运用认知模型策略 突破电化学教学难点

沈国强

摘 要：电化学试题是近年来高考化学试题中出现的热点和难点.因电化学试题集情境性、新颖性、特殊性、复杂性于一身，深受命题者的青睐，在高考化学试题中出现的频率较高.笔者以2023年各地化学高考中出现的电化学试题为例，通过巧妙构建原电池和电解池的认知模型，深刻理解电化学反应原理，顺利突破电极反应的判断、电极反应式的书写、离子移动方向的判断、离子交换膜等一系列热点和难点问题.

关键词：认知模型；电化学难题

中图分类号：G632   文献标识码：A   文章编号：1008-0333（2024）13-0133-04

电化学试题涉及的化学电池种类繁多，功能各异.在提高多碳产物的生成率；制造低成本、高能量的能源存储系统；降低氯碱工业能源消耗；实现电镀废液的浓缩再生；回收利用工业废气中的CO2和SO2；无隔膜流动海水电解法制H2；海水直接制备氢气技术的绿色化等方面具有广泛的应用.

1 运用化学电池提高多碳产物的生成率

例1 （2023全国甲卷）用可再生能源电还原CO2时，采用高浓度的K+抑制酸性电解液中的析氢反应来提高多碳产物（乙烯、乙醇等）的生成率，装置如图1所示.下列说法正确的是（  ）.

A．析氢反应发生在IrOx-Ti电极上

B．Cl-从Cu电极迁移到IrOx-Ti电极

C．阴极发生的反应有：

2CO2+12H++12e-C2H4+4H2O

D．每转移1 mol电子，阳极生成11.2 L气体（标准状况）

解析 ①建构认知模型：由直流电源可判断该装置为电解池.与外电源正极相连的IrOx-Ti电极为阳极，阳极反应式为2H2O-4e-O2↑+4H+.铜电极为阴极，据题意可知，阴极反应式为2CO2+12H++12e-C2H4+4H2O、2CO2+12H++12e-C2H5OH+3H2O.根据两极反应式可知，电解池工作时，氢离子通过质子交换膜由阳极室进入阴极室[1].

②突破热点难点：

A.析氢反应为还原反应发生在阴极，A错误；

B.离子交换膜为质子交换膜，只允许氢离子通过，B错误；

C.铜电极为阴极，酸性条件下二氧化碳在阴极得到电子发生还原反应生成乙烯、乙醇等，电极反应式见①中分析，C正确;D.根据阳极的电极反应式，每转移1 mol电子，生成0.25 mol O2，在标准状况下体积为5.6 L，D错误.答案为C.

2 运用化学电池制造低成本、高能量的能源存储系统

例2 （2023全国乙卷）室温钠-硫电池被认为是一种成本低、比能量高的能源存储系统.一种室温钠-硫电池的结构如图2所示.将钠箔置于聚苯并咪唑膜上作为一个电极，表面喷涂有硫黄粉末的炭化纤维素纸作为另一电极.工作时，在硫电极发生反应：12S8+e-→12S2-8，12S2-8+e-→S2-4，2Na++x4S2-4+2（1-x4）e-→Na2Sx

下列叙述错误的是（  ）.

A.充电时Na+从钠电极向硫电极迁移

B.放电时外电路电子流动的方向是a→b

C.放电时正极反应为：

2Na++x8S8+2e-→Na2Sx

D.炭化纤维素纸的作用是增强硫电极导电性能

解析 （1）建构认知模型：由充电和放电过程可判断室温钠-硫电池为可充电电池.放电时，钠电极为负极，硫电极为正极，电极反应分别为Na-e-Na+，2Na++x8S8+2e-→Na2Sx.充电时，钠电极为阴极，硫电极为阳极，电极反应分别为Na++e-Na，Na2Sx-2e-→2Na++x8S8.

放电时，外电路电子流动的方向是a→b；充电时，阳离子从阳极（硫电极）向阴极（钠电极）迁移[2].

（2）突破热点难点：A.充电时为电解池装置，阳离子移向阴极，即钠电极，故充电时， Na+由硫电极迁移至钠电极，故A错误；

B.放电时为原电池，负极失电子，即为Na电极，正极得电子，即为S电极，电子由a流向b， 故B正确；

C.根据题意，S8最终变成Na2Sx，

①12S8+e-→12S2-8，

②12S2-8+e-→S2-4，

③2Na++x4S2-4+2（1-x4）e-→Na2Sx，（①+②）×x4+③

得正极反应为2Na++x8S8+2e-→Na2Sx.C正确；

D.表面喷涂有硫黄粉末的碳化纤维素纸，碳纤维具有导电性，可以增强电极导电能力，D正确.答案为 A.

3 运用化学电池降低氯碱工业能源消耗

例3 （2023浙江卷）氯碱工业能耗大，通过如图3改进的设计可大幅度降低能耗，下列说法不正确的是（  ）.

A.电极A接电源正极，发生氧化反应

B.电极B的电极反应式为：

2H2O+2e-H2↑+2OH-

C.应选用阳离子交换膜，在右室获得浓度较高的NaOH溶液

D.改进设计中通过提高电极B上反应物的氧化性来降低电解电压，减少能耗

解析 （1）建构认知模型：由外部电源可判断该装置为电解池.由Cl-→Cl2，发生氧化反应可知电极A为阳极，则电极B为阴极，阴极反应式为2H2O+4e-+O24OH-.电解池工作时，右室OH-浓度增大，若获得浓度较高的NaOH溶液，

Na+需通过离子交换膜进入右室，故可判断为阳离子交换膜[3].（2）突破热点难点：

A．电极A上氯离子变为氯气，发生氧化反应，

是电解池阳极，因此电极A接电源正极，故A正确；由

（1）中分析可知

B错误；C正确；

D．改进设计中增大了氧气的量，提高了电极B处的氧化性，通过反应物的氧化性来降低电解电压，减少能耗，故D正确.答案为B.

4 运用化学电池实现电镀废液的浓缩再生

例4 （2023山东卷）利用热再生氨电池可实现CuSO4电镀废液的浓缩再生.电池装置如图4所示，甲、乙两室均预加相同的CuSO4电镀废液，向甲室加入足量氨水后电池开始工作.下列说法正确的是（  ）.

A.甲室Cu电极为正极

B.隔膜为阳离子膜

C.电池总反应为：

Cu2++4NH3［Cu（NH3）4］2+

D.NH3扩散到乙室将对电池电动势产生影响

解析 （1）建构认知模型：由题给装置可知为原电池.甲室Cu电极发生反应为Cu-2e-+4NH3［Cu（NH3）4］2+，Cu被氧化，故甲室Cu电极为负极.乙室Cu电极发生反应为Cu2++2e-Cu，Cu2+被还原，故乙室Cu电极为正极.

（2）突破热点难点：由（1）分析可知甲室Cu电极为负极，故A错误；B.若隔膜为阳离子膜，甲室Cu电极溶解生成的Cu2+要向右侧移动，通入NH3要消耗Cu2+，显然甲室阳离子不断减少，不利于CuSO4废液浓缩，故B错误；

C.将甲室Cu电极与乙室Cu电极发生的反应相加得到电池总反应为：Cu2++4NH3［Cu（NH3）4］2+，故C正确；

D.NH3扩散到乙室会与铜离子反应生成［Cu（NH3）4］2+，Cu2+浓度降低，Cu2+得电子能力减弱，因此将对电池电动势产生影响，故D正确.答案为C、D.

5 运用化学电池回收利用工业废气

例5 （2023北京卷）回收利用工业废气中的CO2和SO2，实验原理如图5所示.

下列说法不正确的是（  ）.

A．废气中SO2排放到大气中会形成酸雨

B．装置a中溶液显碱性的原因是HCO-3的水解程度大于HCO-3的电离程度

C．装置a中溶液的作用是吸收废气中的CO2和SO2

D．装置b中的总反应为：

SO2-3+CO2+H2O电解HCOOH+SO2-4

解析 （1）建构认知模型：由直流电源可判断装置b为电解池.装置b左侧电极发生反应为SO2-3+2OH--2e-SO2-4+H2O，为阳极；右侧电极发生反应为CO2+2H++2e-HCOOH，为阴极.

（2）突破热点难点：A．SO2是酸性氧化物，排放到空气中会形成硫酸型酸雨，A正确；

B．装置a中溶液的溶质为NaHCO3，溶液显碱性，说明HCO-3的水解程度大于电离程度，B正确；

C．装置a中NaHCO3溶液的作用是吸收SO2，CO2与NaHCO3溶液不反应，不能吸收CO2，C错误；

D．将装置b的阳极反应式和阴极反应式相加得总反应为SO2-3+CO2+H2O电解HCOOH+SO2-4，D正确.答案为C.

6 实现无隔膜流动海水电解法制氢气例6 （2023辽宁卷）某无隔膜流动海水电解法制H2的装置如图6所示，其中高选择性催化剂PRT可抑制O2产生.下列说法正确的是（  ）.

A．b端电势高于a端电势

B．理论上转移2 mol e-生成4 g H2

C．电解后海水pH下降

D．阳极发生：Cl-+H2O-2e-HClO+H+

解析 （1）建构认知模型：由直流电源可判断装置为电解池.

装置左侧电极反应为

Cl-+H2O-2e-HClO+H+，

左侧电极为阳极，推知电极a为正极.

装置右侧电极反应为2H2O+2e-H2↑+2OH-，右侧电极为阴极，推知电极b为负极[4].

（2）突破热点难点：A.因为a为正极，b为负极，则a端电势高于b端电势，故A错误；B.由右侧电极反应可推知转移2 mol e-生成2 g H2，故B错误；C.将装置左侧和右侧电极反应相加得总反应为Cl-+2H2OHClO+H2↑+OH-，随着电解的进行，

海水pH增大；由①中分析可知D正确.答案为D.

7 实现海水直接制备氢气技术的绿色化

例7 （2023湖北卷） 我国科学家设计如图7所示的电解池，实现了海水直接制备氢气技术的绿色化.该装置工作时阳极无Cl2生成且KOH溶液的浓度不变，电解生成氢气的速率为x mol·h-1.下列说法错误的是（  ）.

A.b电极反应式为：

2H2O+2e-H2↑+2OH-

B.离子交换膜为阴离子交换膜

C.电解时海水中动能高的水分子可穿过PTFE膜

D.海水为电解池补水的速率为2x mol·h-1

解析 （1）建构认知模型：由直流电源可判断装置为电解池.

a电极与外电源正极相连，为阳极，反应式为4OH--4e-O2↑+2H2O.

b电极与外电源负极相连，为阴极，反应式为2H2O+2e-H2↑+2OH-.

（2）突破热点难点：

A.b电极为阴极，发生还原反应，A正确；

B.因为阳极无Cl2生成且KOH浓度不变，故阳极反应为4OH--4e-O2↑+2H2O，要维持OH-离子浓度不变，阴极产生的OH-必须通过离子交换膜进入阳极室，可推知离子交换膜为阴离子交换膜，故B正确；

C.电解过程中要被不断消耗水，海水中的动能高的水可穿过PTFE膜，为电解池补水，故C正确；

D.将装置阳极和阴极电极反应相加得总反应为2H2O电解2H2↑+O2↑可知，生成1 mol H2需要消耗1 mol H2O，即生成H2的速率与消耗水的速率相等，所以补水的速率为x mol·h-1，故D错误.

答案为D.

8 结束语

综上所述，在电化学教学过程中，教师要巧妙构建认知模型，从形形色色、千变万化的电池问题中厘清原电池还是电解池，认清正极还是负极，或阳极还是阴极，然后写出相应的电极反应式.根据电极的性质顺利突破溶液中离子移动的方向、电流的方向、直流电源的正负极，判断离子交换膜的类别等一系列教学难点.通过电极反应式顺利攻克电池总反应式的得出、溶液pH、电子移动数目、产生气体质量的计算等难点问题.

参考文献：［1］

周学兴，杨霄.例谈电化学习题的解题策略[J].中学化学，2022（04）：49-53.

[2] 王方丽.新高考背景下电化学核心考点及解题策略研究[J].高考，2022（26）：51-54.

[3] 周维清，黄姗姗，杨兴多.剖析考点，速解电化学选择题[J].高中数理化，2021（05）：77-78.

[4] 施俊芳.模型建构的新型电化学装置选择题解题策略[J].数理化解题研究，2020（19）：96-97.

［责任编辑：季春阳］