高中电化学基础知识及其应用

陈谦明

[摘   要]电化学是高中化学的重要内容之一，主要研究对象是原电池和电解池，对两者电极的正确判断和电极反应的熟练掌握有助于学生解决复杂的电化学题目，提高解题效率，同时，能使其更好地理解电化学在生产生活中的实际应用，真正实现学以致用。

[关键词] 电化学;化学教学;高中化学

[中图分类号]    G633.8       [文献标识码]    A        [文章编号]    1674-6058（2019）15-0062-02

在高中阶段的化学课程体系中，电化学基础知识是重要内容之一。电化学知识的研究对象主要是原电池和电解池。简单来说一个电池主要包括两个电极以及电极之间的电解质。因此，电化学基础知识主要包括两大部分：（1）关于电解质的内容，即电解质的导电性以及相关离子的性质。（2）关于电极的内容，主要研究电极平衡以及通电后的极化性质，即电极、电解质界面处的电化学行为。不管是研究电解质还是电极，都需要用到热力学、动力学以及材料学方面的知识。

一、高中电化学基础知识

1.电极的判断

在现阶段使用的高中化学课本中，电极名称在原电池和电解池中明显不同。前者的电极分为正极和负极，而后者分为阳极和阴极。原电池电极的判断方法主要有以下四种：（1）根据构成原电池的电极材料判断：活泼金属作负极，较不活泼金属或导电的非金属及金属氧化物作正极。（2）根据电子流向或电流流向判断：电子流出或电流流入的电极为负极，反之为正极。（3）根据原电池的反应进行判断：发生氧化反应的为负极，发生还原反应的为正极。（4）根据两极现象判断：溶解或质量减少的一极为负极，质量增加或有气泡产生的一极为正极。电解池电极的判断方法：和电源负极相连的是电解池的阴极，和电源正极相连的是电解池的阳极。

2.电极反应

在电化学中，原电池、电解池中都会发生电子转移，即氧化还原反应。依据反应中的电子得失情况，我们将原电池中得到电子的一极叫做正极，失去电子的一极叫做负极。而在电解池中我们将失去电子的一极叫做阳极，得到电子的一极叫做阴极。一般情况下，当两电极的活性存在较大差异时，原电池中具有较强活性的电极会失去电子成为负电极;但是，也可能存在特殊情况。例如，活性金属镁、铝作为电极，氢氧化钠溶液作为电解质组成原电池，虽然镁的活性比铝强，但铝在氢氧化钠溶液中的活性却比镁强，因此铝作为电池负极：2Al-6e-+8OH-=2AlO2-+4H2O;镁作为电池正极：6H2O-6e-=3H[2↑]+6OH-，电极总反应为：2Al+2OH-+2H2O=2AlO2-+3H2[↑]。可见镁、铝在强碱性环境下的活性和平时不同。又如，铜、铝电极和浓硝酸构成原电池，负极反应：Cu-2e-=Cu2+;正极反应：4HNO3+2e-=2NO-3+2NO2+2H2O;总反应：Cu+4HNO3=Cu（NO3）2+2NO2+2H2O。其中铝在浓硝酸溶液中发生钝化，此时铜的活性比铝强，因此作为电池负极。教师可以结合这两个典型的原电池构成及其相关电极反应让学生明白原电池电极的判断和电解质溶液有关，不同的电解质溶液中，同一种电极材料的活性会发生变化，甚至惰性电极也可能会发生反应。在实践中常用的惰性电极材料有石墨、金属铂，惰性电极一般不参与反应，但也存在特例，如在工业中制备铝金属时可以利用石墨作电极电解熔融Al2O3来制取，其相关电极反应为，阳极：[6O2--12e-=3O2];阴极：[4Al3++12e-=4Al]，而在高温环境下，C可以和O2反应生成CO2，可见石墨作为电极并不是任何条件下都不会发生反应，因此在工业生产中，石墨会有耗损，需要持续补充。

二、电化学知识的应用

1.原电池的应用

在学习电化学基础知识时，教师要让学生意识到原电池是电化学中非常关键的内容。原电池是将化学能转换为电能的一种装置。当将两个电极置于电解质中，连通形成闭合电路时，原电池电极将发生氧化还原反应形成电流，这样一来化学能就转化成了电能。原电池的应用主要有两类。一类是利用原电池发生氧化还原反应的原理，改变金属的内部结构，如在钢中加入Cr、Ni制取不锈钢;利用电镀方法在钢铁表明形成保护金属的一层氧化膜，起到防腐蚀的作用。另一类是用作化学电池，原电池的氧化还原基本不可逆，因此反应结束后，电池不可重复充电使用，这也是原电池名称的由来。在高中化学教学中，当讲解到电化学知识的应用类题目时，教师要引导学生运用电化学知识和相关反应原理分析问题，解决问题。在高中化学学习中电化学基础知识的应用通常与化学电源有关，如锌-锰干电池、铅蓄电池、锌-银纽扣电池和燃烧电池的相关应用问题等。

2.电解池及其应用

电解池和原电池相反，它是一种将电能转化为化学能的装置。电解池中的电化学反应需要外接电源，形成闭合电路才能发生。电解池知识在高中化学题目中的应用主要集中在放电顺序的判定以及电解规律的分析上。在电解池应用题中，电镀和氯碱工业的应用问题比较常见，这类问题通常出现在综合分析题中，分值占比相对较大。因此，学生要重视对这部分知识的学习和掌握。

三、高中电化学题目的解题方法

1.解题基本步骤

在比较复杂的电化学题目中，基本的解题步骤和思路是先确定题目中提到的电化学反应装置是原电池还是电解池，确定后再判断电极名称，书写电极反应式，结合反应产物、电子转移以及离子传输判断电极反应类型，掌握其中规律，最后根据相关现象的描述和解释进行计算，求解出问题答案。

2.判断电极名称

如上所述，在解答电化学题目时，我们需要判断电极名称，一般可以结合电极材料的活性强弱以及连接电极的外部电源的极性来判断电极名称，还可以依据电子的转移方向或电极电势的高低等电化学知识来判定电极名称。此外，根据电极自身发生的的是氧化反应还是还原反應也能知道电极离子的移动情况，从而判断出电极名称。

3.书写原电池电极反应式的方法

原电池的负极发生的是失去电子的氧化反应，正极发生的是得到电子的还原反应，两个电极之间得失电子数必定相等。正极、负极的两个电极反应相加得到电池的总反应式。假如溶液中存在氢氧根离子且该离子参与电极反应，则氢氧根离子必然会出现在负极中。如果溶液中的氢离子数量增加，则溶液的酸性增强，pH值降低;如果氢氧根离子增加，则溶液碱性增强，pH会升高。

综上所述，电化学是重要的化学基础知识，在实际生活和生产领域有着广泛的应用，学生必须掌握好电化学的基础知识才能有效解决原电池和电解池的相关问题，从而取得优异的化学成绩。

[  参    考    文    献  ]

[1]  赵欣. 高中生电化学相关概念的学习研究[D]. 扬州：扬州大学， 2012.

[2]  赵国敏， 孙可平. 概念转变理论指导下的高中电化学教学设计研究与实践[J]. 化学教育， 2014 （13）：11-15.

[3]  周玉芝. 厘清核心概念及其学习进程：分析教材的新视角——以中学化学“电化学基础”教学内容为例[J]. 化学教育， 2014 （13）：7-10.

[4]  郭志东. 基于学本课堂的高中化学问题导学案设计研究——以电化学复习课为例[J]. 中学化学教学参考，2018（z1）：12-14.

（责任编辑    斯   陌）