量變化。 電化學(xué)試題中的定量計算可借助電極反應(yīng)式，遵循得失電子守恒的思想來應(yīng)對。

為了方便讀者更好的理解和掌握電化學(xué)試題的多方位解法，現(xiàn)以下面幾個具體實例加以說明（見圖5～圖7）。

圖5

圖7

例5 解法說明： 該題題干中出現(xiàn)了“電滲析法”“直流電場”“+、-”等關(guān)鍵字眼，因此判斷該電池為電解池。 左邊惰性材料與“-”相連，為陰極，右邊惰性材料與“+”相連，為陽極。SO42-為陰離子，從正極區(qū)移向負(fù)極區(qū)。 陰極反應(yīng)式書寫步驟：先寫出陰極反應(yīng)物為H2O， 再寫出生成物為H2，得到2e-，然后用OH-配平，最終為2H2O+2e-=H2↑+2OH-。 根據(jù)電子轉(zhuǎn)移的數(shù)目進(jìn)行定量計算，可知電路中通過1mol 電子時，生成0.25molO2生成。

例6 解法說明：該題干出現(xiàn)“微生物電池”“化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能”，因此判斷該電池為原電池。 左邊反應(yīng)物有C6H12O6為負(fù)極， 右邊反應(yīng)物是O2為正極。 質(zhì)子交換膜只允許質(zhì)子通過，質(zhì)子從負(fù)極區(qū)移向正極區(qū)。 根據(jù)書寫步驟寫出負(fù)極電極反應(yīng)式：第一步找出反應(yīng)物為C6H12O6，第二步判斷出生成物有CO2， 第三步根據(jù)化合價變化計算出每消耗1molC6H12O6失去24mole-，第四步依據(jù)電荷守恒，用H+配平反應(yīng)式左右兩端電荷，第五步采用原子守恒補充缺少的物質(zhì)， 最終寫的式子為C6H12O6-24e-+6H2O=6CO2+24H+；再根據(jù)同樣的步驟寫出正極的反應(yīng)式為O2+4e-+4H+=2H2O； 綜合正負(fù)極反應(yīng)式及運用得失電子守恒，寫出總反應(yīng)式為C6H12O6=6CO2+6H2O。 也可通過氧化還原反應(yīng)的規(guī)律直接寫出總反應(yīng)式。

圖6

例7 解法說明：從題干可知，b 極H2O 轉(zhuǎn)化為O2，a 極CO2轉(zhuǎn)化為C3H8O，且圖像中有“-||-”，可知該電池為電解池，a 極為陰極，b 極為陽極。 H+通過質(zhì)子交換膜從陽極移向陰極。a 極電極反應(yīng)式書寫步驟：第一步寫出反應(yīng)物為CO2，第二步找出生成物為C3H8O，第三步根據(jù)化合價變化計算出每生成1molC3H8O 時得到18mole-，第四步根據(jù)電荷守恒用H+配平電荷，第五步根據(jù)原子守恒，補充缺少的物質(zhì)H2O，最終得出的反應(yīng)式為3CO2+18e-+18H+=C3H8O+5H2O。按照電極反應(yīng)式書寫步驟，寫出b 極反應(yīng)式為2H2O-4e-=O2↑+4H+，每生成1molO2轉(zhuǎn)移4mol 電子，再結(jié)合a 極反應(yīng)式，計算電路中有4 mol 電子轉(zhuǎn)移時，被還原的CO2為