◇ 山東 劉樹領(lǐng) (正高級教師)

電化學是氧化還原反應知識的深化,是微粒觀、變化觀、守恒觀、情感價值觀等化學學科觀念的集中體現(xiàn),也是能量變化知識的主要組成部分,是滲透宏觀辨識與微觀探析、變化觀念與平衡思想、證據(jù)推理與模型認知、科學探究與創(chuàng)新意識、科學態(tài)度與社會責任化學核心素養(yǎng)的最佳載體,因而使得電化學知識的考查成為命題的經(jīng)典內(nèi)容.

1 考查電極類型及電極反應式

電極是電化學裝置的重要組成元素,是電極反應發(fā)生的載體,因而電極材料可以相同也可以不同,但必須是導電的固體.電極名稱常從兩個角度分析,一是從外電路的電流方向(即電勢高低)角度分析,即流出電子(電勢低)的一極為負極,流入電子(電勢高)的一極為正極;二是從發(fā)生的反應類型角度分析,即發(fā)生氧化反應的一極為陽極,發(fā)生還原反應的一極為陰極.只是習慣上原電池的兩極稱為正、負極,電解池的兩極稱為陰、陽極.

例1圖1為利用電化學方法處理有機廢水的原理示意圖.下列說法正確的是( ).

圖1

A.工作時,a極的電勢低于b極的電勢

B.工作一段時間之后,a極區(qū)溶液的pH減小

C.a、b極不能使用同種電極材料

D.b極的電極反應式為CH3COO－＋4H2O－8e－＝＋9H＋

解析

根據(jù)圖示可知,b電極上CH3COO－轉(zhuǎn)化為,碳元素的化合價升高,故其電極反應為CH3COO－＋4H2O－8e－＝＋9H＋(a電極上發(fā)生C6H5OCl＋2e－＋H＋＝C6H6O＋Cl－),說明原電池b為負極、a為正極,即a極的電勢高于b極,所以選項A錯誤,選項D正確;由于電極反應式中沒有涉及電極材料,故電極材料可以相同也可以不同,所以選項C錯誤;根據(jù)a電極反應式知,每當有2 mol電子轉(zhuǎn)移時,則有1molH＋參與電極反應,同時還有2molH＋通過質(zhì)子交換膜進入a電極區(qū),導致a極區(qū)溶液pH減小,所以選項B正確.答案為B、D.

【應對策略】首先依據(jù)裝置圖找出電極反應物及產(chǎn)物,然后分析其價態(tài)變化,判斷出反應類型,進而推斷出電極類型.書寫電極反應式時,一定要分析電極產(chǎn)物的實際存在狀態(tài),如本題中放電產(chǎn)物HCOOH一定不能在堿性環(huán)境下存在只能在堿性環(huán)境下存在.

2 考查離子移動方向及離子交換膜

離子導體是電化學裝置的主要構(gòu)成組分,其常見形式有電解質(zhì)溶液、熔融電解質(zhì)、離子交換膜、離子液體、快離子導體等.離子交換膜具有選擇性,既可以允許單一離子通過,也可以允許同電性的離子通過.同時離子交換膜既可以提純分離電極產(chǎn)物又可以阻止電極反應物的直接接觸(與鹽橋作用類似),因而在電化學裝置中常被使用.離子的移動方向受濃度、電場、自身氧化性(或還原性)強弱等因素的影響,只是在一般情況下陽離子移動方向陰極、陰離子移向陽極.

例2某微生物電池在運行時可同時實現(xiàn)凈化有機物污水、凈化含廢水(pH約為6)和淡化食鹽水,其裝置示意圖如圖2所示.D和E為離子交換膜,Z為待淡化食鹽水(Cr3＋完全沉淀所需的pH為5.6).下列說法不正確的是( ).

圖2

A.E為陰離子交換膜

解析

【應對策略】讀懂題意,明確電化學原理應用的目的,進而根據(jù)電化學裝置圖中的有關(guān)信息判斷出電極類型,確定離子移動方向及離子交換膜的選擇問題.若沒有新情境信息提示時,可以按照常規(guī)離子移動方向、放電順序去解答問題.

3 考查電化學原理應用及相關(guān)計算

電化學知識的重要性更主要的是體現(xiàn)在應用方面,如在物質(zhì)制備與檢測、分離與提純、環(huán)保與能源、材料保護與文物復原以及在探究反應原理、物質(zhì)含量測定等方面,均會出現(xiàn)電化學原理知識.

例3潮濕環(huán)境、Cl－、溶解氧是造成青銅器銹蝕的主要環(huán)境因素.腐蝕嚴重的青銅器表面大多存在起催化作用的多孔催化層.如圖3為青銅器發(fā)生電化學腐蝕的原理示意圖,下列說法正確的是( ).

圖3

A.腐蝕過程中,青銅基體是正極

B.若有64gCu腐蝕,理論上消耗氧氣的體積為11.2L(標準狀況)

C.多孔催化層的形成加速了青銅器的腐蝕速率,是因為改變了反應的焓變

D.環(huán)境中的Cl－、正負極產(chǎn)物作用生成多孔粉狀銹,其離子方程式為

解析

結(jié)合圖示信息可知青銅基體中的銅失去電子變?yōu)镃u2＋,故青銅基體是負極,選項A錯誤;負極發(fā)生反應:Cu－2e－＝Cu2＋,正極上O2得電子發(fā)生還原反應:O2＋2H2O＋4e－＝4OH－,根據(jù)電子守恒知,64g銅失去2mol電子,則需要消耗O2的物質(zhì)的量為0.5mol,故其在標況下體積為11.2L,選項B正確;多孔催化層的形成加速了青銅器的腐蝕速率,主要是因為其正極的多孔結(jié)構(gòu),增大反應物與電極的接觸面積從而加快反應速率,但對反應實質(zhì)及焓變沒有影響,選項C錯誤;利用原子守恒即可寫出離子方程式:2Cu2＋＋3OH－＋Cl－＝Cu2(OH)3Cl↓,選項D正確.答案為B、D.

【應對策略】針對電化學中有關(guān)溶液的pH計算、質(zhì)量變化與溶液復原、電極反應物或產(chǎn)物等有關(guān)物理量的變化計算等問題,都應根據(jù)題意寫出電極反應式,利用電子守恒原則確定兩電極反應物或生成物之間的關(guān)系式,進而去分析電極反應中各物質(zhì)或微粒的變化情況,分析溶液中H＋或OH－剩余量、質(zhì)量變化量等問題,但在計算氣體體積時要注意題中是否明確了是在標準狀況下.

4 考查電化學與其他知識融合問題

電化學知識經(jīng)常出現(xiàn)在工藝流程大題、反應原理綜合大題、實驗綜合大題中,以進一步凸顯學科知識內(nèi)的融合與關(guān)聯(lián),凸顯化學知識的應用性、創(chuàng)新性與綜合性.

例4某小組同學探究物質(zhì)的溶解度大小與沉淀轉(zhuǎn)化方向之間的關(guān)系.以探究AgCl和AgI之間的轉(zhuǎn)化為例.已知溶解度(20℃)AgI:3.0×10－7g;AgCl:1.5×10－4g.

實驗Ⅰ:如圖4所示.

圖4

實驗Ⅱ:在試管中進行溶液間反應時,學生無法觀察到AgI轉(zhuǎn)化為AgCl,于是又設(shè)計了如表1所示實驗(電壓表讀數(shù):a＞c＞b＞0).

表1

圖5

① 實驗Ⅰ證明了AgCl轉(zhuǎn)化為AgI,甲溶液可以是________(填序號).

A.AgNO3溶液 B.NaCl溶液

C.KI溶液

② 實驗Ⅱ的步驟ⅰ中,B中石墨上的電極反應式是________.

③ 結(jié)合信息,解釋實驗Ⅱ中b＜a的原因:.

④ 實驗Ⅱ的現(xiàn)象能說明AgI轉(zhuǎn)化為AgCl,理由是________.

⑤由實驗Ⅰ、Ⅱ的實現(xiàn)現(xiàn)象,可以得出何種結(jié)論?

解析

這是利用原電池原理來探究沉淀溶解平衡的問題.根據(jù)“實驗Ⅰ證明了AgCl轉(zhuǎn)化為AgI”知,甲與乙溶液反應必須產(chǎn)生AgCl才可,且溶液中不能有Ag＋剩余,故過量的甲溶液為NaCl溶液.Ag＋具有較強氧化性、I－具有較強還原性,故B中石墨上的電極反應式為2I－－2e－＝I2.向B中滴入AgNO3(aq),至沉淀完全時,此時I－濃度極小,故其還原性極弱,導致原電池的電壓變小,所以b＜a.根據(jù)“重復ⅰ,再向B中加入與ⅲ等量NaCl(s),電壓為a”知,Cl－本身對該原電池電壓無影響,又因已知電源電壓“c＞b”,故向B中投入一定量的NaCl(s)時,勢必有I－出現(xiàn),所以證明發(fā)生了AgI＋Cl－＝ AgCl＋I－.通過實驗Ⅰ、Ⅱ現(xiàn)象可知溶解度小的沉淀容易轉(zhuǎn)化成溶解度更小的沉淀,反之則不易;溶解度差別越大,由溶解度小的沉淀轉(zhuǎn)化為溶解度較大的沉淀越難實現(xiàn).

綜上可知,電化學知識的考查題境、設(shè)問形式無論如何變化,其考查的落腳點就是電化學的工作原理,所以抓住教材中提供的電化學裝置圖,抽取出電化學裝置工作時的基本模型與原理,理清電極名稱概念、離子移動方向及電極反應等知識點,即可順利解答.