廣東

近幾年高考電化學試題都以新穎的原電池和電解池形式進行呈現(xiàn)，大部分學生在面對較為復雜的電化學試題時，出現(xiàn)“毫無頭緒”“沒有邏輯”“思維混亂”“無從下手”的情況。出現(xiàn)這些情況的主要原因是對電極材料本身是否發(fā)生反應混淆；對電解質溶液本身是否參與反應混淆；面對新型陌生的裝置，缺少合理的認識角度和思路；不能準確、全面地捕獲圖示信息等等。歸根結底是學生對電化學裝置的能量轉化過程不能系統(tǒng)地、有邏輯地分析，只停留在電極、電解質溶液等外觀形式，沒有深入理解其本質原因，如電子的得失和定向轉移引起的各種微粒之間的相互作用，以及環(huán)境微粒對生成物微粒的后續(xù)影響等等。針對這些問題，本文從命題、解題和教學三個維度深度剖析學科核心素養(yǎng)視域下電化學的命題機制、解題方法和教學策略。

一、典例呈現(xiàn)

【例1】(2019·全國卷Ⅰ·12)利用生物燃料電池原理研究室溫下氨的合成，電池工作時MV2+/MV+在電極與酶之間傳遞電子，示意圖如下所示。下列說法錯誤的是

( )

A.相比現(xiàn)有工業(yè)合成氨，該方法條件溫和，同時還可提供電能

C.正極區(qū)，固氮酶為催化劑，N2發(fā)生還原反應生成NH3

D.電池工作時質子通過交換膜由負極區(qū)向正極區(qū)移動

【答案】B

【例2】(2018·全國卷Ⅰ·13)最近我國科學家設計了一種CO2+H2S協(xié)同轉化裝置，實現(xiàn)對天然氣中CO2和H2S的高效去除。示意圖如圖所示，其中電極分別為ZnO@石墨烯(石墨烯包裹的ZnO)和石墨烯，石墨烯電極區(qū)發(fā)生反應為：

該裝置工作時，下列敘述錯誤的是

( )

C.石墨烯上的電勢比ZnO@石墨烯上的低

D.若采用Fe3+/Fe2+取代EDTA-Fe3+/EDTA-Fe2+，溶液需為酸性

【答案】C

【例3】(2017·全國卷Ⅰ·11)支撐海港碼頭基礎的鋼管樁，常用外加電流的陰極保護法進行防腐，工作原理如圖所示，其中高硅鑄鐵為惰性輔助陽極。下列有關表述不正確的是

( )

A.通入保護電流使鋼管樁表面腐蝕電流接近于零

B.通電后外電路電子被強制從高硅鑄鐵流向鋼管樁

C.高硅鑄鐵的作用是作為損耗陽極材料和傳遞電流

D.通入的保護電流應該根據(jù)環(huán)境條件變化進行調整

【答案】C

二、命題模型解析

電化學(尤其是新型電池)是目前研究領域的熱點，也是高考化學考查的重點和難點。高考電化學試題的情境來源于生活中的化學電源、研發(fā)中的新型電池、實驗室中的電化學裝置以及生產(chǎn)中的電化學設備等，既能考查電化學知識，也能考查化學學科核心素養(yǎng)，還能滲透創(chuàng)新意識和社會責任等情感態(tài)度與價值觀，凸顯化學學科“育人”的價值功能，備受高考命題青睞。

“宏微結合與變化平衡”是化學核心素養(yǎng)的學科特征，“證據(jù)推理與模型認知”是化學核心素養(yǎng)的思維核心。電化學，尤其是新型電源和光電設備，不僅能體現(xiàn)化學學科的價值，而且有利于學生獲取相關的知識與科學方法，更好地促進學生掌握化學學科規(guī)律。學習和使用電化學知識既能解決化學問題，又能提高學生的化學學科核心素養(yǎng)。從化學學科核心素養(yǎng)的角度分析和認識高考化學中的電化學試題，有助于學生理清電化學試題中關于化學學科核心素養(yǎng)的考查思路，也有利于促進化學學科核心素養(yǎng)在教學和考試評價中的落實。

圖1 基于化學核心素養(yǎng)的電化學試題命制模型

1.例1的分析

(1)本文例1中的電池是猶他大學的Minteer教授在Angew.Chem.Int.Ed發(fā)表的最新研究成果，如圖2所示，以新穎的素材為載體，考查原電池原理的應用。以“室溫下氨的合成”為主題，使考生深刻認識到電化學在工業(yè)生產(chǎn)上的應用價值，體現(xiàn)了對“科學精神和社會責任”的核心素養(yǎng)的考查；通過對酶(催化劑)的認識，滲透了“人類的智慧是無窮的”的理念，從微觀角度理解“MV+和MV2+的相互轉化”，體現(xiàn)了對“宏觀辨識和微觀探析”核心素養(yǎng)水平的考查。

圖2

(2)選項問題設置遷移程度、水平進階分析

選項分 析遷移程度(近、中、遠)水平進階A項相比現(xiàn)有工業(yè)合成氨的方法,該方法選用酶作催化劑,條件溫和,同時利用MV+和MV2+的相互轉化,化學能轉化為電能,故可提供電能從知道到理解,到應用,屬于近遷移簡單、良好結構情境B項左室為負極區(qū)不是陰極區(qū),MV+在負極失電子發(fā)生氧化反應生成MV2+,電極反應式為MV+-e- MV2+,放電生成的MV2+在氫化酶的作用下與H2反應生成H+和MV+,反應:H2+2MV2+ 2H++2MV+從事實到方法,到方法論,到學科本質觀,屬于近遷移從事實到概念,到關系,到結構,屬于中遷移復雜、良好結構情境簡單、不良結構情境C項右室為正極區(qū),MV2+在正極得電子發(fā)生還原反應生成MV+,電極反應式為MV2++e- MV+,放電生成的MV+與N2在固氮酶的作用下反應生成NH3和MV2+,反應:N2+6H++6MV+ 6MV2++NH3從事實到方法,到方法論,到學科本質觀,屬于近遷移復雜、良好結構情境D項電池工作時,氫離子(即質子)通過交換膜由負極向正極移動從事實到方法,到方法論,到學科本質觀,屬于近遷移簡單、良好結構情境

2.例2的分析

(1)本文例2中的協(xié)同轉化技術是中國科學院大連化學物理研究所李燦院士、宗旭研究員、馬偉光博士等人發(fā)展電催化技術，將天然氣中CO2和H2S資源化轉化的研究成果，2018年3月19日相關研究成果發(fā)表于《德國應用化學》。以我國科技人員取得的重大創(chuàng)新科研成果為背景，使考生深刻認識到化學、技術和社會之間的聯(lián)系，體現(xiàn)了對“科學精神和社會責任”核心素養(yǎng)的考查；基于“CO2+H2S協(xié)同轉化裝置”的分析推理，確定了其中的電解工作原理，考查了“證據(jù)推理和模型認知”的學科素養(yǎng)；通過對電極方程式的書寫和加工，從微觀角度理解了“CO2+H2S協(xié)同轉化”的機理，并感受它在工業(yè)生產(chǎn)上的應用價值，體現(xiàn)了對“宏觀辨識和微觀探析”核心素養(yǎng)水平的考查。

(2)選項問題設置遷移程度、水平進階分析

選項分 析遷移程度(近、中、遠)水平進階A項由題干信息:EDTAFe2+-e- EDTAFe3+,可知石墨烯為陽極,ZnO@石墨烯為陰極,根據(jù)圖中物質之間的轉化關系,可知CO2轉化為CO的電極方程式為CO2+2H++2e- CO+H2O從知道到理解,到應用,屬于近遷移簡單、良好結構情境B項將陽極區(qū)的這兩個反應與陰極電極方程式按著陰陽兩極電子得失守恒的原則相加,得總反應式:CO2+H2S CO+H2O+S,從而實現(xiàn)對天然氣中CO2和H2S高效去除的目的從事實到方法,到方法論,到學科本質觀,屬于近遷移復雜、良好結構情境C項石墨烯與光伏電池的正極相連,為陽極;ZnO@石墨烯電極與光伏電池的負極相連,為陰極,故石墨烯上的電勢要比ZnO@石墨烯上的電勢高從事實到概念,到關系,到結構,屬于中遷移簡單、不良結構情境D項Fe3+易水解,在溶液pH約為3.4時會完全形成氫氧化物沉淀,所以若采用Fe2+/Fe3+取代EDTAFe2+/EDTAFe3+,溶液需為酸性從事實到方法,到方法論,到學科本質觀,屬于遠遷移復雜、不良結構情境

3.例3的分析

(1)本文中的例3以支撐海港碼頭基礎(鋼管樁)的防腐設備為試題素材，使考生體會到化學知識的實際應用價值，樹立化學無處不在的觀念，化學學科擔負著解決社會環(huán)境、能源等實際問題的歷史使命的觀念，是科學精神和社會責任素養(yǎng)的滲透。通過對“表面腐蝕電流”探析金屬防腐技術原理以及裝置部件作用的理解，考查考生分析和解決問題的能力，是“證據(jù)推理和模型認知”的學科素養(yǎng)的體現(xiàn)；基于“保護電流”應該根據(jù)環(huán)境條件變化進行調整，體現(xiàn)了對“變化觀念與平衡思想”核心素養(yǎng)水平的考查。

(2)選項問題設置遷移程度、水平進階分析

選項分 析遷移程度(近、中、遠)水平進階A項外加電流陰極防護工作原理,保護電流的作用就是抵消腐蝕電流,腐蝕電流接近于零表明金屬表面已被極化,無原電池效應,若保護電流過大則電解海水,若保護電流過小則防護作用不大從知道到理解,到應用,屬于近遷移簡單、良好結構情境B項電解的化學本質就是使不能自發(fā)的反應“被反應”,電子經(jīng)外電路由陽極強制性流向陰極,在內電路則是離子的定向移動形成電流從事實到方法,到方法論,到學科本質觀,屬于近遷移簡單、良好結構情境C項題干信息“高硅鑄鐵為惰性輔助陽極”,有些“學習好”的同學受鐵是活性陽極的思維定式影響,認為高硅鑄鐵是一種犧牲陽極從事實到概念,到關系,到結構,屬于中遷移簡單、不良結構情境D項鋼管柱所處環(huán)境溫度、溶液pH、含氧量等條件是不斷變化的,鋼鐵腐蝕電流不是一成不變的,從實際出發(fā)及時調整保護電流既是科學的又是必要的從事實到方法,到方法論,到學科本質觀,屬于遠遷移復雜、不良結構情境

三、解題模型解析

當前高考主要考查新型電池的分析、電極判斷、電極反應式的書寫、離子的移動、電解質溶液的變化、金屬的腐蝕和防護、電鍍、電冶金、電解法制備物質、裝置設計、環(huán)境保護、實驗探究等。更多時候是結合題給電化學裝置信息，考查電解原理、電極反應式書寫、電解時電極附近電解質溶液的pH變化，涉及元素化合物、氧化還原、化學實驗的對照實驗設計、變量控制、產(chǎn)物的檢驗方法、對比分析后的結論表述等內容。從而綜合考查學生接受、吸收、整合化學信息的能力、分析解決化學問題的能力、設計化學實驗及探究能力。

圖3 電化學裝置認知模型

1.例1的分析

解題難點分析——對陌生信息的理解和處理

陌生信息理 解處 理能力層次氫化酶/固氮酶MV2+在氫化酶的作用下與H2反應生成H+和MV+,MV+與N2在固氮酶的作用下反應生成NH3和MV2+實現(xiàn)常溫下高轉化率、高速率的化學反應關聯(lián)MV2+/MV+MV2+/MV+在電極與酶之間傳遞電子高價態(tài)———氧化劑低價態(tài)———還原劑分析室溫下的合成氨相比現(xiàn)有工業(yè)合成氨,該方法條件溫和,同時還可提供電能通過科學的創(chuàng)新實現(xiàn)人類的理想理解

2.例2的分析

解題難點分析——對陌生信息的理解和處理

陌生信息理 解處 理能力層次光伏電池一種是以硅為基底將太陽光的光能直接轉化為電能的裝置只需理解為一種直流電源觀察ZnO@石墨烯石墨烯包裹的ZnO只需弄清楚陰、陽極關聯(lián)EDTA品名是乙二胺四乙酸,結構簡式為NCH2CH2NHOOCCH2HOOCCH2CH2COOHCH2COOH,能和過渡金屬離子等形成穩(wěn)定的水溶性絡合物與Fe2+、Fe3+形成穩(wěn)定的水溶性絡合物分析協(xié)同轉化一種CO2+H2S協(xié)同轉化裝置實現(xiàn)對天然氣中CO2和H2S的高效去除協(xié)同轉化裝置即為圖示整套裝置,總反應即為協(xié)同轉化總反應理解

3.例3的分析

解題難點分析——對陌生信息的理解和處理

陌生信息理 解處 理能力層次鋼管樁/高硅鑄鐵裝置原理是利用外加電流陰極保護法,不是犧牲陽極保護陰極法需要弄清楚鋼管樁為陰極,高硅鑄鐵為陽極觀察惰性輔助陽極/損耗陽極題干信息:高硅鑄鐵為惰性輔助陽極題給信息優(yōu)先考慮原則推理、應用表面腐蝕電流/保護電流由鐵的吸氧腐蝕原理理解鋼鐵(鋼管樁)表面存在大量的微小的自發(fā)的短路原電池平衡觀念,當保護電流抵消腐蝕電流時,表明金屬表面已被極化遷移

四、教學模型解析

伴隨現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，電化學不僅在理論和技術上不斷創(chuàng)新，在應用領域(如化學工業(yè)、能源、材料和環(huán)境等)也占有越來越重要的地位，電化學高考題一般以新裝置、新情景呈現(xiàn)。教材中以銅鋅原電池構建的原電池知識體系，以電解CuCl2溶液構建的電解知識體系比較簡潔，得到的是一些簡單化或絕對化的結論，學生學習過程中往往忽略知識的遞進性和復雜性，因此，面對高考考題中出現(xiàn)的形形色色的原電池、電解池裝置，通常有茫然，不知所措的情況。

教學中，我們如何從本質上把握電化學的工作原理，從銅鋅原電池、電解氯化銅溶液的小圈圈里跳出來，克服思維定式和僵化認識，構建更深層次、系統(tǒng)化的電化學知識體系呢？

1.整體認識—模型認知

從物質導電性入手，分析金屬導電的原因是電子的定向移動，電解質溶液和熔融電解質是靠陰陽離子的定向移動(如圖4)。這是電化學知識體系建構的第一步，也是最關鍵的一步。從“電路中電荷移動形成回路”的這一學生熟悉的物理知識開始，幫助學生先明確原電池和電解池上的電極得失電子的方向，使學生更好地從整體上去把握問題的本質，從系統(tǒng)思維的角度幫助學生找出電化學和氧化還原反應之間的聯(lián)系。這種思維方式，不僅有利于學生從整體上建構電化學知識體系，有效突破學習難點，也有利于學生能更好地理解物理和化學等科學知識的關聯(lián)。

圖4 整體認識氧化還原與原電池、電解池的關系

2.細致分析—宏微結合、證據(jù)推理、變化平衡

有了電池結構和工作原理，對于電極反應式、離子遷移方向、反應現(xiàn)象及計算等問題，就可以結合電極上發(fā)生的現(xiàn)象及數(shù)據(jù)等信息推理電極上發(fā)生的反應—“宏微結合”和“證據(jù)推理”。物質是運動和變化的，化學變化是需要一定條件并遵循一定規(guī)律的。在電化學反應規(guī)律中，認識電子(電流)由電勢低(高)的一端流向電勢高(低)的一端，陰離子的遷移與電子移動形成一條回路。無論何種情況，在溶液或熔融狀態(tài)中，陽離子總是向陰極方向遷移，陰離子總是向陽極方向遷移。在離子、電子的生成和遷移過程中發(fā)生了化學變化，實現(xiàn)了電能與化學能之間的轉化，并生成了新的物質(離子或分子)-“變化平衡”(見圖5)。

圖5 電化學變化規(guī)律

3.跟蹤發(fā)展—創(chuàng)新意識

在電池的研發(fā)過程中，新材料的研制使得電池的轉化效率更大、能量密度更高、更安全、使用壽命更長、更加清潔環(huán)保。電池的研究以現(xiàn)有電池存在的問題為導向，不斷創(chuàng)造性地解決原有電池的弊端，研發(fā)出更好的電池，這些真實的問題情境往往就呈現(xiàn)在高考題中，所以，備考復習電化學知識，需跟蹤收集歷年電化學試題，關注考點的發(fā)展。

4.價值應用—社會責任