基于核心内容的电化学知识复习

◇　北京　陶秀梅(特级教师)

(作者单位：北京市第十八中学)



基于核心内容的电化学知识复习

◇北京陶秀梅(特级教师)

电化学是高中化学的重点内容,是最能体现化学源于生活并服务于生活和社会,体现化学有用性和真实价值的具体实例,近几年高考对电化学内容的考查,越来越关注对核心知识的理解和具体应用的真实价值．因此,在高三的复习中,要强化对基础知识的认识和熟练,使知识更加系统化和网络化;要强化把学科知识转化为学科能力,加深对学科思想的理解．下面谈一谈在电化学专题复习中要落实的几项内容.

1　为什么要研究化学能与电能的相互转化

电化学在能量转换、物质合成、防止金属腐蚀等方面应用广泛,通过电化学的学习和研究能够解决生产、生活、科学技术活动中的真实问题,感受化学可以使生活更美好．2015年作为全世界薄膜发电领域最大的公司汉能集团成为中国内地资产首富,足以说明电化学在国民经济中占有多么重要的地位．

1.1利用电化学原理可以改造传统能源和开发新能源，设计各种新型电池

例如:锂离子电池见图1，染料敏化太阳能电池见图2，镁-次氯酸盐燃料电池见图3.还有各种燃料电池及新型电池的开发利用,为改造传统能源和开发新能源提供了有力理论支持．

图1

1.2利用电化学原理可以更加绿色地制取新物质，解决环境问题

图4

分析通常工业上制取NH4NO3通过以下流程完成:

这种方法反应环节多、生产效率低,在生产过程中容易产生有害物质造成大气污染．若用电解NO的方法,则可以减少反应步骤和环节、减少污染物的排放,生产效率高,是一种非常好的办法．

图5

分析a室发生阳极反应:

2H2O-4e-=4H++O2↑;

H+从a室进入b室,发生反应:

此时b室排出海水的pH<6.

c室发生阴极反应

2H2O+2e-=2OH-+H2↑,

生成的OH-与pH<6的海水中和,合格后排回大海．

通过典型例题的练习和电化学前沿内容的拓展,体会到应用电化学原理通过装置的设计,克服了传统工业在生产过程中的生产效率低、易造成大气污染等问题,实现了能量的高效转化,既体现了化学的有用性,又开拓学生视野,激发学生的学习热情．

2从原理、技术、应用层面认识化学能与电能的转化

在《选修4》教材中是这样描述电化学的:电化学是研究化学能与电能相互转化的装置、过程和效率的科学．也就是说在高中阶段不仅要求理解原理,还要对技术和应用层面的问题有所领悟．在《必修2》及《选修4》阶段的学习中,大家已经明确了通过设计可以使自发的氧化还原反应中的电子定向移动,获得电流;知道了电流可以引发氧化还原反应,电解法是最强有力的氧化还原手段;还知道了通过改进工艺设计,可以提高能量的转化效率．

图6

A该过程是将太阳能转化为化学能的过程;

B催化剂a表面发生氧化反应,有O2产生;

C催化剂a附近酸性减弱,催化剂b附近酸性增强;

D催化剂b表面的反应是

CO2+2H++2e-=HCOOH

分析试题以人工光合作用为背景,提供了一个类似于电解池构型的光解池,素材陌生度高,情景呈现方式新颖,要想准确作答,需要从原理、技术、应用等层面加以理解,图7为利用人工光合作用制造“太阳能燃料”的原理.

甲　原理图　　　　　　　　乙　原理放大图

丙　原理简图　图7

在复习时要注意思考:

1) 这种装置从电化学角度看,它的名称是什么?为什么?

2) 电极总反应是什么?

3) 如果没有原理图,如何写出电极总反应?

4)a、b电极名称是什么?怎样写出a电极所发生的电极反应?

5) ① 该过程是将太阳能转化为________能的过程.② 催化剂b表面的反应________.③ 催化剂a附近酸性减弱,催化剂b附近酸性增强的原因是什么?

通过对试题的完整分析,可以总结、建构电化学内容的学习规律，电化学的核心内容就是利用氧化还原反应原理,将导线中的电子与电解质中的离子,通过一定的工艺设计使其分别在电池的2个不同区域得失电子，发生氧化还原反应,通过氧化和还原反应实现电子导电与离子导电的转换,使整个装置形成“通路”,达到化学能与电能相互转化的目的．

工业上对电池的表述更加广泛, 即电池是一种化学电源,它由2种不同成分的电化学活性电极分别组成正负极,两电极浸泡在能提供媒体传导作用的电解质中,当连接在某一外部载体上时,通过转换其内部的化学能来提供电能．通过反应将化学能或物理能转化为电能,是一种能量转化与储存的装置．

2.1电化学内容认知模型

明确电池的4要素: 1)电子导体(导线); 2)离子导体(电解质); 3)电极材料(金属、非金属、新型材料); 4)电极反应(氧化或还原反应).

图8

研究电化学要从原理、装置、微粒的运动和变化等角度全面分析．

1) 回顾最基本的铜-锌-硫酸原电池找出构成原电池的基本要素．

2) 通过双液电池的分析,巩固建立基本模型,弄清模型中各要素的内容,理清关系．

3) 利用蓄电池实例,训练解决实际问题的能力．

2.2研究电化学的一般步骤

通过基础知识的复习和解题训练,明确研究电化学的一般步骤,如图9所示.

图9

图10

(1)Pt电极上发生的是________反应(填“氧化”或“还原”)．

(2)写出NiO电极的电极反应式________．

分析1) 确定研究的是什么电池.仔细观察电池的工作原理示意图,没有外加电源,是原电池．

2) 判断电池的电极.电池Pt电极通入的是O2变为O2-,元素化合价降低,得电子,发生的是还原反应,判断是正极．NiO电极NO转化为NO2,元素化合价升高,失去电子,发生的是氧化反应,判断是负极．

3) 书写电极反应式.结合题设的情境,电极反应式为:

正极:O2+4e-=2O2-还原反应.

负极:NO+O2--2e-=NO2氧化反应.

书写电极反应式是电化学内容考查的重点,也是出现问题最多的知识点,感觉是最难应付的．试题中要求书写的电极反应大多数情况是陌生的氧化还原方程式,书写的步骤归纳为:

a) 认真阅读试题,有效提取题目信息,基于装置功能明确是得电子还是失电子?找出反应物和生成物．

b) 哪种物质(微粒)得、失电子?得、失多少电子?电极周围还有哪些粒子?这些粒子处于什么环境中,能否继续反应?生成什么?

c) 补全反应式中所缺的物质或离子(一般补H2O、H+、OH-)．

4) 检查.完成电极反应式的配平,要从定性(元素种类、电荷种类、化合价变化等)、定量(电子守恒、电荷守恒、元素守恒)方面考虑．

(2)当阴极室中溶液pH升至8以上时,吸收液再生并循环利用．简述再生原理______________．

图11

从上述例题的解题过程可以看出,如果掌握了电化学知识的认知模型和解题的一般思路,通过仔细观察、认真思考就能够准确、快速地解答．

3从宏观、微观、符号3个层次理解并实现有机融合

电化学内容突出体现了宏观、微观、符号三重表征的有机融合．电化学中对电池反应中的现象及产物的判断是宏观上的,电子和离子等微观粒子的移动、盐桥的知识需要运用微粒观理解,而电离方程式、电极反应式等化学语言的呈现需要抽象思维能力．因此在复习中要通过恰当的模式和策略,做到知其然又知其所以然,并且能够准确表达．

在复习中要时刻不忘三重关系的分析与表达,还要训练书写的规范和考虑问题的全面等．

综合所述,在高三电化学专题复习过程中,首先要重新审视所学的内容,从整体角度对必修及选修教材相关内容进行分析,在深刻理解氧化还原反应本质的基础上,从能量转化与守恒及微观粒子的运动与反应的角度,建立电化学的认知体系,再结合高考试题进行深入研究,在复习中落实巩固,使体系更加完善,应用更加自如,提升知识的迁移能力,深刻领会电化学的核心内容,做到以不变应万变．

(作者单位：北京市第十八中学)