廣東 劉漢國(guó)

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》指出，證據(jù)推理與模型認(rèn)知是化學(xué)學(xué)科重要的核心素養(yǎng)之一。解決問(wèn)題的思維模型對(duì)學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)的提升起到很好的效果，在日常復(fù)習(xí)中讓學(xué)生學(xué)會(huì)建立解決問(wèn)題的“方法類”思維模型可達(dá)到事半功倍的效果。

電化學(xué)是高中化學(xué)課程中重要的知識(shí)之一，是中學(xué)化學(xué)中最能體現(xiàn)化學(xué)源于生活并服務(wù)于生活的具體實(shí)例，故也是高考中的高頻重難點(diǎn)知識(shí)。此類試題有三大特點(diǎn)：一是取材新穎，考查學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力；二是聯(lián)系生活，培養(yǎng)學(xué)生的知識(shí)遷移能力；三是結(jié)合實(shí)驗(yàn)，考查學(xué)生創(chuàng)新能力、計(jì)算能力。電化學(xué)主要的考查方式為電極的判斷、電極方程式的判斷或書寫、充放電池的分析以及離子交換膜的分析等，但是由于該命題對(duì)能力的要求較高，使得學(xué)生得分率較低。本文通過(guò)構(gòu)建判斷電極的思維模型、書寫電極方程式的思維模型、分析充放電池的思維模型和分析離子交換膜的思維模型，突破考查電化學(xué)知識(shí)的難點(diǎn)，供各位老師在教學(xué)時(shí)參考借鑒。

一、真題啟發(fā)，模型構(gòu)建

高考真題是高考的風(fēng)向標(biāo)，真題研究對(duì)于把握高考方向、精準(zhǔn)備考有重要的指導(dǎo)意義。通過(guò)對(duì)高考真題的研究，尋找快速、準(zhǔn)確的解題方法，是高三老師備考的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1.判斷電極思維模型的構(gòu)建

對(duì)于電化學(xué)題目的分析，確定裝置為原電池還是電解池是首要任務(wù)，判斷電極是解題的關(guān)鍵。對(duì)于原電池，一般情況下，活潑金屬為負(fù)極，不活潑金屬為正極；化合價(jià)升高的電極區(qū)為負(fù)極，化合價(jià)降低的電極區(qū)為正極；電子在導(dǎo)線中從負(fù)極流向正極，陽(yáng)離子在溶液中從負(fù)極流向正極；電極質(zhì)量減少的一側(cè)為負(fù)極，電極上有氣體或質(zhì)量增加的一側(cè)為正極。對(duì)于電解池，與電源正極相連為陽(yáng)極，與負(fù)極相連為陰極；化合價(jià)升高的電極區(qū)為陽(yáng)極，化合價(jià)降低的電極區(qū)為陰極；陽(yáng)離子在溶液中從陽(yáng)極流向陰極；電極質(zhì)量減少為陽(yáng)極，電極質(zhì)量增加為陰極。構(gòu)建判斷電極的思維模型如圖1所示。

圖1 判斷電極的思維模型

【例1】(2018·全國(guó)卷Ⅰ·13)最近我國(guó)科學(xué)家設(shè)計(jì)了一種CO2+H2S協(xié)同轉(zhuǎn)化裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(yīng)為

該裝置工作時(shí)，下列敘述錯(cuò)誤的是

( )

C.石墨烯上的電勢(shì)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

2.書寫電極方程式思維模型的構(gòu)建

電極方程式的書寫或判斷是電化學(xué)的重要考查方式，也是學(xué)生的難點(diǎn)。在電極方程式的書寫時(shí)，首先根據(jù)題目信息或化合價(jià)升降等條件確定主要反應(yīng)物，再根據(jù)題目信息或共存原則等確定主要生成物，接著利用得失電子守恒和電荷守恒等進(jìn)行基本配平，然后根據(jù)溶液環(huán)境或守恒原則補(bǔ)充缺項(xiàng)部分，最后調(diào)整配平完善細(xì)節(jié)。構(gòu)建書寫電極方程式的思維模型如圖2所示。

圖2 書寫電極方程式的思維模型

【例2】(2018·江蘇卷·20節(jié)選)NOx(主要指NO和NO2)是大氣主要污染物之一。有效去除大氣中的NOx是環(huán)境保護(hù)的重要課題。

(2)用稀硝酸吸收NOx，得到HNO3和HNO2的混合溶液，電解該混合溶液可獲得較濃的硝酸。寫出電解時(shí)陽(yáng)極的電極反應(yīng)式：______________________________。

【變式1】(2017·江蘇卷·16節(jié)選)(4)“電解Ⅱ”是電解Na2CO3溶液，原理如圖所示。陽(yáng)極的電極反應(yīng)式為_(kāi)_____________________________，陰極產(chǎn)生的物質(zhì)A的化學(xué)式為_(kāi)_______。

3.分析充放電池通用思路的構(gòu)建

充放電池又稱為二次電池，是高考的熱點(diǎn)。充電時(shí)的電極反應(yīng)與放電時(shí)電極反應(yīng)過(guò)程相反，充電時(shí)的陽(yáng)極反應(yīng)為放電時(shí)的正極反應(yīng)的逆反應(yīng)，充電時(shí)的陰極反應(yīng)為放電時(shí)的負(fù)極反應(yīng)的逆反應(yīng)，負(fù)極的電極反應(yīng)與陰極的電極反應(yīng)相對(duì)應(yīng)，正極的電極反應(yīng)與陽(yáng)極的電極反應(yīng)相對(duì)應(yīng)。構(gòu)建分析充放電池的思維模型如圖3所示。

圖3 分析充放電池的通用思路

( )

B.充電時(shí)釋放CO2，放電時(shí)吸收CO2

【答案】D

( )

A.三維多孔海綿狀Zn具有較高的表面積，所沉積的ZnO分散度高

D.放電過(guò)程中OH-通過(guò)隔膜從負(fù)極區(qū)移向正極區(qū)

【答案】D

【解析】根據(jù)分析充放電池的通用思路，Zn的化合價(jià)升高，則在原電池的負(fù)極反應(yīng)，對(duì)應(yīng)的ZnO在電解池的陰極反應(yīng)；NiOOH中Ni的化合價(jià)降低，則在原電池的正極反應(yīng)，對(duì)應(yīng)的Ni(OH)2在電解池的陽(yáng)極反應(yīng)；具體分析如下：三維多孔海綿狀Zn具有較高的表面積，吸附能力強(qiáng)，所沉積的ZnO分散度高，A項(xiàng)正確；充電時(shí)相當(dāng)于電解池，陽(yáng)極失電子，由Ni(OH)2變?yōu)镹iOOH，B項(xiàng)正確；放電時(shí)即原電池，鋅作負(fù)極失電子，變?yōu)閆nO，C項(xiàng)正確；原電池在工作時(shí)，陰離子向負(fù)極移動(dòng)，因此OH-向負(fù)極移動(dòng)而不是正極，D項(xiàng)錯(cuò)誤。

4.分析離子交換膜思維模型的構(gòu)建

最近幾年高考題中出現(xiàn)了對(duì)離子交換膜在電解池或原電池中應(yīng)用的考查，但是學(xué)生分析對(duì)有離子交換膜的新型裝置不知所措。交換膜在中學(xué)電化學(xué)中主要有兩方面作用：一方面是防止副反應(yīng)的發(fā)生，避免影響目標(biāo)產(chǎn)品的質(zhì)量；另一方面利于物質(zhì)的制備、分離、提純等步驟的實(shí)施。分析離子交換膜的裝置，首先要明確其作用，然后根據(jù)電極判斷出離子的移動(dòng)方向，從而得出離子交換膜的類別。構(gòu)建分析離子交換膜的思維模型如圖4所示。

圖4 分析離子交換膜的思維模型

【答案】ab為陰離子交換膜，cd為陽(yáng)離子交換膜

【變式3】(2014·全國(guó)卷Ⅰ·27節(jié)選)次磷酸(H3PO2)是一種精細(xì)磷化工產(chǎn)品，具有較強(qiáng)還原性?；卮鹣铝袉?wèn)題：

(4)H3PO2也可用電滲析法制備，“四室電滲析法”工作原理如圖所示(陽(yáng)膜和陰膜分別只允許陽(yáng)離子、陰離子通過(guò))：

②分析產(chǎn)品室可得到H3PO2的原因：________________________________________________。

二、高考預(yù)測(cè)，模型應(yīng)用

研究近幾年高考題不難發(fā)現(xiàn)，高考越來(lái)越注重考查知識(shí)的應(yīng)用性，越來(lái)越強(qiáng)調(diào)考題需體現(xiàn)學(xué)科價(jià)值。知識(shí)本身的考查與知識(shí)應(yīng)用的考查最大的區(qū)別，在于問(wèn)題設(shè)置是直接設(shè)問(wèn)還是隱蔽設(shè)問(wèn)，但值得注意的是，無(wú)論是知識(shí)本身的考查還是知識(shí)應(yīng)用的考查，其考查的核心與解題的方法是一致的。

【例5】(原題)(1)A裝置是________(填“原電池”或“電解池”)，A裝置中通入SO2一極的電極反應(yīng)式為_(kāi)_______。

(2)N2O5在電解池的________(填“c極”或“d極”)區(qū)生成，其電極反應(yīng)式為_(kāi)_______。

(改編)膜技術(shù)原理在化工生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用。有人設(shè)想利用電化學(xué)原理制備少量硫酸和綠色硝化劑N2O5，裝置圖如下。

請(qǐng)解釋制備少量硫酸和綠色硝化劑N2O5的原因是

________________________________________________。

【分析】改編后的設(shè)問(wèn)與原設(shè)問(wèn)最大區(qū)別在于，原題著重知識(shí)本身的考查，設(shè)問(wèn)比較直接，而改編后的設(shè)問(wèn)著重知識(shí)應(yīng)用的考查，設(shè)問(wèn)相對(duì)隱蔽，但是改編前后考查的本質(zhì)卻沒(méi)有發(fā)生變化：電極方程式的書寫、電極判斷和離子移動(dòng)等知識(shí)。

【答案】(原題)原電池 c極

三、精準(zhǔn)備考，抓住核心

1.簡(jiǎn)化解題過(guò)程，提高解題能力

在新課程改革的背景下，電化學(xué)題目的內(nèi)容和形式千變?nèi)f化，但萬(wàn)變不離其宗：電極的判斷、電極方程式的判斷或書寫、充放電池的分析以及離子交換膜的分析等，在復(fù)習(xí)中抓住核心知識(shí)，找準(zhǔn)合適試題情境，理清命題特點(diǎn)，構(gòu)建思維模型，就能夠提高解題能力。

2.培養(yǎng)模型意識(shí)，提升核心素養(yǎng)

通過(guò)建立經(jīng)典的思維模型，不但有利于電化學(xué)問(wèn)題的快速簡(jiǎn)便解決，而且可以引導(dǎo)學(xué)生在其他知識(shí)模塊，特別是理論性較強(qiáng)的知識(shí)板塊，如化學(xué)平衡、電離平衡、水解平衡等建立一些經(jīng)典的思維模型，并形成一套完整的思維策略，讓這些思維策略形成自覺(jué)意識(shí)，使新課程理念真正貫穿到實(shí)踐中，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)核心素養(yǎng)和探究能力。