建思维模型 解电化学问题

广东 刘汉国

《普通高中化学课程标准(2017年版2020年修订)》指出，证据推理与模型认知是化学学科重要的核心素养之一。解决问题的思维模型对学生化学核心素养的提升起到很好的效果，在日常复习中让学生学会建立解决问题的“方法类”思维模型可达到事半功倍的效果。

电化学是高中化学课程中重要的知识之一，是中学化学中最能体现化学源于生活并服务于生活的具体实例，故也是高考中的高频重难点知识。此类试题有三大特点：一是取材新颖，考查学生分析问题、解决问题的能力；二是联系生活，培养学生的知识迁移能力；三是结合实验，考查学生创新能力、计算能力。电化学主要的考查方式为电极的判断、电极方程式的判断或书写、充放电池的分析以及离子交换膜的分析等，但是由于该命题对能力的要求较高，使得学生得分率较低。本文通过构建判断电极的思维模型、书写电极方程式的思维模型、分析充放电池的思维模型和分析离子交换膜的思维模型，突破考查电化学知识的难点，供各位老师在教学时参考借鉴。

一、真题启发，模型构建

高考真题是高考的风向标，真题研究对于把握高考方向、精准备考有重要的指导意义。通过对高考真题的研究，寻找快速、准确的解题方法，是高三老师备考的关键环节。

1.判断电极思维模型的构建

对于电化学题目的分析，确定装置为原电池还是电解池是首要任务，判断电极是解题的关键。对于原电池，一般情况下，活泼金属为负极，不活泼金属为正极；化合价升高的电极区为负极，化合价降低的电极区为正极；电子在导线中从负极流向正极，阳离子在溶液中从负极流向正极；电极质量减少的一侧为负极，电极上有气体或质量增加的一侧为正极。对于电解池，与电源正极相连为阳极，与负极相连为阴极；化合价升高的电极区为阳极，化合价降低的电极区为阴极；阳离子在溶液中从阳极流向阴极；电极质量减少为阳极，电极质量增加为阴极。构建判断电极的思维模型如图1所示。

图1 判断电极的思维模型

【例1】(2018·全国卷Ⅰ·13)最近我国科学家设计了一种CO2+H2S协同转化装置，实现对天然气中CO2和H2S的高效去除。示意图如图所示，其中电极分别为ZnO@石墨烯(石墨烯包裹的ZnO)和石墨烯，石墨烯电极区发生反应为

该装置工作时，下列叙述错误的是

( )

C.石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯上的低

D.若采用Fe3+/Fe2+取代EDTA-Fe3+/EDTA-Fe2+，溶液需为酸性

【答案】C

2.书写电极方程式思维模型的构建

电极方程式的书写或判断是电化学的重要考查方式，也是学生的难点。在电极方程式的书写时，首先根据题目信息或化合价升降等条件确定主要反应物，再根据题目信息或共存原则等确定主要生成物，接着利用得失电子守恒和电荷守恒等进行基本配平，然后根据溶液环境或守恒原则补充缺项部分，最后调整配平完善细节。构建书写电极方程式的思维模型如图2所示。

图2 书写电极方程式的思维模型

【例2】(2018·江苏卷·20节选)NOx(主要指NO和NO2)是大气主要污染物之一。有效去除大气中的NOx是环境保护的重要课题。

(2)用稀硝酸吸收NOx，得到HNO3和HNO2的混合溶液，电解该混合溶液可获得较浓的硝酸。写出电解时阳极的电极反应式：______________________________。

【变式1】(2017·江苏卷·16节选)(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________。

3.分析充放电池通用思路的构建

充放电池又称为二次电池，是高考的热点。充电时的电极反应与放电时电极反应过程相反，充电时的阳极反应为放电时的正极反应的逆反应，充电时的阴极反应为放电时的负极反应的逆反应，负极的电极反应与阴极的电极反应相对应，正极的电极反应与阳极的电极反应相对应。构建分析充放电池的思维模型如图3所示。

图3 分析充放电池的通用思路

( )

B.充电时释放CO2，放电时吸收CO2

【答案】D

( )

A.三维多孔海绵状Zn具有较高的表面积，所沉积的ZnO分散度高

D.放电过程中OH-通过隔膜从负极区移向正极区

【答案】D

【解析】根据分析充放电池的通用思路，Zn的化合价升高，则在原电池的负极反应，对应的ZnO在电解池的阴极反应；NiOOH中Ni的化合价降低，则在原电池的正极反应，对应的Ni(OH)2在电解池的阳极反应；具体分析如下：三维多孔海绵状Zn具有较高的表面积，吸附能力强，所沉积的ZnO分散度高，A项正确；充电时相当于电解池，阳极失电子，由Ni(OH)2变为NiOOH，B项正确；放电时即原电池，锌作负极失电子，变为ZnO，C项正确；原电池在工作时，阴离子向负极移动，因此OH-向负极移动而不是正极，D项错误。

4.分析离子交换膜思维模型的构建

最近几年高考题中出现了对离子交换膜在电解池或原电池中应用的考查，但是学生分析对有离子交换膜的新型装置不知所措。交换膜在中学电化学中主要有两方面作用：一方面是防止副反应的发生，避免影响目标产品的质量；另一方面利于物质的制备、分离、提纯等步骤的实施。分析离子交换膜的装置，首先要明确其作用，然后根据电极判断出离子的移动方向，从而得出离子交换膜的类别。构建分析离子交换膜的思维模型如图4所示。

图4 分析离子交换膜的思维模型

【答案】ab为阴离子交换膜，cd为阳离子交换膜

【变式3】(2014·全国卷Ⅰ·27节选)次磷酸(H3PO2)是一种精细磷化工产品，具有较强还原性。回答下列问题：

(4)H3PO2也可用电渗析法制备，“四室电渗析法”工作原理如图所示(阳膜和阴膜分别只允许阳离子、阴离子通过)：

②分析产品室可得到H3PO2的原因：________________________________________________。

二、高考预测，模型应用

研究近几年高考题不难发现，高考越来越注重考查知识的应用性，越来越强调考题需体现学科价值。知识本身的考查与知识应用的考查最大的区别，在于问题设置是直接设问还是隐蔽设问，但值得注意的是，无论是知识本身的考查还是知识应用的考查，其考查的核心与解题的方法是一致的。

【例5】(原题)(1)A装置是________(填“原电池”或“电解池”)，A装置中通入SO2一极的电极反应式为________。

(2)N2O5在电解池的________(填“c极”或“d极”)区生成，其电极反应式为________。

(改编)膜技术原理在化工生产中有着广泛的应用。有人设想利用电化学原理制备少量硫酸和绿色硝化剂N2O5，装置图如下。

请解释制备少量硫酸和绿色硝化剂N2O5的原因是

________________________________________________。

【分析】改编后的设问与原设问最大区别在于，原题着重知识本身的考查，设问比较直接，而改编后的设问着重知识应用的考查，设问相对隐蔽，但是改编前后考查的本质却没有发生变化：电极方程式的书写、电极判断和离子移动等知识。

【答案】(原题)原电池 c极

三、精准备考，抓住核心

1.简化解题过程，提高解题能力

在新课程改革的背景下，电化学题目的内容和形式千变万化，但万变不离其宗：电极的判断、电极方程式的判断或书写、充放电池的分析以及离子交换膜的分析等，在复习中抓住核心知识，找准合适试题情境，理清命题特点，构建思维模型，就能够提高解题能力。

2.培养模型意识，提升核心素养

通过建立经典的思维模型，不但有利于电化学问题的快速简便解决，而且可以引导学生在其他知识模块，特别是理论性较强的知识板块，如化学平衡、电离平衡、水解平衡等建立一些经典的思维模型，并形成一套完整的思维策略，让这些思维策略形成自觉意识，使新课程理念真正贯穿到实践中，培养学生的科学核心素养和探究能力。