聚焦高考中的电化学解题策略

滕明俊

摘要：电化学知识原理抽象，是学生在学习过程中的难点也是高考考查的重点.本文选取历年高考中的典型例题进行详细剖析和梳理，以期帮助学生形成正确的解题策略，达到解一题知一类题的目的.

关键词：电化学;高考;解题策略

电化学是高考中重点考查的内容，所涉及的知识点与日常生活、环境保护等方面密切相关，重点考查学生对基本知识的掌握与问题解决的能力，在注重核心素养培养的教育改革背景下备受出题者的青睐.

1 把握电极反应式，解决探究问题

例1 北京市高考化学试卷

用零价铁（ Fe）去除水体中的硝酸盐（N03-）已成为环境修复研究的热点之一.

（1） Fe还原水体中N03-的反应原理如图1所示.

①作负极的物质是____

②正极的电极反应式是

.

（2）将足量铁粉投入水体中，经24小时测定N03-的去除率和pH，结果如表1所示：

pH =4.5时，N03-的去除率低.其原因是____.

（3）实验发现：在初始pH =4.5的水体中投入足量铁粉的同时，补充一定量的Fe2+可以明显提高N03-的去除率，对Fe2+的作用提出两种假设：

I.Fe2+直接还原N03-;

Ⅱ.Fe2+破坏Fe0（ OH）氧化层.

①做对比实验，结果如图2所示，可得到的结论是____.

②同位素示踪法证实Fe2+能与Fe0（ OH）反应生成Fe304.结合该反应的离子方程式，解释加入Fe2+提高N03-去除率的原因：____.

（4）其他条件与（2）相同，经1小时测定N03-的去除率和pH，结果如表2所示：

与（2）中数据对比，解释（2）中初始pH不同时，N03-去除率和铁的最终物质形态不同的原因：____.

【解析】

（1）在Fe还原水体中N03-的过程中，Fe失去电子被氧化，N03-得到电子被还原成NH4+.

负极是氧化反应发生的地方，所以Fe作为负极;正极涉及的物质变化为：N03→NH4+

N的化合价从+5变成-3，需要得到8个电子，同时反应式左边氢的个数少，需要H+/H20对来保持原子守恒和电荷守恒，反应式如下：N03-+ 8e-+IOH+= NH4+ +3H2O

（2）比较pH=2.5和4.5条件下的铁的最终物质形态，发现在pH =4.5的条件下，Fe的表面形成了一层不导电的Fe0（ OH）膜.因为反应的发生需要离子的移动，所以Fe0（ OH）膜限制离子移动，不能导电，所以阻止了反应的进一步发生.而酥松的Fe3 04中有空隙，能保证离子的移动，从而能使反应得以进行.

（3）①通过对比实验，单纯的Fe2+和单纯的Fe粉还原N03-的效率并不高，而Fe粉与Fe2+的结合效率最高.

同时，“Fe2+直接还原N03-”的假设I不成立，是因为如果该假设成立，用Fe2+还原和用Fe/Fe2+还原的效率应该一样，而实验事实证明不是如此.

假设Ⅱ，根据已有条件难以直接判定.

②Fe2+和Fe0（ OH）发生非氧化还原反应生成Fe3 04和H+，反应式如下：Fe2++ 2Fe0（ OH）一Fe304 +2H+，Fe2+将不导电的Fe0（ OH）转化为可导电的Fe304，有利于反应的进行，使N03-的去除率提高.

（4）在反应进行1小时左右，pH接近中性，说明H+基本已经反应完全，Fe转化为Fe2+.反应式如下：Fe +2H+= Fe2++ H2↑，这时候两种情况下的反应进行程度并不高，说明这一步并不是反应的关键.之后进行的反应：Fez+和Fe0（ OH）反应生成Fe304才是关键，pH =2.5情况下，氢离子浓度高，产生的Fe2+浓度大，促使Fe0（ OH）转化为酥松、可导电的Fe3 04，使反应进行的更完全，而初始pH =4.5时，产生的Fe2+浓度小，从而造成N03-去除率和铁的最终物质形态不同.

【题后反思与点评】

面对有关电化学的题目，关键要明确负极（氧化反应）和正极（还原反应）所发生的反应，然后书写电极方程式，对涉及到水溶液的反应，利用H+/H2O，OH -/H2O对来配平并注意电荷守恒，

另外，影响电极反应的因素复杂，要借助电极反应式来帮助判断，如本题的（2）一（4）问，如果能准确地把握好（1）的电极反应式N03-+ 8e-+IOH+=NH4+ +3H2O这样一个大前提，然后根據题干讨论H+对反应效率的影响，（2）一（4）的问题就能迎刃而解.

2 整合挖掘隐性信息，综合多方面信息判断

例2天津市高考化学试卷（节选）

氢能是发展中的新能源，它的利用包括氢的制备、储存和应用三个环节.回答下列问题：

（1）与汽油相比，氢气作为燃料的优点是____（至少答出两点）.但是氢气直接燃烧的能量转换率远低于燃料电池，写出碱性氢氧燃料电池的负极反应式：____.

（2）化工生产的副产氢也是氢气的来源.电解法制取有广泛用途的Na2 Fe04，同时获得氢气：Fe+2H2O +20H通电Feo4-+3H2↑，工作原理如图3所示.装置通电后，铁电极附近生成紫红色的Fe04 -，镍电极有气泡产生.若氢氧化钠溶液浓度过高，铁电极区会产生红褐色物质.已知：Na2 Fe04只在强碱性条件下稳定，易被H：还原.

①电解一段时间后，c（OH-）降低的区域在____（填“阴极室”或“阳极室”）.

②电解过程中，须将阴极产生的气体及时排出，其原因是____.

③c（ Na2Fe04）随初始c（NaOH）的变化如图4，任选M、N两点中的一点，分析c（ Na2Fe04）低于最高值的原因：______.

【解析】

（1）氢气燃烧的产物是水;原料来源广泛，可通过多种方式获得，资源丰富;相同质量的情况下，氢的燃烧能大于汽油，而汽油燃烧的产物是二氧化碳和水，汽油主要来自于石油的冶炼，资源不可再生.

（2）①通电后，铁电极（阳极）附近生成紫红色的Fe04 -，镍电极（阴极）有气泡产生，阳极Fe被氧化为Fe04 -，阴极H2O被还原为H2产生气泡.

发生反应的条件为碱性条件，所以在配平半反应方程式时要用OH -/H20对来达到原子守恒.阳极发生Fe - 6e →Fe02 -，方程式左边氧原子少，用OH -（一个H带一个O）;方程式右边氧原子多，所以右边用H2O（一个H带0.5个O）.

阳极反应如下：Fe - 6e-+ 80H-=Fe04-+4H20

阴极发生H2O +2e →H2，方程式右边氧原子少，用OH -;方程式左边氧原子多，用H2O，

阴极反应如下：2H20 +2e-= H2↑+20H-

可以看到，随着电解时间的延长，阳极室的c（OH-）会下降.

②因为阴阳两极在同一个电解槽中，阳极产生的Na2Fe04具有氧化性，被阴极产生的H。所还原，所以须将阴极产生的气体及时排出，防止产率降低，

③在图4中，c（ Na2Fe04）存在一个极大点，说明c（OH -）存在一个条件最优的情况：

在M点时，c（OH-）过低，因Na2Fe04只在强碱性条件下稳定，所以产生的Na2 Fe04容易分解，且离子浓度低，反应慢.

在N点时，c（OH -）过高，铁电极区会生成红褐色的副产物Fe（ OH）3.降低反应效率.

【题后反思与点评】

电解池和原电池从氧化还原的角度来看是统一的，但是略有不同：氧化反应发生在电解池的阳极和原电池的负极，还原反应发生在电解池的阴极和原电池的正极，

电极反应产物的稳定性和具体的电解条件选用要综合考虑各种因素：电极材料，电解液的浓度，酸碱度等等，题于中往往包含了大量的隐性信息，要注意挖掘和整合，如本题中的Na2 Fe04的稳定性和氢氧化钠的浓度控制等等，都是理解反应本质、解决问题的关键.

3 化学计量与氧化还原反应融合

例3浙江高考化学试卷

金属（M） -空气电池（如图5）具有原料易得、能量密度高等优点，有望成为新能源汽车和移动设备的电源.该类电池放电的总反应方程式为：4M+ nO2+2nH20=4M（OH）n.已知：电池的“理论比能量”指单位质量的电极材料理论上能释放出的最大电能，下列说法不正确的是

A.采用多孔电极的目的是提高电极与电解质溶液的接触面积，并有利于氧气扩散至电极表面

B.比较Mg、Al、Zn三种金属一空气电池，Al -空气电池的理论比能量最高

C.M -空气电池放电过程的正极反应式：4Mn++n02+2nH20 +4ne-=4M（ OH）。

D.在M-空气电池中，为防止负极区沉积Mg（OH）2，宜采用中性电解质及阳离子交换膜

【解析】

A选项，该电极反应涉及到两相反应，02与电极不易接触反应，所以需要提高接触面积，而多孔电极是一种可行的办法，同时也能够提高电极和电解质溶液的接触面积.正确.

B选项，金属（Mg、Al、Zn）所形成的金属离子如下：Mg2+、A13+、2n2+，单位质量的金属（ Mg.AI、Zn）所释放出来的电能比如下：2/24：3/27：2/65=2.7：3.6：1.0，所以Al -空气电池的理论比能量最高.正确

C选项，正极发生的是还原反应：02被还原为OH -，反应式如下：02+2H20+4e=-40H-

在正极中没有金属离子产生，所以Mn+是不存在的.C选项错误.

D选项，在碱性条件下负极附近Mn+会与OH -反应生成M（ OH）。沉积，所以要在中性条件下进行，同时利用阳离子交换膜通过阳离子交换，降低电极附近的金属离子的浓度.

【题后反思与点评】

本题B选项中，将化学计量的内容和电池知识相融合，涉及物质的量的计算和不同金属的性质，体现了多章节知识的融合.

4 信息学习迁移.提升到类

例4理综（江苏卷）化学试题

铁炭混合物（铁屑和活性炭的混合物）、纳米铁粉均可用于处理水中污染物.

（1）铁炭混合物在水溶液中可形成许多微电池.将含有Cr207-的酸性废水通过铁炭混合物，在微电池正极上Cr2O7-转化为Cr3+，其电极反应式为____.

（2）在相同條件下，测量总质量相同、铁的质量分数不同的铁炭混合物对水中Cu2和Pb2+的去除率，结果如图6所示.

①当铁炭混合物中铁的质量分数为0时，也能去除水中少量的Cu2+和Pb2+，其原因是一

.

②当铁炭混合物中铁的质量分数大于500-/0时，随着铁的质量分数的增加Cu2+和Pb2+的去除率不升反降，其主要原因是

（3）纳米铁粉可用于处理地下水中的污染物.

①一定条件下，向FeS04溶液中滴加碱性NaBH4溶液，溶液中BH4-（B元素的化合价为+3）与Fe2+反应生成纳米铁粉、H2和B（ OH）4-，其离子方程式为____.

②纳米铁粉与水中N03-反应的离子方程式为：

4Fe+ N03-+ 1OH+= 4Fe2++ NH4- +3 H20

研究发现，若pH偏低将会导致N03-的去除率下降，其原因是____.

③相同条件下，纳米铁粉去除不同水样中N03-的速率有较大差异（见图7），产生该差异的可能原因是

.

【解析】

（1）正极上Cr207-得到电子变成Cr3+： Cr207'+6e -一Cr3+，因为是酸性条件下，所以用H+/H20达到原子守恒.方程式右边氧原子少，所以用H2O;方程式左边氧原子多，用H+.结合电荷守恒，电极反应式如下：Cr207-+ 14H++ 6e=2Cr3++ 7H2O

（2）①混合物中没有Fe存在，原电池反应不发生.但是活性炭具有较大比表面积，吸附能力强，能够吸附Cr12和Pb2+，除去部分污染物.②铁的质量分数增加微电池数目减小.

（3）①反应物包含Fe2+和BH4-，产物为Fe，H2和B（ OH）4-，即Fe2++ BH4→Fe+H2↑+B（OH）4

因为是在碱性条件下进行，且方程式左边氧原子少，所以左边加上OH-，根据得失电子守恒，配平得到：2Fe2++ BH4-+ 40H-=2Fe+2H2↑+B（ OH）4②pH过低，H+浓度过高，纳米Fe粉会和H+发生副反应：Fe+2H+= Fe2++ H2↑，使N03-消除率降低

③图7中显示加了Cu2+的水样，N03-的反应速率加快.Fe活泼性高于Cu，能置换出Cu单质，Fe -Cu能够形成原电池，加快反应速率，以上原理和题干（1）中铁一碳原电池的原理类似.

【题后反思与点评】

本题主要考查了信息迁移的能力：在（1）（2）给出“铁一炭”微电池的信息后，在（3）中给出新的情境，考察答题者是否将知识迁移到“铁一铜”微电池中，该信息点也和教材中金属的保护等知识点紧密链接起来，不仅仅是解决一个问题，而且是解决了一种类型的问题，强调了知识的可应用性和社会价值.

（收稿日期：2019 - 03 - 05）.