鄭志明，范艷玲，劉龍海

(云南省下關(guān)第一中學(xué)，云南 大理 671000)

電化學(xué)是新課程標(biāo)準(zhǔn)中“化學(xué)反應(yīng)與能量”部分的知識，是化學(xué)學(xué)科“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(rèn)知，實(shí)驗(yàn)探究與創(chuàng)新意識，科學(xué)精神與社會(huì)責(zé)任[1]”五大核心素養(yǎng)的具體體現(xiàn)之一。近年來高考題目中對電化學(xué)的考察頻率非常之高，試題題目?？汲Ｐ拢ǔＲ孕滦碗娫礊橹R背景，這類題目高起點(diǎn)，低落點(diǎn)，往往是圍繞電化學(xué)基本原理命題，其中電極判斷以及電極反應(yīng)式的書寫及正誤判斷幾乎是必考內(nèi)容。本文將圍繞五大化學(xué)核心素養(yǎng)和大家一起探討電化學(xué)中原電池的電極判斷及電極反應(yīng)式的書寫等相關(guān)知識。

1 變化觀念與平衡思想的載體——原電池電極的判斷

傳統(tǒng)教學(xué)中，教師通常沒有從根本上解釋何為正、負(fù)極，而是直接將結(jié)論或現(xiàn)象拋給學(xué)生，從而使學(xué)生容易出現(xiàn)一聽就懂，一做就錯(cuò)的問題，核心素養(yǎng)中的“變化觀念與平衡思想”所指向的是物質(zhì)轉(zhuǎn)化層面的相關(guān)內(nèi)容，含物理變化、化學(xué)變化以及化學(xué)變化過程中的平衡問題、變化的規(guī)律和變化的守恒、能量等問題，屬于物質(zhì)的動(dòng)態(tài)層面[2]。原電池的電極判斷過程中涉及到在電勢差的作用下電子的定向移動(dòng)從而產(chǎn)生電能以及電極上所發(fā)生的氧化、還原反應(yīng)等內(nèi)容正是“變化觀念與平衡思想”的具體體現(xiàn)方式。

1.1 電極的得名

電極的概念是M.法拉第進(jìn)行系統(tǒng)電解實(shí)驗(yàn)后在1834年提出的，原意只指構(gòu)成電池的插在電液中的金屬棒，在現(xiàn)代電化學(xué)中電極其實(shí)是原電池的基本組成部分[2]。利用自發(fā)氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生電流的裝置叫原電池，一個(gè)原電池必須由兩個(gè)基本部分組成：兩個(gè)電極和電解質(zhì)溶液，給出電子發(fā)生氧化反應(yīng)的電極，如丹尼爾電池(圖1所示)中的Zn極，由于其電勢較低，被稱為負(fù)極(negative electrode)；而接受電子發(fā)生還原反應(yīng)的一極，如Cu極，由于其電勢較高，而稱作正極(positive electrode)[3]。

圖1 丹尼爾電池

1.2 電極的判斷

從上述分析可知，判斷電極的實(shí)質(zhì)是電勢的相對高低，電勢較高的為正極，電勢較低的為負(fù)極，從物理學(xué)我們還知道，在外電路中電子將自發(fā)的從電勢較低的一極向電勢較高的一極移動(dòng)，電流的流向與電子的流向相反，即：電流將從正極流向負(fù)極，如果用化學(xué)語言描述即：失去電子的一極是負(fù)極，得到電子的一極是正極。可以推導(dǎo)原電池的工作原理見圖2。

圖2 原電池的工作原理

為方便掌握，將電極的一些常見判斷依據(jù)以表格的形式總結(jié)，詳見表1。

表1 常見的電極判斷依據(jù)

2 宏觀辨識與微觀探析的介質(zhì)——電極反應(yīng)式的書寫

化學(xué)方程式是描述化學(xué)反應(yīng)的語言，是連接宏觀物質(zhì)和微觀粒子的紐帶，原電池反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是氧化還原反應(yīng)，與普通的氧化還原反應(yīng)不同的是，原電池中的氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)通常分別在兩極發(fā)生，因此對于初學(xué)者而言電極反應(yīng)式的書寫，尤其是燃料電池中電極反應(yīng)式的書寫顯得比較困難。筆者將電極反應(yīng)式的書寫方法總結(jié)為順口溜如下：

負(fù)極氧化正還原，外界環(huán)境要體現(xiàn)。三個(gè)守恒記心間，正負(fù)之和總不變。即：負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，正極發(fā)生還原反應(yīng)，這是電極反應(yīng)式書寫的核心依據(jù)；外界環(huán)境是指電解質(zhì)溶液的酸堿性、使用何種離子交換膜、熔融金屬氧化物或碳酸鹽等條件；三個(gè)守恒包括電荷守恒、質(zhì)量守恒、電子守恒；正、負(fù)兩極的電極反應(yīng)式之和應(yīng)與總反應(yīng)相同。

例1：CH3OH和O2在KOH溶液中組成燃料電池，請寫出該電池的電極反應(yīng)式及總方程式。

第三步：依據(jù)電荷守恒原理配平以上電極反應(yīng)式，缺少的物質(zhì)可從介質(zhì)中尋找。負(fù)極左邊有 6 mol 正電荷，右邊有 2 mol 負(fù)電荷，因?yàn)樵撾姵貫閴A性電池，所以應(yīng)該在左邊添加 8 mol OH-，正極左邊有 4 mol 負(fù)電荷，右邊應(yīng)有 4 mol OH-。

電極反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是微觀粒子在負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)、正極發(fā)生還原反應(yīng)的過程，電極反應(yīng)式架起了微觀粒子與宏觀物質(zhì)聯(lián)系的橋梁，將無法用肉眼觀察的化學(xué)反應(yīng)變得更加直觀，讓生澀而枯燥的化學(xué)知識變得有血有肉。

3 實(shí)驗(yàn)探究與創(chuàng)新意識的體現(xiàn)——高考實(shí)戰(zhàn)演練

高考試題是檢驗(yàn)學(xué)科核心素養(yǎng)是否達(dá)成的重要依據(jù)，電化學(xué)部分是近年高考的必考內(nèi)容之一，該部分內(nèi)容通常以新型電池和燃料電池為載體，圍繞原電池的工作原理尤其是電極判斷及電極反應(yīng)式的書寫等知識進(jìn)行命題，題目源于教材中的傳統(tǒng)電池模型，落腳點(diǎn)卻通常高于教材知識，而這正是學(xué)科核心素養(yǎng)中實(shí)驗(yàn)探究與創(chuàng)新意識的具體體現(xiàn)。

例2：(2023·廣東卷，6)負(fù)載有Pt和Ag的活性炭，可選擇性去除Cl-實(shí)現(xiàn)廢酸的純化，其工作原理如圖3。下列說法正確的是

圖3 電池的工作原理

A.Ag作原電池正極

B.電子由Ag經(jīng)活性炭流向Pt

D.每消耗標(biāo)準(zhǔn)狀況下 11.2 L 的O2，最多去除 1 mol Cl-

圖4 水性電解液

A.Ⅱ區(qū)的K+通過隔膜向Ⅲ區(qū)遷移

判斷電極的物理依據(jù)是電勢的相對高低，由于電勢差的存在，電子從負(fù)極流向正極，即：負(fù)極失電子、正極得電子，進(jìn)而可以推知一系列的化學(xué)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)特征；電極反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是氧化還原反應(yīng)。

4 結(jié)語

電極判斷及電極反應(yīng)式書寫的學(xué)習(xí)過程促進(jìn)了宏觀辨識與微觀探析，變化觀念與平衡思想，實(shí)驗(yàn)探究與創(chuàng)新意識的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的養(yǎng)成，化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)應(yīng)貫穿于高中化學(xué)教學(xué)的始終。