◇　河北　顏建河

(作者單位：河北省衡水市故城縣教育局教研室)

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高考“寵兒”
——化學(xué)能與電能的命題特點(diǎn)及解決對(duì)策

◇河北顏建河

電化學(xué)是高考命題的熱點(diǎn)之一,試題多以選擇題為主,同時(shí)也穿插在非選擇題中．電化學(xué)的知識(shí)內(nèi)容既可以涉及物理知識(shí)的應(yīng)用,也可以與生產(chǎn)生活、新科技及新技術(shù)等問(wèn)題相聯(lián)系,是不可忽略的一個(gè)知識(shí)點(diǎn)．所考查的內(nèi)容多以原電池的工作原理、電解產(chǎn)物判斷、電池反應(yīng)方程式的書(shū)寫(xiě)、離子的移動(dòng)方向、溶液的pH變化、金屬的腐蝕和防護(hù)為熱點(diǎn)．特別是可充電電池方面的信息遷移題更是高考的一大亮點(diǎn),這類(lèi)試題情境新、陌生度高,且知識(shí)切入點(diǎn)低、綜合性強(qiáng),充分體現(xiàn)了高考化學(xué)科目考能力這一指導(dǎo)思想．為此,一定要立足基礎(chǔ)、重視課本核心知識(shí)的梳理與總結(jié),充分利用典型例(習(xí))題的講評(píng),最終實(shí)現(xiàn)在運(yùn)用(訓(xùn)練)中掌握知識(shí)、提升能力．

1　原電池與電解池判斷方法

由于原電池與電解池的組成相似,電極反應(yīng)的類(lèi)型相同(均為氧化還原反應(yīng)),以至于學(xué)生不能正確判斷哪種是原電池,哪種是電解池，如何區(qū)別呢?其方法如下:

1) 從能量轉(zhuǎn)化判斷.

原電池是把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置,而電解池是把電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的裝置．盡管它們的組成類(lèi)似,但作用不同,原電池可用來(lái)產(chǎn)生電流,而電解池卻要消耗電能．

2) 從電極名稱(chēng)判斷.

原電池的兩極分別叫正、負(fù)極,兩極名稱(chēng)由電極材料決定,電極材料多為2種活動(dòng)性不同的金屬(其中一種也可以是非金屬或某些氧化物),相對(duì)活動(dòng)性強(qiáng)的金屬易失去電子為負(fù)極,活動(dòng)性弱的難失去電子的為正極．例如,銅鋅原電池,活潑金屬鋅為負(fù)極,不活潑金屬銅為正極．

電解池的兩極分別叫陰、陽(yáng)極,兩極名稱(chēng)由外接直流電源決定,與外接直流電源負(fù)極相接的一極叫陰極,與外接直流電源正極相接的一極叫陽(yáng)極．

3) 從電極反應(yīng)判斷.

圖1

以銅鋅原電池和電解氯化銅溶液為例說(shuō)明:

a)銅鋅原電池如圖1所示．

負(fù)極(鋅片)：電子流出的一極,其電極反應(yīng)式為Zn-2e-=Zn2+(氧化反應(yīng));

正極(銅片)：電子流入的一極,其電極反應(yīng)式為2H++2e-=H2↑ (還原反應(yīng))．

為了便于記憶可歸納為4個(gè)字:負(fù)氧正還．

圖2

b)氯化銅電解池(石墨作電極)如圖2所示．

陽(yáng)極(C1)：與直流電源正極相接,其電極反應(yīng)式為2Cl--2e-=Cl2↑(氧化反應(yīng));

陰極(C2)：與直流電源負(fù)極相接,其電極反應(yīng)式為Cu2++2e-=Cu(還原反應(yīng))．

為了便于記憶可歸納為4個(gè)字:陽(yáng)氧陰還．

4) 從電子流動(dòng)方向判斷.

在原電池中,電子從負(fù)極流入正極．在電解池中,電子從直流電源負(fù)極流入陰極,通過(guò)電解質(zhì)溶液到陽(yáng)極,從陽(yáng)極再回到直流電源的正極．

圖3

電解氯化銅溶液時(shí),用石墨作電極,它在一般條件下不參加反應(yīng),故叫惰性電極．若把電極換成某種金屬,情況就不同了,電極本身要參加反應(yīng),如在氯化鋅溶液中,用鐵、鋅作電極如圖3所示．

陽(yáng)極(鋅片)：與直流電源正極相接,電極反應(yīng)式為Zn-2e-=Zn2+(氧化反應(yīng));

陰極(鐵片)：與直流電源負(fù)極相接,其電極反應(yīng)式為Zn2++2e-=Zn(還原反應(yīng))．

經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的反應(yīng),鋅就沉積在鐵片的表面上,這就是電鍍．電鍍是電解原理的一種運(yùn)用,電解和電鍍雖然陽(yáng)極發(fā)生的都是氧化反應(yīng),但前者是電解質(zhì)溶液的離子發(fā)生氧化反應(yīng),而后者是陽(yáng)極本身發(fā)生的氧化反應(yīng),反應(yīng)結(jié)果是消耗了陽(yáng)極,而電解質(zhì)溶液無(wú)變化．

綜上所述,原電池、電解池、電鍍池3種裝置的區(qū)別搞清楚了,判斷方法就可迎刃而解．

1) 單一裝置:a) 凡有外加直流電源的裝置,該裝置為電解池．若電極本身參加反應(yīng),則可能是電鍍池或電解精煉(需具體分析)．b) 無(wú)外加直流電源,兩電極用金屬(或一種非金屬或某些氧化物)放在電解質(zhì)溶液里的裝置,就是原電池．用導(dǎo)線把兩極連接，該原電池開(kāi)始工作,即產(chǎn)生電流．若不用導(dǎo)線把兩極連接,該原電池沒(méi)有工作,即不產(chǎn)生電流．如干電池沒(méi)有用導(dǎo)線把兩極連接起來(lái),就沒(méi)有工作,即不產(chǎn)生電流,它仍然是原電池．

2) 復(fù)合裝置:a) 若有外加直流電源與幾個(gè)裝置串聯(lián)或并聯(lián),則各個(gè)裝置都是電解池,若電極本身參加反應(yīng),則可能是電鍍池或電解精煉(需具體分析)．b) 若無(wú)外加直流電源,而是用導(dǎo)線把各池的電極串聯(lián)或并聯(lián)起來(lái),要根據(jù)電極材料本身的相對(duì)活動(dòng)性來(lái)決定．由于中學(xué)階段不學(xué)電極電位,一般活動(dòng)性大的金屬作電極的裝置為原電池,與原電池相連的各池是電解池,若電極參加反應(yīng)者,情況如前所述．如圖4所示，從電極材料本身看,鋁相對(duì)活動(dòng)性大,B池為原電池,負(fù)極(Al):2Al-6e-=2Al3+;正極(Cu):3Cu2++6e-=3Cu．A池為電解池,陽(yáng)極(Cu):Cu-2e-=Cu2+;陰極(Fe):2H++2e-=H2↑．電子由Al流到Fe,再由A池的Cu流到B池的Cu．再如圖5所示，電極材料中鐵的相對(duì)活動(dòng)性大,所以A池為原電池．電極反應(yīng)如下，負(fù)極(Fe):Fe-2e-=Fe2+;正極(Cu):2H++2e-=H2↑．電子由Fe流到C,再由B池的Cu流到A池的Cu．B池為電解池,電極反應(yīng)如下，陽(yáng)極(Cu):Cu-2e-=Cu2+;陰極(C):Cu2++2e-=Cu．經(jīng)過(guò)一段時(shí)間,C電極上沉積一層銅．

圖4　　　　　　　　　　　　圖5

2　可充電電池核心知識(shí)分析

1) 可充電電池分為放電和充電2個(gè)過(guò)程．放電是原電池反應(yīng),其相關(guān)知識(shí)可依據(jù)原電池原理進(jìn)行分析;充電是電解池反應(yīng),其相關(guān)知識(shí)可依據(jù)電解原理進(jìn)行分析．

2) 判斷電池放電時(shí)的電極極性和材料,可先標(biāo)出放電(原電池)總反應(yīng)式電子轉(zhuǎn)移的方向和數(shù)目,失去電子的一極為負(fù)極,該物質(zhì)為負(fù)極材料;得到電子的一極為正極,該物質(zhì)為正極材料．判斷電池充電時(shí)的電極極性和材料,方法同前,失去電子的一極為陽(yáng)極,該物質(zhì)即為陽(yáng)極材料;得到電子的一極為陰極,該物質(zhì)即為陰極材料．

3) 書(shū)寫(xiě)可充電電池電極反應(yīng)時(shí),一般都是先書(shū)寫(xiě)放電的電極反應(yīng)式．書(shū)寫(xiě)時(shí)要遵循以下步驟:a)先標(biāo)出原電池總反應(yīng)式電子轉(zhuǎn)移的方向和數(shù)目,指出參與負(fù)極和正極反應(yīng)的物質(zhì);b)寫(xiě)出一個(gè)比較容易書(shū)寫(xiě)的電極反應(yīng)式(要注意電極產(chǎn)物是否與電解質(zhì)溶液共存);c)要在遵循電子守恒的基礎(chǔ)上,用總反應(yīng)式減去寫(xiě)出的電極反應(yīng)式即得另一電極反應(yīng)式．對(duì)于充電的電極反應(yīng)來(lái)說(shuō),其書(shū)寫(xiě)方法與放電的電極反應(yīng)過(guò)程相反,即充電的陽(yáng)極反應(yīng)為放電正極反應(yīng)的逆過(guò)程,充電的陰極反應(yīng)為放電負(fù)極反應(yīng)的逆過(guò)程．

4) 判斷可充電電池的氧化還原過(guò)程,可根據(jù)電極反應(yīng)式進(jìn)行分析,放電(原電池)的負(fù)極及充電(電解池)的陽(yáng)極均失去電子,其變價(jià)元素被氧化,發(fā)生了氧化反應(yīng)，放電(原電池)的正極及充電(電解池)的陰極均得到電子,其變價(jià)元素被還原,發(fā)生了還原反應(yīng)．

5) 對(duì)溶液中離子移動(dòng)方向的判斷．放電時(shí),陰離子移向負(fù)極,陽(yáng)離子移向正極;充電時(shí),陰離子移向陽(yáng)極,陽(yáng)離子移向陰極．

6) 可充電電池充電時(shí)與電源的連接關(guān)系.可充電電池用完后充電時(shí),原電池的負(fù)極與外電源的負(fù)極相連,原電池的正極與外電源的正極相連．

(負(fù)極)(正極)

(陰極)(陽(yáng)極)

根據(jù)上述電子轉(zhuǎn)移情況及電池相關(guān)知識(shí),即可迅速寫(xiě)出原電池和電解池的反應(yīng)式．

當(dāng)然,要解決好可充電電池方面的問(wèn)題,其關(guān)鍵是必須認(rèn)真閱讀題干、理解題示信息,切實(shí)把握好以下幾點(diǎn):

1) 放電時(shí)按原電池原理進(jìn)行分析,充電時(shí)按電解原理分析．

2) 充放電時(shí)電極與電源的連接不能錯(cuò)位,即放電時(shí)的負(fù)極板,在充電時(shí)必須連接電源負(fù)極,作為陰極發(fā)生還原反應(yīng);放電時(shí)的正極板,在充電時(shí)連接電源正極,作為陽(yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng)．這樣,才能達(dá)到兩塊極板經(jīng)充電復(fù)原,成為可重復(fù)使用的充電電池．

3) 溶液中陰、陽(yáng)離子移動(dòng)方向是:a) 放電時(shí)陽(yáng)離子移向正極,陰離子移向負(fù)極;b) 充電時(shí)陽(yáng)離子移向陰極(-),陰離子移向陽(yáng)極(+)．

4) 要注意電池所處的環(huán)境．

3　運(yùn)用

涉及有關(guān)可充電電池方面的試題,是歷年高考化學(xué)學(xué)科的必考題型之一．為此,要解答好這方面的題目,其關(guān)鍵就在于能否正確書(shū)寫(xiě)電極反應(yīng)式,而電極反應(yīng)式書(shū)寫(xiě)的切入點(diǎn)則是放電時(shí)的電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)．倘若學(xué)生能熟練掌握上述相關(guān)知識(shí),這方面的問(wèn)題便可迅速解決．

請(qǐng)回答下列問(wèn)題(不考慮氫、氧的氧化還原):

圖6

(1) 放電時(shí):正極的電極反應(yīng)式是________;電解液中H2SO4的濃度將變________;當(dāng)外電路通過(guò)1mol電子時(shí),理論上負(fù)極板的質(zhì)量增加________g．

(2) 在完全放電耗盡PbO2和Pb時(shí),若按圖6連接,電解一段時(shí)間后,則在A電極上生成________,B電極上生成________,此時(shí)鉛蓄電池的正負(fù)極的極性將________．

(1) 關(guān)于蓄電池的下列說(shuō)法,不正確的是________．

① 放電時(shí),Fe為負(fù)極; ② 充電時(shí)陽(yáng)極電極反應(yīng)式為Fe(OH)2+2e-=Fe+2OH-; ③ 放電時(shí),電解質(zhì)溶液中的陽(yáng)離子向負(fù)極移動(dòng); ④ 充電時(shí),Ni(OH)2的電極反應(yīng)式為Ni(OH)2-2e-=NiO2+2H+; ⑤ 蓄電池的電極必須浸在堿性電解質(zhì)溶液中．

(2) 以此蓄電池為電源,用鉑電極電解CuSO4溶液500mL．當(dāng)蓄電池中電解質(zhì)溶液質(zhì)量減輕0.9g時(shí),電解池(不考慮其他損耗)陰極上析出________,其質(zhì)量為_(kāi)_______g．若原CuSO4溶液的pH為5,電解后溶液體積的變化忽略不計(jì),則電解后溶液的pH為_(kāi)_______．

(負(fù)極)(正極)

(陰極)(陽(yáng)極)

根據(jù)上述整合的信息及題中給予的條件,題中的各個(gè)問(wèn)題便可迎刃而解．

(1) 根據(jù)上述電子轉(zhuǎn)移情況,可判斷出原電池的正、負(fù)極和電解池的陰、陽(yáng)極,并由此判斷出只有①、④、⑤正確．蓄電池的電極必須浸在堿性電解質(zhì)溶液

中,其原因是放電產(chǎn)生Fe(OH)2、Ni(OH)2必須存在于堿性環(huán)境中,且放電過(guò)程中產(chǎn)生的H+必須被立即中和掉．

(2) 以上述蓄電池為電源,用惰性電極電解CuSO4溶液,由于蓄電池中消耗的是0.9g水,則由關(guān)系式2e-～2H2O,可求出有0.05mol電子轉(zhuǎn)移．又因電解CuSO4溶液,其電極反應(yīng)為:

(損耗4OH-,余下水電離出的4H+).

當(dāng)電源輸出0.05mol電子時(shí),陰極上析出Cu為0.025mol,其質(zhì)量為1.6g．則溶液中增加H+0.05mol(損耗0.05mol水電離出的OH-)．故c(H+)=(0.05mol+10-5mol·L-1×0.5L)/0.5L=0.1mol·L-1,即pH=1．

(作者單位：河北省衡水市故城縣教育局教研室)