◇　北京　陶秀梅(特級教師)

(作者單位：北京市第十八中學(xué))

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基于核心內(nèi)容的電化學(xué)知識復(fù)習(xí)

◇北京陶秀梅(特級教師)

電化學(xué)是高中化學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容,是最能體現(xiàn)化學(xué)源于生活并服務(wù)于生活和社會,體現(xiàn)化學(xué)有用性和真實(shí)價值的具體實(shí)例,近幾年高考對電化學(xué)內(nèi)容的考查,越來越關(guān)注對核心知識的理解和具體應(yīng)用的真實(shí)價值．因此,在高三的復(fù)習(xí)中,要強(qiáng)化對基礎(chǔ)知識的認(rèn)識和熟練,使知識更加系統(tǒng)化和網(wǎng)絡(luò)化;要強(qiáng)化把學(xué)科知識轉(zhuǎn)化為學(xué)科能力,加深對學(xué)科思想的理解．下面談一談在電化學(xué)專題復(fù)習(xí)中要落實(shí)的幾項內(nèi)容.

1　為什么要研究化學(xué)能與電能的相互轉(zhuǎn)化

電化學(xué)在能量轉(zhuǎn)換、物質(zhì)合成、防止金屬腐蝕等方面應(yīng)用廣泛,通過電化學(xué)的學(xué)習(xí)和研究能夠解決生產(chǎn)、生活、科學(xué)技術(shù)活動中的真實(shí)問題,感受化學(xué)可以使生活更美好．2015年作為全世界薄膜發(fā)電領(lǐng)域最大的公司漢能集團(tuán)成為中國內(nèi)地資產(chǎn)首富,足以說明電化學(xué)在國民經(jīng)濟(jì)中占有多么重要的地位．

1.1利用電化學(xué)原理可以改造傳統(tǒng)能源和開發(fā)新能源，設(shè)計各種新型電池

例如:鋰離子電池見圖1，染料敏化太陽能電池見圖2，鎂-次氯酸鹽燃料電池見圖3.還有各種燃料電池及新型電池的開發(fā)利用,為改造傳統(tǒng)能源和開發(fā)新能源提供了有力理論支持．

圖1

1.2利用電化學(xué)原理可以更加綠色地制取新物質(zhì)，解決環(huán)境問題

圖4

分析通常工業(yè)上制取NH4NO3通過以下流程完成:

這種方法反應(yīng)環(huán)節(jié)多、生產(chǎn)效率低,在生產(chǎn)過程中容易產(chǎn)生有害物質(zhì)造成大氣污染．若用電解NO的方法,則可以減少反應(yīng)步驟和環(huán)節(jié)、減少污染物的排放,生產(chǎn)效率高,是一種非常好的辦法．

圖5

分析a室發(fā)生陽極反應(yīng):

2H2O-4e-=4H++O2↑;

H+從a室進(jìn)入b室,發(fā)生反應(yīng):

此時b室排出海水的pH<6.

c室發(fā)生陰極反應(yīng)

2H2O+2e-=2OH-+H2↑,

生成的OH-與pH<6的海水中和,合格后排回大海．

通過典型例題的練習(xí)和電化學(xué)前沿內(nèi)容的拓展,體會到應(yīng)用電化學(xué)原理通過裝置的設(shè)計,克服了傳統(tǒng)工業(yè)在生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)效率低、易造成大氣污染等問題,實(shí)現(xiàn)了能量的高效轉(zhuǎn)化,既體現(xiàn)了化學(xué)的有用性,又開拓學(xué)生視野,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情．

2從原理、技術(shù)、應(yīng)用層面認(rèn)識化學(xué)能與電能的轉(zhuǎn)化

在《選修4》教材中是這樣描述電化學(xué)的:電化學(xué)是研究化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化的裝置、過程和效率的科學(xué)．也就是說在高中階段不僅要求理解原理,還要對技術(shù)和應(yīng)用層面的問題有所領(lǐng)悟．在《必修2》及《選修4》階段的學(xué)習(xí)中,大家已經(jīng)明確了通過設(shè)計可以使自發(fā)的氧化還原反應(yīng)中的電子定向移動,獲得電流;知道了電流可以引發(fā)氧化還原反應(yīng),電解法是最強(qiáng)有力的氧化還原手段;還知道了通過改進(jìn)工藝設(shè)計,可以提高能量的轉(zhuǎn)化效率．

圖6

A該過程是將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的過程;

B催化劑a表面發(fā)生氧化反應(yīng),有O2產(chǎn)生;

C催化劑a附近酸性減弱,催化劑b附近酸性增強(qiáng);

D催化劑b表面的反應(yīng)是

CO2+2H++2e-=HCOOH

分析試題以人工光合作用為背景,提供了一個類似于電解池構(gòu)型的光解池,素材陌生度高,情景呈現(xiàn)方式新穎,要想準(zhǔn)確作答,需要從原理、技術(shù)、應(yīng)用等層面加以理解,圖7為利用人工光合作用制造“太陽能燃料”的原理.

甲　原理圖　　　　　　　　乙　原理放大圖

丙　原理簡圖　圖7

在復(fù)習(xí)時要注意思考:

1) 這種裝置從電化學(xué)角度看,它的名稱是什么?為什么?

2) 電極總反應(yīng)是什么?

3) 如果沒有原理圖,如何寫出電極總反應(yīng)?

4)a、b電極名稱是什么?怎樣寫出a電極所發(fā)生的電極反應(yīng)?

5) ① 該過程是將太陽能轉(zhuǎn)化為________能的過程.② 催化劑b表面的反應(yīng)________.③ 催化劑a附近酸性減弱,催化劑b附近酸性增強(qiáng)的原因是什么?

通過對試題的完整分析,可以總結(jié)、建構(gòu)電化學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)規(guī)律，電化學(xué)的核心內(nèi)容就是利用氧化還原反應(yīng)原理,將導(dǎo)線中的電子與電解質(zhì)中的離子,通過一定的工藝設(shè)計使其分別在電池的2個不同區(qū)域得失電子，發(fā)生氧化還原反應(yīng),通過氧化和還原反應(yīng)實(shí)現(xiàn)電子導(dǎo)電與離子導(dǎo)電的轉(zhuǎn)換,使整個裝置形成“通路”,達(dá)到化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化的目的．

工業(yè)上對電池的表述更加廣泛, 即電池是一種化學(xué)電源,它由2種不同成分的電化學(xué)活性電極分別組成正負(fù)極,兩電極浸泡在能提供媒體傳導(dǎo)作用的電解質(zhì)中,當(dāng)連接在某一外部載體上時,通過轉(zhuǎn)換其內(nèi)部的化學(xué)能來提供電能．通過反應(yīng)將化學(xué)能或物理能轉(zhuǎn)化為電能,是一種能量轉(zhuǎn)化與儲存的裝置．

2.1電化學(xué)內(nèi)容認(rèn)知模型

明確電池的4要素: 1)電子導(dǎo)體(導(dǎo)線); 2)離子導(dǎo)體(電解質(zhì)); 3)電極材料(金屬、非金屬、新型材料); 4)電極反應(yīng)(氧化或還原反應(yīng)).

圖8

研究電化學(xué)要從原理、裝置、微粒的運(yùn)動和變化等角度全面分析．

1) 回顧最基本的銅-鋅-硫酸原電池找出構(gòu)成原電池的基本要素．

2) 通過雙液電池的分析,鞏固建立基本模型,弄清模型中各要素的內(nèi)容,理清關(guān)系．

3) 利用蓄電池實(shí)例,訓(xùn)練解決實(shí)際問題的能力．

2.2研究電化學(xué)的一般步驟

通過基礎(chǔ)知識的復(fù)習(xí)和解題訓(xùn)練,明確研究電化學(xué)的一般步驟,如圖9所示.

圖9

圖10

(1)Pt電極上發(fā)生的是________反應(yīng)(填“氧化”或“還原”)．

(2)寫出NiO電極的電極反應(yīng)式________．

分析1) 確定研究的是什么電池.仔細(xì)觀察電池的工作原理示意圖,沒有外加電源,是原電池．

2) 判斷電池的電極.電池Pt電極通入的是O2變?yōu)镺2-,元素化合價降低,得電子,發(fā)生的是還原反應(yīng),判斷是正極．NiO電極NO轉(zhuǎn)化為NO2,元素化合價升高,失去電子,發(fā)生的是氧化反應(yīng),判斷是負(fù)極．

3) 書寫電極反應(yīng)式.結(jié)合題設(shè)的情境,電極反應(yīng)式為:

正極:O2+4e-=2O2-還原反應(yīng).

負(fù)極:NO+O2--2e-=NO2氧化反應(yīng).

書寫電極反應(yīng)式是電化學(xué)內(nèi)容考查的重點(diǎn),也是出現(xiàn)問題最多的知識點(diǎn),感覺是最難應(yīng)付的．試題中要求書寫的電極反應(yīng)大多數(shù)情況是陌生的氧化還原方程式,書寫的步驟歸納為:

a) 認(rèn)真閱讀試題,有效提取題目信息,基于裝置功能明確是得電子還是失電子?找出反應(yīng)物和生成物．

b) 哪種物質(zhì)(微粒)得、失電子?得、失多少電子?電極周圍還有哪些粒子?這些粒子處于什么環(huán)境中,能否繼續(xù)反應(yīng)?生成什么?

c) 補(bǔ)全反應(yīng)式中所缺的物質(zhì)或離子(一般補(bǔ)H2O、H+、OH-)．

4) 檢查.完成電極反應(yīng)式的配平,要從定性(元素種類、電荷種類、化合價變化等)、定量(電子守恒、電荷守恒、元素守恒)方面考慮．

(2)當(dāng)陰極室中溶液pH升至8以上時,吸收液再生并循環(huán)利用．簡述再生原理______________．

圖11

從上述例題的解題過程可以看出,如果掌握了電化學(xué)知識的認(rèn)知模型和解題的一般思路,通過仔細(xì)觀察、認(rèn)真思考就能夠準(zhǔn)確、快速地解答．

3從宏觀、微觀、符號3個層次理解并實(shí)現(xiàn)有機(jī)融合

電化學(xué)內(nèi)容突出體現(xiàn)了宏觀、微觀、符號三重表征的有機(jī)融合．電化學(xué)中對電池反應(yīng)中的現(xiàn)象及產(chǎn)物的判斷是宏觀上的,電子和離子等微觀粒子的移動、鹽橋的知識需要運(yùn)用微粒觀理解,而電離方程式、電極反應(yīng)式等化學(xué)語言的呈現(xiàn)需要抽象思維能力．因此在復(fù)習(xí)中要通過恰當(dāng)?shù)哪Ｊ胶筒呗?做到知其然又知其所以然,并且能夠準(zhǔn)確表達(dá)．

在復(fù)習(xí)中要時刻不忘三重關(guān)系的分析與表達(dá),還要訓(xùn)練書寫的規(guī)范和考慮問題的全面等．

綜合所述,在高三電化學(xué)專題復(fù)習(xí)過程中,首先要重新審視所學(xué)的內(nèi)容,從整體角度對必修及選修教材相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行分析,在深刻理解氧化還原反應(yīng)本質(zhì)的基礎(chǔ)上,從能量轉(zhuǎn)化與守恒及微觀粒子的運(yùn)動與反應(yīng)的角度,建立電化學(xué)的認(rèn)知體系,再結(jié)合高考試題進(jìn)行深入研究,在復(fù)習(xí)中落實(shí)鞏固,使體系更加完善,應(yīng)用更加自如,提升知識的遷移能力,深刻領(lǐng)會電化學(xué)的核心內(nèi)容,做到以不變應(yīng)萬變．

(作者單位：北京市第十八中學(xué))