陳建托

(首都師范大學附屬中學)

2022年高考電化學試題大多結(jié)合科技發(fā)展的趨勢和前沿,選取真實素材,合理創(chuàng)設(shè)情境,設(shè)置新穎的呈現(xiàn)方式和設(shè)問方式,注重理論與實際的結(jié)合,彰顯化學學科價值.考題穩(wěn)中求進,從基礎(chǔ)性、綜合性、應用性和創(chuàng)新性4 個維度,對學生所表現(xiàn)出的必備知識、關(guān)鍵能力、學科素養(yǎng)進行綜合考查.

1 2022年高考電化學試題概況

本文研究對象為2022年高考理綜全國甲卷、全國乙卷等10套試卷14道考題,如表1所示.

表1

圖1為各情境類型占比,很明顯,新型電池以及電解原理的實際應用已成為命題主流.圖2為各水平考題數(shù)量占比,電化學考題學業(yè)質(zhì)量水平集中在水平3、水平4,可見高考對電化學的考查保持在較高要求和較高難度.

圖1

圖2

2 考點剖析

無論題目情境如何新穎,其考點主要集中在電極方程式書寫、離子移動、守恒計算等核心問題方面.2022年電化學考題考點匯總?cè)绫?所示.

表2

電化學考查形式相對成熟,考點也比較穩(wěn)定,90%的題目考查電極方程式的書寫,50%的題目考查基于得失電子守恒的計算.結(jié)合圖3,可以清晰看到考點分布.

圖3

3 解題方法

無論是哪種題型,解題方法都萬變不離其宗.明確電極是“根”,分析電極反應是“魂”,解題首先需要厘清“根”與“魂”,再由“根”與“魂”延伸至其他方面.電化學考題分析思路如圖4所示.

圖4

3.1 電極反應式書寫

電極反應式一般可按表3所示步驟書寫.

表3

基于電荷守恒補充離子,需要根據(jù)離子導體種類確定,一般補充H＋、OH-、CO2-3、O2-等.基于原子守恒補充并配平其他微粒,一般需要補充H2O 以配平H、O 原子.

選擇題電極反應式的正誤判斷一般集中在如下兩個問題:得失電子的判斷是否準確(或物質(zhì)轉(zhuǎn)化是否準確);H＋、OH-等離子的選擇是否準確.如2022年湖北卷第14題選項B:陰極上的電極反應為P4＋8CN--4e-＝4[P(CN)2]-.但陰極電極反應得電子,故該選項錯誤.再如2022年山東卷第13題選項C(原題見例2):乙室電極反應式為LiCoO2＋2H2O＋e-＝Li＋＋Co2＋＋4OH-.由題圖可知乙室電解質(zhì)溶液為酸性,反應式出現(xiàn)OH-不合理,故該選項錯誤.

3.2 離子移動方向

原電池和電解池中離子移動方向取決于閉合回路中的電流方向.在離子導體中,陽離子移動方向與電流方向一致,陰離子移動方向與電流方向相反,如表4所示.

表4

3.3 pH 的變化

對于電極附近pH 的變化,可以結(jié)合電極反應式確定H＋或OH-的變化來判斷.對于某電極區(qū)pH 的變化則需要綜合考慮電極反應式和H＋遷移情況(一般裝置中有質(zhì)子交換膜).

3.4 計算

電化學計算的核心是抓住整個電路中得失電子守恒,基于得失電子守恒找準相關(guān)物質(zhì)之間的比例關(guān)系,以2022年廣東卷和山東卷為例進行分析.

例1(2022年廣東卷)科學家基于Cl2易溶于CCl4的性質(zhì),發(fā)展了一種無需離子交換膜的新型氯流電池,可作儲能設(shè)備(如圖5).充電時電極a的反應為NaTi2(PO4)3＋2Na＋＋2e-＝Na3Ti2(PO4)3.下列說法正確的是( ).

圖5

A.充電時電極b是陰極

B.放電時NaCl溶液的pH 減小

C.放電時NaCl溶液的濃度增大

D.每生成1 molCl2,電極a 質(zhì)量理論上增加23g

分析充電時陽極反應為2Cl--2e-＝Cl2↑,陰極反應為NaTi2(PO4)3＋2Na＋＋2e-＝Na3Ti2(PO4)3,由得失電子守恒可知,1Cl2～2e-～Na3Ti2(PO4)3～增重2Na＋,即每生成1molCl2,電極a理論上質(zhì)量增加46g,選項D 錯誤.分析其他選項后可知本題答案為C.

例2(2022年山東卷)設(shè)計如圖6所示裝置回收金屬鈷.保持細菌所在環(huán)境pH 穩(wěn)定,借助其降解乙酸鹽生成CO2,將廢舊鋰離子電池的正極材料LiCoO2(s)轉(zhuǎn)化為Co2＋,工作時保持厭氧環(huán)境,并定時將乙室溶液轉(zhuǎn)移至甲室.已知電極材料均為石墨材質(zhì),右側(cè)裝置為原電池.下列說法正確的是( ).

圖6

A.裝置工作時,甲室溶液的pH 逐漸增大

B.裝置工作一段時間后,乙室應補充鹽酸

C.乙室電極反應式為LiCoO2＋2H2O＋e-＝Li＋＋Co2＋＋4OH

D.若甲室Co2＋減少200 mg,乙室Co2＋增加300mg,則此時已進行過溶液轉(zhuǎn)移

分析右側(cè)裝置為原電池,左側(cè)裝置為電解池,乙室電極LiCoO2轉(zhuǎn)化為Co2＋,為正極,則從左至右4個電極分別為陽極、陰極、負極、正極.甲室陰極電極反應式為Co2＋＋2e-＝Co,乙室正極電極反應式為LiCoO2＋e-＋4H＋＝Li＋＋Co2＋＋2H2O(選項C 錯誤).若甲室Co2＋減少200 mg,則轉(zhuǎn)移電子物質(zhì)的量為;若乙室Co2＋增加300mg,則轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量為0.0051mol,轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量不相等,說明此時已進行過溶液轉(zhuǎn)移,即已將乙室部分溶液轉(zhuǎn)移至甲室,選項D 正確.答案為B、D.

4 考題剖析

例3(多選)(2022年河北卷)科學家研制了一種能在較低電壓下獲得氧氣和氫氣的電化學裝置,工作原理示意圖如圖7所示.下列說法正確的是( ).

圖7

A.電極b為陽極

B.隔膜為陰離子交換膜

C.生成氣體M 與N 的物質(zhì)的量之比為2∶1

D.反應器Ⅰ中反應的離子方程式為

分析由圖可知,電極a上[Fe(CN)6]4-轉(zhuǎn)化為[Fe(CN)6]3-,為陽極,則電極b為陰極,DHPS轉(zhuǎn)化為DHPS-2H(得氫發(fā)生還原反應),選項A 錯誤.陽極室、陰極室電解質(zhì)溶液均為NaOH 溶液,工作中OH-通過交換膜由陰極室向陽極室移動,則隔膜為陰離子交換膜,選項B正確.結(jié)合題干信息“一種能在較低電壓下獲得氧氣和氫氣的電化學裝置”,可知M、N 為氧氣或氫氣,反應器Ⅰ中[Fe(CN)6]3-轉(zhuǎn)化為[Fe(CN)6]4-,鐵元素得電子,則M 為氧氣(失電子產(chǎn)物),反應器Ⅱ中N 為氫氣.基于得失電子數(shù)目守恒可知M 與N 的物質(zhì)的量之比為1∶2,選項C 錯誤.反應器Ⅰ中[Fe(CN)6]3-與OH-反應生成[Fe(CN)6]4-和O2,離子方程式為,選項D 正確.答案為B、D.

例4(2022 年全國甲卷)一種水性電解液Zn-MnO2離子選擇雙隔膜電池如圖8所示[KOH 溶液中,Zn2＋以Zn(OH)2-4存在].電池放電時,下列敘述錯誤的是( ).

圖8

例5(2022年全國乙卷)Li-O2電池比能量高,在汽車、航天等領(lǐng)域具有良好的應用前景.近年來科學家研究了一種光照充電Li-O2電池(如圖9).光照時,光催化電極產(chǎn)生電子(e-)和空穴(h＋),驅(qū)動陰極反應(Li＋＋e-＝Li)和陽極反應(Li2O2＋2h＋＝2Li＋＋O2)對電池進行充電.下列敘述錯誤的是( ).

圖9

A.充電時,電池的總反應為Li2O2＝2Li＋O2↑

B.充電效率與光照產(chǎn)生的電子和空穴量有關(guān)

C.放電時,Li＋從正極穿過離子交換膜向負極遷移

D.放電時,正極發(fā)生反應:

分析充電時,陰、陽極反應相加得到總反應:Li2O2＝2Li＋O2↑,選項A 敘述正確.充電時,陰極反應和陽極反應分別需要電子(e-)和空穴(h＋)驅(qū)動,所以充電效率與光照產(chǎn)生的電子和空穴量有關(guān),選項B敘述正確.放電時,Li＋向正極遷移,選項C 敘述錯誤.可充電電池電極對應關(guān)系:充電陽極(失電子)～放電正極(得電子),充電陰極(得電子)～放電負極(失電子).放電時正極反應對應充電時陽極反應反向進行,得正極反應為O2＋2Li＋＋2e-＝Li2O2,選項D 敘述正確.答案為C.

例6(2022年湖南卷)海水電池在海洋能源領(lǐng)域備受關(guān)注,一種鋰海水電池構(gòu)造示意圖如圖10所示.下列說法錯誤的是( ).

圖10

A.海水起電解質(zhì)溶液作用

B.N 極僅發(fā)生的電極反應:2H2O ＋2e-＝2OH-＋H2↑

C.玻璃陶瓷具有傳導離子和防水的功能

D.該鋰海水電池屬于一次電池

分析海水中含有NaCl、MgCl2等,可作為電解質(zhì)溶液,選項A 正確.M 極Li失電子為負極,N 極為正極,H2O 在N 極得電子生成H2,同時氧氣也可以在N 極得電子,即還存在電極反應:O2＋4e-＋2H2O＝4OH-,選項B錯誤.Li為活潑金屬,可以與水反應,玻璃陶瓷不僅傳導離子還可以防止水和Li反應,選項C正確.觀察電池構(gòu)造示意圖,該電池不可充電,屬于一次電池,選項D 正確.答案為B.

未來高考電化學命題會延續(xù)以化學學科核心素養(yǎng)為導向、以真實情境為載體的形式.教師要注重情境化教學,引導學生解決實際問題,從認識模型向問題解決模型轉(zhuǎn)化,促進學生學科核心素養(yǎng)的發(fā)展.

(完)