張麗珍
[摘? ?要]文章通過對高考電化學試題的分析,綜合電化學命題方向,總結電化學電極方程式的書寫技巧,并結合高考實例進行分析應用,以提高學生對電化學題型的解題能力。
[關鍵詞]電化學;電極方程式;書寫技巧
[中圖分類號]? ? G633.8? ? ? ? [文獻標識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058(2021)20-0076-02
電化學特別是原電池的內容在歷年高考試題中都占有重要地位。2020年高考全國Ⅰ卷、全國Ⅱ卷、全國Ⅲ卷的選擇題中,都出現了電化學試題。從題型上看都是給出電池的裝置和原理圖,讓考生分析電池的工作原理,選項設置主要考查考生對電池工作原理的理解程度,以及電極方程式的書寫能力。
一、試題回顧
(2020·全國Ⅰ卷第12題)科學家近年發(fā)明了一種新型Zn-CO2水介質電池。電池示意圖如圖1,電極為金屬鋅和選擇性催化材料。放電時,溫室氣體CO2被轉化為儲氫物質甲酸等,為解決環(huán)境和能源問題提供了一種新途徑。
下列說法錯誤的是()。
A.放電時,負極反應為[Zn-2e-+4OH-]=[Zn(OH)2-4]
B.放電時,1 mol CO2轉化為HCOOH,轉移的電子數為2 mol
C.充電時,電池總反應為[2Zn(OH)2-4]=[2Zn+O2↑+4OH-+2H2O]
D.充電時,正極溶液中OH?濃度升高
題目以新型Zn?CO2水介質電池為背景,給出了電池的裝置和原理圖。從原理圖中不難分析出,放電時,CO2轉化為HCOOH,C化合價從+4降低到+2,即CO2發(fā)生了還原反應,因此放電時右側電極為正極,左側電極為負極,且Zn發(fā)生氧化反應生成[Zn(OH)2-4];充電時,右側電極為陽極,H2O發(fā)生氧化反應生成O2,左側電極為陰極,[Zn(OH)2-4]發(fā)生還原反應生成Zn。因此放電時,負極上Zn發(fā)生氧化反應,電極方程式為[Zn-2e-+4OH-]=[Zn(OH)2-4],故A正確;放電時,CO2轉化為HCOOH,電極方程式為CO2+2e-+2H+=HCOOH,則1 mol CO2轉化為HCOOH時,轉移電子數為2 mol,故B正確;充電時,陽極上H2O轉化為O2,電極方程式為[2H2O-4e-]=[4H++O2↑],陰極上[Zn(OH)2-4]轉化為Zn,電極方程式為[Zn(OH)2-4+2e-]=[Zn+4OH-],電池總反應為[2Zn(OH)2-4]=[2Zn+O2↑+4OH-+2H2O],故C正確;充電時,正極即為陽極,從電極反應式[2H2O-4e-]=[4H++O2↑]中可以看出,溶液中H+濃度增大,而c(H+)·c(OH-)=KW,溫度不變時,KW不變,因此溶液中OH-濃度降低,故D錯誤。答案選D。
二、考點分析
從試題考查方向上分析,電化學試題偏重于考查電池的工作原理和電極方程式的書寫。涉及轉移電子數目的計算和離子濃度的變化判斷的題型,歸根結底還是考查電極方程式,只要考生能完成電極方程式的書寫,自然就能解決此類問題。在原電池和電解池的電極方程式書寫上,原電池的電極方程式常常是考生的弱項,若能正確完成原電池的電極方程式,電解池的電極方程式只要逆向思考就可得到。因此,原電池電極方程式的書寫極其重要。
三、原電池電極方程式的書寫技巧
筆者綜合歷年高考電化學的命題方向,總結了書寫原電池電極方程式的常用方法。第一,看清裝置是原電池還是電解池,一般地,有外接電源為電解池,沒有外接電源則為原電池。第二,區(qū)分原電池的正負極或電解池的陰陽極。一般地,在原電池中,可通過三個方面來判斷正負極:1.電子流出或電流流入的一極為負極,電子流入或電流流出的一極為正極;2.電極自身失去電子或其他物質在其上失去電子的為負極,電極自身得到電子或其他物質在其上得到電子的為正極;3.化合價升高發(fā)生氧化反應的為負極,化合價降低發(fā)生還原反應的為正極。在電解池中,可通過兩個方面來判斷陰陽極:1.與外加直流電源負極相連接的為陰極,與外加直流電源正極相連接的為陽極;2.電子流出或電流流入的為陽極,電子流入或電流流出的為陰極。第三,判斷電極所處的介質環(huán)境。通常有四種介質,分別為酸性溶液、堿性溶液、固體電解質、熔融碳酸鹽。第四,看清反應。一般電極反應中,物質放電后若所產生的微粒進入介質中能穩(wěn)定存在,則直接將該微粒寫為產物;若所產生的微粒進入介質中與介質中的粒子發(fā)生反應,如結合產生沉淀、氣體或難電離的物質等,則需把介質中的粒子寫入電極方程式中。
四、常用微粒的結合方式
在原電池電極方程式的書寫過程中,常需要對微粒的存在形式進行處理?;诖?,筆者總結了O2-在常用介質中的處理方法(如表1)。
五、高考試題實例講解
【例1】(2020·全國Ⅲ卷第12題)一種高性能的堿性硼化釩(VB2)—空氣電池如圖2所示,其中在VB2電極發(fā)生反應:[VB2+16OH--11e-]=[VO3-4+2B(OH)-4+4H2O]。該電池工作時,下列說法錯誤的是()。(選項略)
分析:裝置圖中沒有外接電源,此題考查的是原電池。根據圖示的電池結構和題目信息,左側VB2電極發(fā)生反應:[VB2+16OH--11e-]=[VO3-4+2B(OH)-4+4H2O],可以看出VB2發(fā)生失電子的氧化反應,VB2電極為電池的負極。那么復合碳電極為電池正極,同時此電池的介質為KOH堿性電解溶液,因此正極空氣中的氧氣發(fā)生得電子反應:O2+4e-=2O2-,O2-在堿性電解質溶液中與水結合成OH-,反應的電極方程式為O2+4e-+2H2O=4OH-,電池的總反應方程式為4VB2+11O2+20OH-+6H2O=8[B(OH)-4]+4[VO3-4]。
【例2】(2019·全國Ⅲ卷第13題)為提升電池循環(huán)效率和穩(wěn)定性,科學家近期利用三維多孔海綿狀Zn(3D?Zn)可以高效沉積ZnO的特點,設計了采用強堿性電解質的3D?Zn—NiOOH二次電池,結構如圖3所示。電池反應為Zn(s)+2NiOOH(s)+H2O(l)[放電充電] ZnO(s)+2Ni(OH)2(s)。下列說法錯誤的是()。(選項略)
分析:此題為二次電池,根據題意可知介質為強堿性電解質,分析電池反應Zn(s)+2NiOOH(s)+H2O(l) [放電充電]ZnO(s)+2Ni(OH)2(s),放電時為原電池, Zn化合價升高為電池負極,則NiOOH為電池正極。Zn失去電子轉化為Zn2+,Zn2+進入電解質溶液后與OH?結合,根據題意可知轉化為ZnO,原電池的負極方程式為Zn? 2e?+2OH?=ZnO + H2O。正極NiOOH轉化為Ni(OH)2,將NiOOH看作由Ni3+、O2-、OH?三種粒子組成,對比NiOOH與 Ni(OH)2發(fā)現除了要考慮Ni3+得電子,還需要考慮中間O2-在堿性電解質溶液中與水結合成OH-,原電池的正極方程式為NiOOH+e-+H2O=Ni(OH)2+OH?。原電池的正極充電時是電解池的陽極,陽極是Ni(OH)2失去電子轉化為NiOOH,電極反應式為Ni(OH)2(s)+OH? (aq)? e?=NiOOH(s)+H2O(l),陰極是ZnO中的Zn2+得電子轉化為Zn,O2-在堿性電解質溶液中與水結合成OH-,電極反應式為ZnO+2e?+H2O=Zn+2OH?。
綜上所述,電化學在歷年高考中占有重要比重,只有熟練掌握原電池電極方程式的書寫技巧,才能更好地完成電解池的電極方程式的書寫,更有助于學生深入理解電池的工作原理。通過對高考真題的分析以及練習,可以大大提高學生對電化學題型的解題能力。
[? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?]
[1]? 李杰.“五看法”書寫電極反應[J].中學化學教學參考, 2019(20):60-61.
(責任編輯 羅 艷)