多视角透析电化学问题 —消减电化学学习中“懂而不会”现象的有效策略

作者: 来源: 发布时间:2017年11月02日 点击数:

多视角透析电化学问题   —消减电化学学习中“懂而不会”现象的有效策略

 张晓   浙江省舟山中学

摘要:电化学是《化学反应原理》的核心内容之一,也是高考中把化学用于联系生活和生产的桥梁之一。在教学中应重视基本知识的落实,突破重难点,实现学生知识应用能力的提升,从而突破学生“懂而不会”的困境。

关键词:原电池  电解池  

一、考情分析

高考中电化学是高频率出现的考点之一,因为电化学是化学在生活生产中应用比较广泛的知识点,近几年常结合化工生产和化学新工艺综合起来考查,考查形式主要是选择题和大题中某小题填空题的形式出现。2017年全国高考化学考试大纲中要求:理解原电池和电解池的构成、工作原理及应用,能书写电极反应和总反应方程式(曾经的“了解”变“理解”);了解常见化学电源的种类及其工作原理。可见高考中对电化学的要求逐渐升高,而且电化学与化学相关知识联系较为紧密,诸如氧化还原反应,元素化合物知识。

例1.(全国卷I)支撑海港码头基础的钢管桩,常用外加电流的阴极保护法进行防腐,工作原理如图所示,其中高硅铸铁为惰性辅助阳极。下列有关表述不正确的是

A. 通入保护电流使钢管桩表面腐蚀电流接近于零

B. 通电后外电路电子被强制从高硅铸铁流向钢管桩

C. 高硅铸铁的作用是作为损耗阳极材料和传递电流

D. 通入的保护电流应该根据环境条件变化进行调整

例2.(2017•江苏)铝是应用广泛的金属.以铝土矿(主要成分为Al2O3,含SiO2和Fe2O3等杂质)为原料制备铝的一种工艺流程如下:

 

(3)“电解Ⅰ”是电解熔融 Al2O3,电解过程中作阳极的石墨易消耗,原因是            。

(4)“电解Ⅱ”是电解Na2CO3溶液,原理如图所示.

 

阳极的电极反应式为                                     ,阴极产生的物质A的化学式为               。

点评:全国卷I中考查金属的电化学腐蚀与防护,需要掌握电解池的原理,明确外加电流阴极保护法的工作原理是解答本题的关键,侧重分析与应用能力的考查,注意化学与生活的联系。江苏卷中第(3)题中“电解Ⅰ”是电解熔融 Al2O3,考查了活泼金属的冶炼方法,电解过程中作阳极的石墨易消耗,因石墨电极被阳极上产生的O2氧化。第(4)题中结合工业生产的原理由图书写阳极的电极反应为4CO32+2H2O﹣4e═4HCO3+O2↑,阴极上氢离子得到电子生成H2

二、考情解密

电化学怎么考,难度多少?关键还是熟练掌握电化学的基本原理,这是分析电化学的依

据。原电池的基本知识1.工作原理,盐桥的作用;2.形成条件;3.正负极的判断和电子流向的判断;4.电解质溶液中离子的移动方向;5.电极反应式书写;6.各种类型的化学电源及设计简单原电池。电解池的基本知识:1.工作原理;2.形成条件;3.阴阳极的判断和电子的流向判断;4.电解质溶液中离子的移动方向;5.电极反应式书写 ;6.掌握活性电极和惰性电极及阴阳离子在两极的放电顺序; 7.电解类型及电解应用。高考中无论题型的变化还是题目难易的变化,课本中最基本、最核心的内容依然是高考的重点。但是纯粹的知识性题目比例较少,而是需要把课本知识与生活、生产、社会热点、环境联系起来,达到知识的应用的目的,从而提升学生的能力。

三、判断池型

1.       原电池和电解池的判断;2.原电池的正负极判断及反应;3.电解池的阳阴极判断及反应。

这些判断较为简单。原电池和电解池统称为电池,如果将多个电池串联在一起,综合考查电化学知识是近年来高考命题的热点,该类题目能够考查学生对解题方法的掌握情况,需要学生具有缜密的思维能力及巧妙的处理数据的能力。串联电池首先要判断电池类型:有外接电源的为电解池;无外接电源电源的如果能自发发生氧化还原反应的为原电池,不能自发发生氧化还原的为电解池。池型的判断是解题的首要前提。

例3某同学按下图所示的装置进行实验。A,B为两种常见金属,它们的硫酸盐可溶于水,当K闭合时,Y极上产生黄绿色气体。下列分析正确的是(  )

A.溶液中c(A2)减小

B.B极的电极反应:B-2e=B2

C.Y电极上有Cl2产生,发生还原反应

D.反应初期,X电极周围出现白色胶状沉淀

 

点评:根据Y极有黄绿色气体生成,Y极电极反应为2Cl-2e=Cl2↑,即Y为电解池的阳极,那么左边装置图为原电池,右边装置图为电解池。自然判断出B为原电池的正极,A为原电池的负极。故A极的电极反应为A-2e=A2,溶液中c(A2)增大,A错误;B极为正极,发生还原反应,B错误;右边U形管中最初为电解AlCl3溶液,X电极为H放电,c(H)减小,c(OH)增大,且Al3移向X极,因此会产生Al(OH)3白色胶状沉淀,D正确。在这道题目中还涉及到了隔膜,隔膜又叫离子交换膜,由高分子特殊材料制成。离子交换膜分三类:(1)阳离子交换膜,简称阳膜,只允许阳离子通过,即允许H和其他阳离子通过,不允许阴离子通过。(2)阴离子交换膜,简称阴膜,只允许阴离子通过,不允许阳离子通过。(3)质子交换膜,只允许H通过,不允许其他阳离子和阴离子通过。隔膜主要起到了两点作用(1)能将两极区隔离,阻止两极区产生的物质接触,防止发生化学反应。(2)能选择性的通过离子,起到平衡电荷、形成闭合回路的作用。

四、电极反应(包括充放电时的电极反应式的书写)

近几年高考中的新型电池种类繁多,“储氢电池”、“高铁电池”、“海洋电池”、“燃料电池”、“锂离子电池”等,解析这类考题,除了理解常见的化学电源种类及原电池的工作原理,还要会书写电极反应式等。书写原电池或电解池的电极反应,首先根据电池的工作原理准确判断正负极或阴阳极,然后结合电解质溶液确定电极产物,最后根据质量守恒和电荷守恒写出电极反应式。

例4(1).Li-SOCl2电池可用于心脏起搏器。该电池的电极材料分别为锂和碳,电解液是LiAlCl4-SOCl2。电池的总反应可表示为4Li+2SOCl2===4LiCl+S+SO2↑。

电池的负极发生的电极反应为                                                            电池正极发生的电极反应为。

(2).(2016·浙江,28节选)研究证实,CO2也可在酸性水溶液中通过电解生成甲醇,则生成甲醇的反应发生在极,该电极反应式是_______________________________。

点评:(1)分析反应的化合价变化,可知Li失电子,被氧化,为还原剂,SOCl2得电子,被还原,为氧化剂。负极材料为Li(还原剂),4Li-4e===4Li。正极反应式可由总反应式减去负极反应式得到:2SOCl2+4e===4Cl+S+SO2↑。

(2)根据题意,二氧化碳在酸性水溶液中通过电解生成甲醇,CO2中C呈+4价,CH3OH中C呈-2价,结合反应前后碳元素化合价变化,可知碳元素的化合价降低,得到电子,故该电极为阴极,电极反应式为CO2+6H+6e===CH3OH+H2O。

四、定量计算

考查定量计算一般涉及到较难书写的电极反应式。定量计算综合考查了学生提取信息

的能力,判断能力和知识的迁移能力。原电池和电解池的相关计算通常涉及以下几方面:①电子转移的量;②两极产物的物质的量或质量;③溶液pH的变化;⑤根据电极反应求算能让电解质溶液恢复原样的所需物质的物质的量等。

例5.用惰性电极电解一定浓度的CuSO4溶液时,通电一段时间后,向所得的溶液中加入0.1 mol Cu2(OH)2CO3后恰好恢复到电解前的浓度和pH(不考虑二氧化碳的溶解)。则电解过程中转移电子的物质的量为(    )

A.0.4 mol  B.0.5 mol     C.0.6 mol     D.0.8 mol

点评:电解硫酸铜时,硫酸铜和水反应生成铜、氧气和硫酸,反应后只需要加入氧化铜或碳酸铜即可恢复原电解质溶液。而题中加入的是碱式碳酸铜能恢复到电解前的浓度,说明后来还电解水生成氢气与氧气。相当于加入了0.2 mol氧化铜和0.1 mol水,而0.1 mol水是第二阶段的反应所消耗的,该阶段转移了0.2 mol电子,第一阶段转移了0.4 mol电子,即一共转移了0.6 mol电子,C项正确。电化学计算我们可以从以下几个方面入手1.根据总反应计算:先写出电极反应式,再写出总反应式,最后根据总反应式列出比例式计算。2.根据电子得失守恒计算。根据得失电子守恒定律建立起已知量与未知量之间的桥梁,构建计算所需的关系式。如以通过4 mol e为桥梁可构建如下关系式:4e--2Cl2(Br2、I2)-O2-2H2-2Cu-4Ag。

该关系式具有总揽电化学计算的作用和价值,熟记电极反应式,灵活运用关系式便能快速解答常见的电化学计算问题。

五、设计原电池或电解池

根据题目给定的已知条件,要求学生设计一个原电池或者电解池是高中化学学习的重点,

也是高考的考点,此类题目主要考查学生对金属活动顺序的应用,同时又考查了学生对电池电极的选择,因此属于综合性题目。

例6.请运用原电池原理设计实验,验证Cu2、Fe3氧化性的强弱。并画出实验装置图,要求用烧杯和盐桥,并标出外电路电子流向。

点评:设计此类装置图时,要注意只有放热的氧化还原反应才能设计成原电池将化学能转化为电能。装置图常见失分点也要注意,如不注明电极材料名称;不画出电解质溶液;误把盐桥画成导线等。

 

 

总之,原电池的知识点考查指挥我们教学方向和重点的是高考。如何做好这一类题目要求我们强化基础知识的巩固,培养学生知识的应用能力,这样才能消除:“懂而不会”的现象。

 

参考文献:

1.杨万栓.从高考题谈电化学的教学策略 [J].教学文萃,2017(12):82

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