模型构建在电化学解题中的应用

王欣

摘  要：电化学这部分内容在生产生活中应用广泛，在高考题型中也更加变化多样，考查灵活。先将模型建立的思想融入电化学解题的每一步中，再将每一步建立起的模型整合起来，形成系统的电化学解题模型。从而提高电化学知识学习效率，提升学生们模型认知的素养水平，并对电化学这部分知识理解的更深刻。

关键词：高中化学；电化学；模型构建

在《普通高中化学课程标准（2017版）》中明确提出了五点学科核心素养，其中素养3为证据推理和模型认知，在教学过程中，此素养的培养对于学生学习化学有重要的作用。证据推理与模型认知这一素养的运用通常体现在解题过程中，学生在学习的过程中通过分析，推理等方法认识研究对象，深刻理解其本质，构建其内在联系，从而建立模型，并用模型来解决相应的化学习题，从而将复杂的习题简化，来提高解题效率。[1]文章将就“模型构建”在电化学中的应用这一问题进行探讨。

1问题的提出

高中化学题目的类型较多，知识点零散，化学的学习对学生们的逻辑判断能力，抽象思维能力要求都比较高。[2]学生在学习的过程中难免会因为这些而对化学的零散且难度较大的问题产生厌烦的情绪，在解题过程中信息以题干为载体，出现的形式千变万化，为了提高解题效率，将模型建立的思想应用到化学解题中不失为一种简单又高效的办法。

电化学专题涉及的相关化学理论相对较多，有氧化还原反应、金属和非金属活动性顺序、质量守恒定律等。电化学的问题研究透彻，一方面锻炼学生的解决化学问题的思维，并有助于培养学生的微粒观和分析问题的能力；另一方面电化学专题与社会生产生活联系紧密，彰显了知识的价值功能，增强学生的社会责任意识，最终实现学科核心素养的发展。[3]

2电化学解题模型的构建

2.1学生在电化学解题中存在的困难

随着新课改的推行，高考也在不断地创新，虽然在题型的方面变化不大，但对于知识点的考查更加灵活。电化学的知识点与生产生活息息相关，新型电池的研发，新型材料的电极材料电解质更是层出不穷，电化学是高考考察的重要内容。但当调查到高三学生对于电化学这一专题的学习情况时，大多数同学反应电化学这部分内容难度较大，很多同学反映读不懂题，辨别不出题干中的电池是属于原电池还是电解池，更无法判断出电池的正负极、阴阳极和带电粒子移动方向等问题。这说明学生们对于电化学的知识认识不透彻，基础薄弱。[4]

2.2几种简单电化学模型的构建

2.2.1能量转化模型的构建

任何一个化学反应都存在着能量的变化，对于电化学中的原电池装置和电解池装置，其能量的主要转化形式就是化学能和电能之间的转化。原电池是将化学能转化为电能，主要的判断依据是此电池中是否存在能自发进行的氧化还原反应。电解池是将电能转化为化学能，其主要的判断依据是此电池是否存在借助外接能量让非自发的氧化还原反应发生。能量转化模型如下图1所示。在解答此类习题时，需先将能量的转化关系确定，从而确定出该装置是电解池还是原电池。

2.2.2电池电极模型的构建

原电池强调正负极的判断，电解池强调阴阳极的判断。但不论是原电池还是电解池，判断其两极的根本就是判断出其电极所发生的反应类型，对于原电池而言，负极发生氧化反应，正极发生还原反应；对于电解池而言，阴极发生还原反应，阳极发生氧化反应，总结出“负阳氧”的口诀。电池的电极模型如下图2所示。解答时学生可根据口诀判断出电极及其发生反应的类型。

2.2.3电子、离子转移方向模型的构建

不论电解池还是原电池，其都存在外电路和内电路，在闭合的回路中外电路中电子定向移动，而内电路中离子进行定向移动，從而产生电流。在原电池中，外电路中电子由负极流出，经过导线，流入正极；内电路中溶液中的阳离子移向正极，阴离子移向负极。在电解池中，外电路中电子由阳极移向外接电源的负极，再由负极移向电解池的阴极；内电路中阳离子移向阴极，阴离子移向阳极。由此可以总结出规律，从而构建起模型。在原电池中负极发生氧化反应，电解池中是阳极发生氧化反应，发上氧化反应的这极电子流出，在内电路中阴离子就移向这一极，而阳离子的移动方向正好与阴离子移动的方向相反，抓住这个规律就能够判断出电池中带电粒子的移动方向。确定了带电粒子的移动方向就能够设计离子交换膜，从而减少副反应的发生；能通过题干给出的信息来判断离子交换膜。下图3为带电粒子移动模型。

2.2.4电极反应方程式模型的构建

电极反应方程式体现了整个电池的核心内容，将宏观上的实验现象与微观上的微粒的变化联系在一起，并能体现出量的关系。电极反应方程式的书写一方面巩固了氧化还原反应方程式的书写，一方面继续培养了学生们宏观辨识与微观探析的化学学科核心素养。[5]让学生们能够用化学用语来解释实验中的现象，之前学习的知识产生了逆向迁移。在书写电极反应方程式时，第一步根据题干给出的信息判断出反应物与生成物；第二步找到化合价发生变化的元素，标清其化合价及电子得失；第三步根据电解质溶液配平电荷；最后根据原子守恒配平电极方程式。下图4为电极方程式书写模型。

2.3电化学解题模型的整合

对于解答电化学问题的模型构建不能单单只是个别知识点的构建，需要将所有的知识点连成脉络，在各个知识点上建立小的解题模型的基础上，更需要将其整合起来，形成一个大的解题脉络，构建起系统的电化学解题模型。将电化学的解题模型整理如下图5所示。

遇到新型电池为背景的习题时，可按上图的解题模型的步骤进行解题。认真读题后，首先判断其电池的类型，为原电池还是电解池，然后根据题干中的信息找出两极的反应物与生成物，并判断出其反应类型，从而判断出电池的两极，找出带电粒子的移动方向，写出两极的电极反应方程式。这样整道题的脉络就理清了，在准确写出电极反应方程式之后，此电池中各个微粒的量的关系也能够理清，对于电子转移问题，物质的消耗与生成的问题就一目了然了。

在进行电化学专题复习时，根据建立起的电化学解题模型进行训练，让学生们更熟练的掌握电化学的知识，更深刻的理解化学反应原理，从而达到做题速度快，解题准确率高的目的。

3.模型构建在电化解题中的应用

3.1解答原电池习题

如图6所示是一种酸性燃料电池酒精检测仪，具有自动吹气流量侦测与控制的功能，适合进行现场酒精检测，下列说法不正确的是（）

A．电流由O2所在的铂电极经外电路流向另一电极

B．该电池的正极反应式为：O2＋4e－＋4H＋===2H2O

C．该电池的负极反应式为：CH3CH2OH＋3H2O－12e－===2CO2↑＋12H＋

D．微处理器通过检测电流大小而计算出被测气体中酒精的含量

分析与解析：首先判断出电池的类型，根据题干中“酸性燃料电池”的条件可知，此电池为原电池。“酒精检测器”则说明其是以乙醇为燃料的电池。其次判断原电池的两极，负极：乙醇失电子发生氧化反应；正极：氧气的电子发生还原反应。然后判断带电粒子的移动方向，电子由负极流出流向正极，电流的方向与之相反。再书写电极反应方程式负极：CH3CH2OH－4e－＋H2O===4H＋＋CH3COOH正极：O2＋4e－＋4H＋===2H2O，根据题干中装置示意图所示，乙醇被氧化为乙酸，所以负极的产物为乙酸。

最后具体问题具体分析：其中A、B选项正确，C选项中由于产物分析错误，导致电极反应方程式书写错误，故C选项错误；根据微处理器通过检测电流大小可以得出电子转移的物质的量，根据电极反应式可以计算出被测气体中酒精的含量，故D正确。

3.2解答电解池习题

例2：纳米级Cu2O由于具有优良的催化性能而受到关注。采用离子交换膜控制电解液中OH－的浓度制备纳米级Cu2O的装置如图7所示，发生的反应为2Cu＋H2O  通电（=====）Cu2O＋H2↑。下列说法正确的是（）

A．钛电极发生氧化反应

B．阳极区溶液的pH逐渐增大

C．离子交换膜应采用阳离子交换膜

D．阳极反应式是2Cu＋2OH－－2e－===Cu2O＋H2O

分析与解析：首先判断出电池的类型根据题干中的装置图可知，此装置为电解池。其次判断原电池的两极，阴极：与外接电源负极相连的Ti电极；发生还原反应。阳极：与外接电源正极相连的Cu电极；发生氧化反应。然后判断带电粒子的移动方向，内电路中：阴离子移向阳极区，阳离子移向阴极区。再书写电极反应方程式，阴极（阳离子放电）：2H2O+2e-=H2↑+2OH-阳极（活泼电极放电）：2Cu＋2OH－－2e－===Cu2O＋ H2O。

最后对具体的问题进行分析，此此题中D正确；A错误，钛电极发生还原反应；B错误根据步骤四书写的电极反应方程式可知，由阴极区迁移过来的OH－在阳极全部参与反应，故阳极区溶液的pH不变；C错误，OH－由阴极区迁移到阳极区参与反应，离子交换膜应为阴离子交换膜。

3.3解答充电电池习题

例3 最近复旦大学的研究人员设计出一种以有机负极（PTO/HQ）和无机正极（MnO2/石墨毡）的水合氢离子电池，其装置示意图如图8所示。下列说法错误的是（   ）

A. 充电时，电能转化为化学能

B. 放电时，H3O+向MnO2石墨毡极迁移

C. 放电时，正极上发生： MnO2 +2e- +4H3O+= Mn2+ +6H2O

D. 充电时，阴极上发生： PTO+4e- + 2H2O= HQ + 4OH-

分析與解析：根据解题模型，先判断电池的类型。此电池关闭k1时，能量由电能转化为化学能，为放电过程，装置为原电池；关闭k2时 ，能量由电能转化为化学能，为充电过程装置为电解池；故A正确。第二步判断电池的电极，装置图中明确给出放电时装置的正负极，根据电池电极判断模型，充电时左端的电极为阴极，右端的电极为阳极。第三步判断带电粒子的移动方向，根据带电粒子转移模型，放电时，阳离子移向正极，故B正确。第四步，书写电极反应方程式，放电时，根据图示MnO2转化为Mn2＋，电极方程式为MnO2+2e-+4H3O+=Mn2++6H2O，故C正确。电解质溶液中充满H3O+，因此产物中不可能生成OH-，阴极方程式应为PTO+4e-+4H3O＋=HQ+4H2O，故D错误。故此题选D。

结语

模型构建在化学学习中的应用十分广泛，在解题方面更是能够化繁为简，在解题中找到各个知识点的内在联系及解题规律，从而提高解题的速度和准确率。而模型构建不能单单局限于物理模型、图像模型、数学模型这样的具体模型，还要在解题的过程中形成思维模型，思维模型不应该是固定的，而应该是灵活的。对于文章探讨的电化学解题模型，也不应该是固定的，学生们最开始时可以按部就班的做，减少出错，当熟练了之后，就能看清楚其内在联系，灵活运用。

参考文献

[1]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017版）[S].北京：人民教育出版社2018：91.

[2]汪爱华.证据推理与模型认知在电化学教学中的体现[J].华夏教师，2019（04）：20-21.

[3]徐颖，孙吉凤.素养进阶：高中化学“模型认知”教学实践[J].中学化学教学参考，2019（02）：39-40.

[4] ]俞琴荣. 模型认知视角下高三“电化学”专题复习研究[D].华东师范大学，2020.

[5]唐富胜，鲍克俊，伍吉松.“模型构建及模型认知”视域下的电化学教学[J].中学化学教学参考，2021（14）：30-3

作者简介：王欣（1996—），女，汉族，吉林九台人，硕士，研究方向：中学化学教育。