重慶

以高考題為背景論述高中教學(xué)過程中的過度歸納，根據(jù)事實和原理出發(fā)，建立電解池中離子放電的正確認(rèn)知模型——“陰離子可以在陰極放電，陽離子可以在陽極放電，含氧酸根離子甚至分子均可以參加電極反應(yīng)”。教會學(xué)生以積極的心態(tài)認(rèn)識和接受新知識、新情景。

1.問題的提出

分析電解放電，書寫電極反應(yīng)式時，為了讓學(xué)生快速找到放電離子，老師通常帶領(lǐng)學(xué)生共同參考各種資料進(jìn)行歸納總結(jié)，以便得出這類題目的認(rèn)知模型。如惰性電極電解溶液時，陽離子在陰極放電，陰離子在陽極放電，含氧酸根離子由于還原性弱于OH-，水溶液中通常不在陽極上放電。此經(jīng)驗規(guī)則在以后的習(xí)題訓(xùn)練和考試中不斷被強化，形成思維定勢導(dǎo)致學(xué)生解決此類問題時，審題不清，忽略題干的描述和信息，直接套用上述模型進(jìn)行證據(jù)推理，得出答案。

為驗證經(jīng)驗規(guī)律的準(zhǔn)確性查閱相關(guān)資料并分析近些年的高考試題，發(fā)現(xiàn)上述經(jīng)驗總結(jié)是典型的“過度歸納”。很多真實情景下的電極反應(yīng)與上述經(jīng)驗規(guī)則相違背，下面以高考題中涉及的真實情景為例簡單論述。

2.原理及案例分析

2.1 陰離子能在陰極放電嗎？

(1)鋼制品應(yīng)接電源的________極，已知電鍍過程中不產(chǎn)生其他離子且有機陽離子不參與電極反應(yīng)，陰極電極反應(yīng)式為____________________。若改用AlCl3水溶液作電解液，則陰極產(chǎn)物為________。

【例2】(2016·江蘇卷·20·節(jié)選)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。

2.2 陽離子能在陽極放電嗎？

陽極發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)，本質(zhì)是放電離子還原性的體現(xiàn)，某些處于較低價態(tài)陽離子具有較強的還原性，可以在陽極放電發(fā)生氧化反應(yīng)。

【例3】(2014·全國卷Ⅱ·27·節(jié)選)鉛及其化合物可用于蓄電池、耐酸設(shè)備及X-射線防護(hù)材料?；卮鹣铝袉栴}：

(3)PbO2也可以通過石墨為電極，Pb(NO3)2和Cu(NO3)2的混合溶液為電解液電解制取。陽極發(fā)生反應(yīng)的電極反應(yīng)式為____________________，陰極上觀察到的現(xiàn)象是__________________________；若電解液中不加入Cu(NO3)2，陰極發(fā)生的電極反應(yīng)式為______________，這樣做的主要缺點是____________________。

【例4】(2014·北京卷·28·改編)用FeCl3酸性溶液脫除H2S后的廢液，通過控制電壓電解得以再生。某同學(xué)使用石墨電極，在不同電壓(x)下電解pH=1的0.1 mol/L FeCl2溶液，研究廢液再生機理。記錄如下(a、b、c代表電壓值)

序號電壓/V陽極現(xiàn)象檢驗陽極產(chǎn)物Ⅰx≥a電極附近出現(xiàn)黃色,有氣泡產(chǎn)生有Fe3+、有Cl2Ⅱa>x≥b電極附近出現(xiàn)黃色,無氣泡產(chǎn)生有Fe3+、無Cl2Ⅲb>x>0無明顯變化無Fe3+、無Cl2

(1)甲同學(xué)由Ⅰ推測：Fe2+在陽極放電產(chǎn)生Fe3+。這種推測是否正確，并說明原因：______________。

(2)乙同學(xué)由Ⅱ推測，F(xiàn)e3+產(chǎn)生的原因還可能是Fe2+在陽極放電，其電極反應(yīng)式為______________。

(3)Ⅱ中雖未檢測出Cl2，但Cl-在陽極是否放電仍需進(jìn)一步驗證。電解pH=1的NaCl溶液做對照實驗，記錄如下：

序號電壓/V陽極現(xiàn)象檢驗陽極產(chǎn)物Ⅳa>x≥c無明顯變化有Cl2Ⅴc>x≥b無明顯變化無Cl2

與Ⅱ?qū)Ρ?，通過控制電壓驗證了Fe2+________(填“先于”“后于”或“同時”)Cl-放電。

分析高考題我們發(fā)現(xiàn)，陽離子可以在陽極放電，有些還原性較強的離子(如Fe2+)甚至可能先于陰離子反應(yīng)。而這恰好是符合氧化還原反應(yīng)規(guī)律的(還原性：Fe2+>Cl-)。

2.3 含氧酸根離子會參與電極反應(yīng)嗎？

【例5】(2012·北京卷·2·節(jié)選、改編)直接排放含SO2的煙氣會形成酸雨，危害環(huán)境。利用鈉堿循環(huán)法可脫除煙氣中的SO2。

n(SO2-3)∶n(HSO-3)91∶91∶11∶91pH8.27.26.2

(2)混合溶液pH降至約為6時，送至電解槽再生。再生示意圖如下：

【例6】(2016·全國卷Ⅰ·36·節(jié)選)高錳酸鉀(KMnO4)是一種常用氧化劑，主要用于化工、防腐及制藥工業(yè)等。以軟錳礦(主要成分為MnO2)為原料生產(chǎn)高錳酸鉀的工藝路線如下：

回答下列問題：

(4)將K2MnO4轉(zhuǎn)化為KMnO4的生產(chǎn)有兩種工藝。

①“CO2歧化法”是傳統(tǒng)工藝，即在K2MnO4溶液中通入CO2氣體，使體系呈中性或弱堿性，K2MnO4發(fā)生歧化反應(yīng)，反應(yīng)中生成KMnO4、MnO2和________(寫化學(xué)式)。

②“電解法”為現(xiàn)代工藝，即電解K2MnO4水溶液，電解槽中陽極發(fā)生的電極反應(yīng)為____________________，陰極逸出的氣體是________。

【例7】(2018·全國卷Ⅰ·27·節(jié)選、改編)制備Na2S2O5也可采用三室膜電解技術(shù)，裝置如圖所示，其中SO2堿吸收液中含有NaHSO3和Na2SO3。

(1)陽極的電極反應(yīng)式為______________。

(2)電解后，________室的NaHSO3濃度增加。

(3)b室的________(填“NaHSO3”或“Na2SO3”)濃度增加，原因是______________(用電極反應(yīng)式說明)。

2.4 分子有可能參與電極反應(yīng)嗎？

當(dāng)條件合適的情況下，電中性的分子也有可能參與電極反應(yīng)。

【例8】(2014·北京卷·26·節(jié)選)

(4)Ⅳ中，電解NO制備NH4NO3，其工作原理如圖所示，為使電解產(chǎn)物全部轉(zhuǎn)化為NH4NO3，需補充物質(zhì)A，A是________，說明理由：______________。

【答案】NH3觀察圖示轉(zhuǎn)化中應(yīng)通入NH3把多余的HNO3轉(zhuǎn)變?yōu)镹H4NO3

【例9】(2018·清華大學(xué)領(lǐng)軍計劃暨自主招生化學(xué)試題)利用電解產(chǎn)生的H2O2處理含氨廢水(電解前用酸調(diào)pH=5)的裝置如圖，下列判斷錯誤的是

( )

A.可用硫酸調(diào)節(jié)廢水的pH

B.陰極的電解產(chǎn)物之一是N2

C.陰極O2的消耗與陽極O2的產(chǎn)生量相同

D.電路中通過3 mol電子時除去廢水中17 g NH3

【答案】C

3.中學(xué)教學(xué)中的應(yīng)對方法

電解過程的本質(zhì)可以認(rèn)為是氧化還原反應(yīng)，影響微粒的氧化性或還原性的外界條件有很多，如濃度、溫度、溶液酸堿性、電極電勢等。高中學(xué)生由于知識水平所限，一些原理和方法不能講解，避免增加學(xué)生的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)。為了解決中學(xué)教學(xué)中的實際問題避免過度歸納，教師在電化學(xué)教學(xué)中應(yīng)牢記以下三點。

3.1 從電解反應(yīng)的本質(zhì)：氧化還原反應(yīng)入手分析

不從原理本身出發(fā)而只進(jìn)行片面的規(guī)則總結(jié)，不但不是學(xué)習(xí)知識和解決問題的萬能鑰匙，還會束縛學(xué)生的思維，阻礙學(xué)生對知識本質(zhì)的探求。電解池中，電極反應(yīng)式是微粒氧化性和還原性的體現(xiàn)，而不能簡單歸納為“陰離子在陽極放電，陽離子在陰極放電，含氧酸根離子通常不參與電極反應(yīng)”。

3.2 避免過度歸納，形成“先入為主”的定勢思維

適當(dāng)歸納總結(jié)是必要的，有利于知識的形成初步，學(xué)生可以利用經(jīng)驗規(guī)律解決常見的簡單問題。但在高中學(xué)習(xí)的后期，更應(yīng)該帶領(lǐng)學(xué)生從原理和事實出發(fā)體驗不一樣的電極反應(yīng)。過度歸納容易形成心理學(xué)上的“首因效應(yīng)”，學(xué)生牢牢抓住錯誤的認(rèn)知模型進(jìn)行證據(jù)推理當(dāng)然不能得出正確答案。教學(xué)中教師應(yīng)該教會學(xué)生辯證地看待問題，感受高中知識的局限，為以后的學(xué)習(xí)埋下種子。

3.3 題目的信息比“天大”，高考題中尤其如此