从高考电化学试题看命题选材

山东 刘 刚

化学学科核心素养中“宏观辨识与微观探析”“证据推理与模型认知”“科学探究与创新意识”等概括了化学学习和研究的思维方式和方法。高考中的电化学试题，尤其是以新型电源和电化学设备的演变发展为情境的试题，很好地诠释了“证据推理与模型认知”“科学探究与创新意识”等学科素养。这类试题不仅体现了化学学科的应用价值，更引领学生用辩证的、创新的思维来掌握化学学科规律。各类新型电池是目前科学研究的热门方向，涉及航空航天、污染处理、海水淡化、实现“碳达峰、碳中和”的CO2捕捉与转化等诸多领域。从试题情境的选材来看，涉及科学领域最新的科研成果，从传统的原电池到各种锂离子电池，再到浓差电池及以复分解反应为基础的非氧化还原反应电池、微生物燃料电池等。所以，以发展创新的眼光分析和认识高考化学中的电化学试题，追根溯源，探究试题情境选材与教材电化学基础理论的有效结合，分析试题情境选材与学科必备知识、关键能力考查的关系，有助于教师厘清今后电化学试题的发展方向，有利于促进化学学科素养在电化学原理教学与考试评价中的落实。笔者以2020年山东卷第10题为例，对此进行分析，以供各位老师参考。

【例1】(2020·山东卷·10)微生物脱盐电池是一种高效、经济的能源装置，利用微生物处理有机废水获得电能，同时可实现海水淡化。现以NaCl溶液模拟海水，采用惰性电极，用图1所示装置处理有机废水(以含CH3COO-的溶液为例)。下列说法错误的是

( )

B.隔膜1为阳离子交换膜，隔膜2为阴离子交换膜

C.当电路中转移1 mol电子时，模拟海水理论上除盐58.5 g

D.电池工作一段时间后，正、负极产生气体的物质的量之比为2∶1

图1

【参考答案】B

该试题创设试题情境的素材源自哈尔滨工业大学孟繁宇博士的论文《污泥底物微生物脱盐电池性能及处理后污泥改良盐碱土效果》，以其中的微生物燃料电池为背景进行电化学相关原理考查，动力源是微生物对碳素营养源(如葡萄糖等)的厌氧降解。电池的发生原理和浓差电池及以复分解反应为基础的非氧化还原反应电池一样，打破了教材上“基础原电池须自发的氧化还原反应”的规律，给了学生和教师全新的知识视角。那么教师应如何看待教学过程中的原创命题、试题改编以及命题素材的选取与分析呢？笔者认为应从以下几个方面进行思考。

一、试题立意遵循电化学理论的必备知识

高考电化学试题的考查无论简单还是复杂，新颖还是常规，都是基于教材中电化学基本知识结构和基础原理进行问题设置。目前高中教材中电化学原理主要从能量变化角度、氧化还原反应角度进行模型构建，涉及原电池、电解池、金属的腐蚀与防护、基础化学电源等内容，考查方向有电极反应书写及判断、电池总反应、电极判断、离子迁移、综合计算、综合应用等，原电池、电解池基础原理结构如图2所示。此类试题解决的关键是抓住以下要点：无论是原电池还是电解池，发生氧化反应的为阳极(原电池负极)，发生还原反应的为阴极(原电池正极)，电势高的为正极，电势低的为负极，电子在外电路迁移，离子在内电路迁移。

图2 原电池和电解池的简单结构模型

二、试题情境素材体现学科关键能力，培养创新意识

电化学试题所体现的关键能力侧重于分析与推测、归纳与论证能力，要求学生能够根据原电池和电解池的工作原理，设计简单的原电池和电解池，能用相关信息分析化学电源的工作原理，能够选择并设计金属防腐措施，能综合运用题中信息，解决实际问题。教师要让学生通过试题信息分析，认识到物质的运动与变化，清晰化学变化遵循一定的条件，符合一定的规律；在电化学理论基础上，认识到电子由电势低的一方流向电势高的一方，在电子、离子的迁移变化过程中实现电能与其他能量的转化，能够根据电池中发生的现象及出现的数据信息等证据，推理电池反应的原理。

( )

B.充电时释放CO2，放电时吸收CO2

图3

【参考答案】D

三、试题选材反映时代性，凝练学科素养

化学学科属于走在社会前沿的学科，新发明、新研究成果日新月异，而高考试题很多素材来源于最新社会热点，如2021年全国甲卷第28题和第35题以被形象地称为“液态阳光”计划的我国科学家研发的全球首套千吨级太阳能燃料合成项目为试题情境，呈现硅晶体太阳能发电、电能分解水制氢气、氢气与温室气体二氧化碳反应制备燃料甲醇等技术，展示我国科学家在绿色发展和清洁能源开发利用方面的创新成果。试题选择硅晶体、甲醇合成、二氧化碳结构以及我国科学家研发的高选择性的金属氧化催化剂等为考查载体，多层次、多方位考查化学原理和物质结构理论。

中国科学院福建物质结构研究所的王要兵研究员小组2019年在AccountsofChemicalResearch上发表了一篇综述，总结了金属二氧化碳电池领域中CO2电化学的发展历程，并分析了目前在有机和水系两种不同电解液体系下CO2电化学的机理、设计关键、应用策略以及未来的发展前景。更有价值的，也更困难的是实现二次水系Zn-CO2电池，从装置上来说，Zn负极在碱性电解液中更有效，但CO2会与碱自发反应，所以需要用双极膜隔离碱性的负极电解液和中性的正极电解液。然而，在设计二次水系Zn-CO2电池时，必须考虑充电过程与放电过程中对膜相反方向的电荷传递需求。因此，至少需要一对相反方向放置的双极膜才能保证二次水系Zn-CO2电池的充放电需求。更重要的是，二次水系Zn-CO2电池要求配备可在较低的过电位下进行双催化功能的正极材料，以在提高CO2还原性能的同时，降低充电电势，提高电池能量效率。基于这些分析，王要兵研究员小组发掘了一系列双功能催化剂正极材料，开发了多种模式的二次水系Zn-CO2电池，可适用于多种应用需求。如图4所示：

图4 双极膜和双功能阴极催化剂实现二次水系Zn-CO2电池

2020年全国卷Ⅰ第12题取材于该科研成果，将温室气体CO2转化为储氢物质甲酸等化学品和燃料，为解决环境和能源问题提供了一种新途径。

【例3】(2020·全国卷Ⅰ·12)科学家近年发明了一种新型Zn-CO2水介质电池。电池示意图如图5，电极为金属锌和选择性催化材料，放电时，温室气体CO2被转化为储氢物质甲酸等，为解决环境和能源问题提供了一种新途径。

图5

下列说法错误的是

( )

B.放电时，1 mol CO2转化为HCOOH，转移的电子数为2 mol

D.充电时，正极溶液中OH-浓度升高

【参考答案】D

试题情景立意高远，落点基于教材电化学基本原理，综合要求高于教材，符合高考考查要求，体现学科核心素养，立足环境保护、电化学原理的考查，培养学生科学探究与创新意识的学科素养，提高学生的社会责任感。

基于以上分析，教师应以高考试题为参照，不仅要分析解题方法，同时要关注命题背景选材，在日常的教学中，关注有关化学化工的最新科技进展，搜集社会热点和最新素材，提高学生的知识广度，提升学生快速读取信息的能力，引导学生在深入研究高考试题素材的基础上，注重对学科知识的消化吸收和提炼升华，教师教学与命题中需关注大学及科研部门各个团队的最新论文著作，提取中学知识相关的部分，创新设计问题情境，挖掘贴近高考真题的素材，命制高质量的训练题，着眼学生终身发展，通过试题情景素材唤醒、激发学生的创造力和创新力，同时通过教师的自主学习和自主命题，提升教师自身的业务能力，开阔眼界，用变化发展的目光看待科学发展。

笔者受2020年山东省高考电化学试题启发，研究了“微生物燃料电池”相关文献，并命制了一道试题。

【例4】(原创)某科研小组设计了微生物燃料电池，进行同步硝化和反硝化脱氮研究，装置示意图如图6所示，下列说法错误的是

( )

图6

B.缺氧电极和好氧电极都是原电池正极

【参考答案】CD

【命题分析】笔者在试题背景选材上抓住“微生物燃料电池”这一核心，关注最新研发信息，搜索适合改编命题的论著成果。该试题使用论文中的装置框架，改变原图中显性信息源，为选项设问做好铺垫，根据文章中原理分析，选择适合于中学生认知水平的考查点，从知识立意和能力立意进行题干和设问设计，根据不同的学段，设计难度深度，使试题符合考查的目标和要求。