韓建豐 高凌蕊

(1.北京市廣渠門中學 2.首都師范大學第二附屬中學)

電化學是化學高考必考點中的難點,通過解讀新課程標準和電化學高考題可以得出電化學解題的核心是電極反應式的書寫.“四步法”是突破電極反應式書寫這一難點的關鍵方法.

1 電化學中的電極反應考查背景

基于《普通高中化學課程標準(2017年版2020年修訂)》的分析發(fā)現(xiàn),有關電化學內(nèi)容的化學核心素養(yǎng)落點為:1)理解原電池和電解池的原理、裝置、應用.2)理解金屬的電化學腐蝕原理及金屬腐蝕的危害和防治.3)能夠熟練書寫電極反應式和總反應方程式.在新高考背景下通過分析近年全國各地高考化學試題,發(fā)現(xiàn)電化學知識一般以綜合型考題出現(xiàn),其中以電極反應式的書寫為解題核心,考查內(nèi)容主要為:1)教材中出現(xiàn)過的電極反應式;2)由電化學裝置示意圖或總反應推斷陌生的正負、陰陽極電極反應式;3)由給定的電極反應式反推電化學裝置工作原理.

基于以上思考,發(fā)現(xiàn)考生在電化學部分取得高分的關鍵是:能夠熟練書寫電極反應式.電極反應式書寫的考查方式:1)由裝置示意圖的提示直接寫出陌生電極反應式;2)由總反應推出電極反應式;3)由課本熟悉情境直接寫出電極反應式.

2 目前電極反應式書寫方法存在的問題

學生目前對電極反應式書寫存在兩大問題:

1)不理解課本的電極反應式,依靠背誦進行書寫,這在高三復習階段極容易造成階段性遺忘和混淆.

例如,書寫電解氫氧化鈉(Ⅰ)或硫酸(Ⅱ)溶液的陽極反應式,在人教版新教材要求下,Ⅰ應為4OH--4e-＝O2＋2H2O;Ⅱ應為2H2O-4e-＝O2＋4H＋,這兩種寫法是在掌握放電離子順序并結(jié)合離子濃度考慮下確定的,需要學生思路清晰才能正確處理.

2)未掌握陌生電極反應式的直接書寫方法,依舊依靠“總反應減去某一極電極反應得到另一電極反應”.

在高三階段,依舊有學生在書寫鉛蓄電池正極反應式時采用“減”的方法,即先寫出總反應:Pb＋PbO2＋2H2SO4＝2PbSO4＋2H2O,再寫出較為簡單的負極:,兩式相減得到的正極電極反應式.學生如此處理無疑加大了背誦的壓力,這與高考導向不符,且出現(xiàn)錯誤的概率和解題時間明顯增加.如果是復雜情境,學生也可能無法找到總反應和另一簡單的電極反應式,從而無法應用“減”法.

3 “四步法”電極反應式的書寫方法和示例

不管是熟悉的電極反應式還是陌生的電極反應式都可以應用“四步法”進行書寫,且可以提高書寫的準確率,并能提升學生對電化學核心概念的理解.

例如,書寫CH4|KOH|O2(甲烷堿性燃料電池)的負極電極反應式,應用“四步法”,流程如圖1所示.

圖1

第一步:依據(jù)總反應化學方程式或圖示寫出變價的反應物與生成物,以上燃料電池的負極在第一步寫為.說明:該燃料電池中甲烷為原電池的負極反應物,燃料電池的生成物為CO2和H2O,涉及變價的元素為C,因而第一步的“＝”左右兩側(cè)應為CH4和CO2,一定要考慮電解質(zhì)環(huán)境對變價生成物造成的影響,在KOH 存在下原本的生成物CO2會與KOH 反應生成K2CO3,因而“＝”左右兩側(cè)應為CH4和.

第二步:依據(jù)第一步寫出的反應物與生成物,確定得失電子個數(shù).以上燃料電池的負極為CH4＋待補充＝＋待補充,甲烷為有機物,而有機物中各元素化合價判斷方法是:H 為＋1價、O 為-2價、C 為變價,由此可以得出甲烷中C 元素的化合價為-4價,中C元素的化合價為＋4價,從而判斷失去8個電子,因而在第二步應繼續(xù)補充為CH4-8e-＋待補充＝＋待補充.

第三步:利用電荷守恒(離子方程式等號兩側(cè)離子所具有的電荷數(shù)相等)進行第三步書寫.選出合適的離子進行電荷守恒配平(例如酸性H＋、熔融碳酸鹽、熔融氧化物O2-等),這里的關鍵問題是要充分考慮電解質(zhì)溶液環(huán)境,因本題為甲烷的堿性燃料電池,故應采用OH-進行電荷守恒配平.依據(jù)第二步進行電荷守恒配平:等號左側(cè)-8e-代表8 個正電荷(電子帶負電,減去電子則代表為正電荷),右側(cè)1個代表2個負電荷,目前電荷情況為左側(cè)＋8,右側(cè)-2,計算得出應將OH-放置在等號左側(cè)且個數(shù)為10,即

第四步:最后一步為原子守恒,即化學反應前后原子種類、數(shù)目不變.依據(jù)第三步(CH4-8e-＋10OH-＝＋待補充)判斷,等號右側(cè)還應有14個H 原子、7個O 原子,即＋7H2O 才能達成原子守恒.則負極電極反應式為.至此,電極反應式的完整書寫流程結(jié)束.

4 “四步法”書寫電極反應式應用的關鍵突破

4.1 電解質(zhì)環(huán)境和關鍵離子的判斷及應用

電解質(zhì)環(huán)境和關鍵離子的判斷及應用是解題的重點.通過示例可知“四步法”應用的關鍵:第一步能夠依據(jù)條件(總反應、電解質(zhì)環(huán)境、圖示等)書寫正確的生成物,第三步能夠正確且熟練地應用電荷守恒配平.

2組非小細胞肺癌患者近期療效見表1。2組近期療效差異有統(tǒng)計學意義(Z=-3.578，P=0.000)。聯(lián)合用藥組對肺癌的控制率為74.44%，顯著高于吉西他濱組的46.67%(χ2=15.253，P=0.000)。

例如,甲烷固體氧化物燃料電池CH4|Y2O3-ZrO2|O2,正負極電極反應式的書寫結(jié)果受電解質(zhì)環(huán)境的影響.首先Y2O3-ZrO2(固體氧化物電解質(zhì))為中性環(huán)境,關鍵離子為O2-,應用“四步法”書寫該電池負極反應的第一步:變價反應物為CH4,變價生成物為CO2.第二步:電子得失為-8e-.第三步:根據(jù)電荷守恒,應用O2-進行配平,需左側(cè)補4O2-.第四步:根據(jù)原子守恒可知右側(cè)補2H2O,則最終結(jié)果為CH4-8e-＋4O2-＝CO2＋2H2O.同理正極的電極反應式應用“四步法”后得出的結(jié)果為O2＋4e-＝2O2-.關鍵是:判斷出甲烷的變價生成物為CO2、參與配平的離子為O2-,這些結(jié)論由電解質(zhì)環(huán)境推導得出,可見電解質(zhì)環(huán)境及關鍵離子的準確判斷對“四步法”的應用極其重要,這是學生書寫電極反應式的解題核心.

4.2 放電順序

電解池的電極反應式書寫對很多學生來說都是難點,放電順序是電解池電極反應書寫的重點.出現(xiàn)這一問題的原因是:學生不關注電極(特別是陽極)材質(zhì),不熟悉陰陽極放電順序.活性陽極電極本身放電問題是學生最容易出錯的一點,可利用對比法進行思維進階.

例如,電池Ⅰ:(陽極)C|NaCl飽和溶液|C(陰極)和電池Ⅱ:(陽極)Fe|NaCl飽和溶液|Fe(陰極).

電池的電極材質(zhì)不同,Fe電極作陰極無法得電子,因而是電解質(zhì)溶液中的陽離子在陰極放電,順序可以簡單記憶為“反金屬活動順序”＋“加塞兒的Fe3＋”,陽離子在陰極放電順序的本質(zhì)為金屬離子的氧化性強弱關系(氧化性強的金屬離子先放電),而金屬離子的氧化性與其單質(zhì)的還原性成反比:Na＋＜Mg2＋＜…＜H＋＜Cu2＋＜Fe3＋＜Hg2＋＜Ag＋＜…,因而Ⅰ和Ⅱ的陰極反應都為2H2O＋2e-＝H2＋2OH-(陽離子有Na＋和H＋,放電順序為Na＋＜H＋,氫離子濃度小因而寫為H2O 放電).陽極電極反應式則不同,陽極放電應先判斷電極材質(zhì).Fe為活性電極(只有C和Pt為惰性電極)優(yōu)先于電解質(zhì)溶液中的陰離子放電,因而Ⅱ中陽極反應為Fe-2e-＝Fe2＋.Ⅰ中陽極材質(zhì)為惰性C電極,需要學生理解陽極的陰離子放電順序,可以簡單敘述為“硫碘氯氧”,即S2-＞等一般酸根(通過高考題考點歸納,此處不需要擴充),本質(zhì)為陰離子的還原性大小關系,而陰離子的還原性強弱又與其單質(zhì)的氧化性成反比.通過分析可知Ⅰ中陰離子在陽極的放電順序為Cl-＞OH-,陽極反應為2Cl--2e-＝Cl2↑.基于以上分析可以較為簡單地書寫出Ⅰ和Ⅱ的電極反應式,也就得到了Ⅰ的總反應為氯堿工業(yè)原理(電解飽和食鹽水),生成物為氫氣、氫氧化鈉和氯氣;Ⅱ的最終生成物為氫氧化亞鐵(白色沉淀,高中化學重點制備物質(zhì),需覆蓋油膜)和氫氣.

5 電極反應式書寫創(chuàng)新題示例與練習

5.1 基于陌生電池總反應的電極反應式書寫

通常這類題目會給出原電池和電解池的總反應或裝置示意圖,這些內(nèi)容將提示:反應物和生成物是什么,裝置類型(原電池還是電解池),陰、陽極或正、負極的位置,電解質(zhì)環(huán)境(其中的關鍵離子是什么),學生分析清楚這些提示后將“四步法”應用熟練即可解決相應問題.

例1已知反應2H2O2＝2H2O＋O2↑能自發(fā)進行,若電解則可實現(xiàn)逆反應自發(fā)進行從而實現(xiàn)由H2O和O2為原料制備H2O2,如圖2所示.請寫出a極的電極反應式.

圖2

分析通過裝置圖和總反應可知,反應物為O2,生成物為H2O2,O 元素化合價由0價變?yōu)?1價,化合價降低,得電子,則a為陰極,依據(jù)“四步法”可以書寫a極的電極反應式:①變價的反應物與生成物為O2＋待補充＝H2O2＋待補充;②電子得失為O2＋2e-＋待補充＝H2O2＋待補充;③電荷守恒,由圖2可知為H＋環(huán)境,需左側(cè)補2H＋,即O2＋2e-＋2H＋＝H2O2＋待補充;④原子守恒,因已守恒則答案為O2＋2e-＋2H＋＝H2O2.

5.2 基于裝置示意圖的電極反應式書寫

解決這類問題需要關注裝置示意圖中的生成物及環(huán)境,應用“四步法”可以輕松完成電極反應式書寫.

圖3

分析由電解示意圖判斷,電極B 上Mn2＋失去電子轉(zhuǎn)化為MnO2,B電極為電解池陽極.電解質(zhì)為硫酸和硫酸錳溶液,由于電解質(zhì)環(huán)境為酸性,所以H＋參與電荷守恒配平.“四步法”電極反應式的書寫流程為①變價的反應物與生成物:Mn2＋＋待補充＝MnO2＋待補充.② 電子得失:Mn2＋-2e-＋待補充＝MnO2＋待補充.③電荷守恒:由圖2 可知為H＋環(huán)境,需右側(cè)補4H＋,即Mn2＋-2e-＋待補充＝MnO2＋4H＋.④原子守恒:需左側(cè)補2H2O,因而答案為Mn2＋-2e-＋2H2O＝MnO2＋4H＋.

5.3 基于電極反應式書寫的電化學問題解決

電化學的考查除了電極反應式書寫,還有多種形式,但都以電極反應式為核心來解決其他電化學問題.

例3利用太陽能光伏電池電解水制高純氫,如圖4所示.請說明電極3的作用.

圖4

分析首先要分析出電解水生成氫氣和氧氣,氫氣在陰極生成,則應連接K1,由“四步法”得出電極方程式為2H2O＋2e-＝H2↑＋2OH-;氧氣在陽極生成,則應連接K2,由“四步法”得出電極方程式為4OH--4e-＝O2↑＋2H2O.清楚電極反應后再去分析電極3的作用就非常清晰了,電極3的作用是“交替連接”后利用裝置進行高純氫氣和氧氣的獲取并使整個電解質(zhì)溶液中的氫氧根離子循環(huán)起來.因而答案為連接K1:電極3 做陽極,電極反應為Ni(OH)2-e-＋OH-＝NiOOH＋H2O;連接K2,電極3做陰極,電極反應為NiOOH＋H2O＋e-＝Ni(OH)2＋OH-,電極3的作用為循環(huán)OH-,并分別產(chǎn)生純度更高的氫氣和氧氣.

綜上所述,目前新高考的化學試題中有關電化學的考查非常注重學生對電化學基礎知識的掌握情況,及應用分析、解決實際問題(化學電源、電解工業(yè)、電化學腐蝕與防腐)的綜合能力,對學生在電化學知識體系建構(gòu)中形成的關鍵能力和必備品格的要求不斷提高.因而在備考中,學生需要強化基礎、把握重點、突破難點,特別是對各極電極反應式的書寫需要著重理解,并以此為核心進行電化學結(jié)構(gòu)化知識體系的建構(gòu).而“四步法”就是突破電極反應式書寫這一難點的關鍵方法.學生通過掌握電極反應式書寫的“四步法”,可形成電化學解題的一般思路與方法.

鏈接練習

1.Mg|NaOH 濃溶液|Al,開始Mg作負極,則負極電極反應為________;一段時間后,電極轉(zhuǎn)換,請寫出原因:_______;之后Al作負極,則負極電極反應為_________.

2.某電池以KOH 為電解質(zhì)溶液,K2FeO4和Zn為電極材料.則正極電極反應為_________.

3.全固態(tài)鋰硫電池為優(yōu)秀新型Li電池,已知電池總反應為16Li＋xS8＝8Li2Sx,正極為摻有石墨烯的S8材料,電解質(zhì)為傳導Li＋的固體材料.寫出正極電極反應:_______.

4.某電解池:Al作陽極,C作陰極,NaHCO3溶液作電解質(zhì),電解現(xiàn)象為生成沉淀和氣體.寫出電解池總反應:_______.

5.由不參與電極反應的有機陽離子、Al2Cl7-和AlCl4-組成的離子液體作電解液(離子液體為非水體系下的室溫熔融鹽).用于鋼制品上電鍍鋁,且電鍍過程不產(chǎn)生新離子,寫出陰極、陽極的電極反應:_______.

鏈接練習參考答案

1.Mg-2e-＋2OH-＝Mg(OH)2;生成的Mg(OH)2沉淀附著在Mg電極表面,阻止放電或當Mg作負極放電時,正極放電物質(zhì)為O2,原電池本質(zhì)為Mg的吸氧腐蝕,隨著反應進行溶液中溶解氧氣濃度下降,正極反應停止;Al-3e-＋4OH-＝AlO-2＋2H2O.

(完)