电化学命题考点细化分析

◇ 山东 刘树领 (正高级教师)

电化学是氧化还原反应知识的深化,是微粒观、变化观、守恒观、情感价值观等化学学科观念的集中体现,也是能量变化知识的主要组成部分,是渗透宏观辨识与微观探析、变化观念与平衡思想、证据推理与模型认知、科学探究与创新意识、科学态度与社会责任化学核心素养的最佳载体,因而使得电化学知识的考查成为命题的经典内容.

1 考查电极类型及电极反应式

电极是电化学装置的重要组成元素,是电极反应发生的载体,因而电极材料可以相同也可以不同,但必须是导电的固体.电极名称常从两个角度分析,一是从外电路的电流方向(即电势高低)角度分析,即流出电子(电势低)的一极为负极,流入电子(电势高)的一极为正极;二是从发生的反应类型角度分析,即发生氧化反应的一极为阳极,发生还原反应的一极为阴极.只是习惯上原电池的两极称为正、负极,电解池的两极称为阴、阳极.

例1图1为利用电化学方法处理有机废水的原理示意图.下列说法正确的是( ).

图1

A.工作时,a极的电势低于b极的电势

B.工作一段时间之后,a极区溶液的pH减小

C.a、b极不能使用同种电极材料

D.b极的电极反应式为CH3COO－＋4H2O－8e－＝＋9H＋

解析

根据图示可知,b电极上CH3COO－转化为,碳元素的化合价升高,故其电极反应为CH3COO－＋4H2O－8e－＝＋9H＋(a电极上发生C6H5OCl＋2e－＋H＋＝C6H6O＋Cl－),说明原电池b为负极、a为正极,即a极的电势高于b极,所以选项A错误,选项D正确;由于电极反应式中没有涉及电极材料,故电极材料可以相同也可以不同,所以选项C错误;根据a电极反应式知,每当有2 mol电子转移时,则有1molH＋参与电极反应,同时还有2molH＋通过质子交换膜进入a电极区,导致a极区溶液pH减小,所以选项B正确.答案为B、D.

【应对策略】首先依据装置图找出电极反应物及产物,然后分析其价态变化,判断出反应类型,进而推断出电极类型.书写电极反应式时,一定要分析电极产物的实际存在状态,如本题中放电产物HCOOH一定不能在碱性环境下存在只能在碱性环境下存在.

2 考查离子移动方向及离子交换膜

离子导体是电化学装置的主要构成组分,其常见形式有电解质溶液、熔融电解质、离子交换膜、离子液体、快离子导体等.离子交换膜具有选择性,既可以允许单一离子通过,也可以允许同电性的离子通过.同时离子交换膜既可以提纯分离电极产物又可以阻止电极反应物的直接接触(与盐桥作用类似),因而在电化学装置中常被使用.离子的移动方向受浓度、电场、自身氧化性(或还原性)强弱等因素的影响,只是在一般情况下阳离子移动方向阴极、阴离子移向阳极.

例2某微生物电池在运行时可同时实现净化有机物污水、净化含废水(pH约为6)和淡化食盐水,其装置示意图如图2所示.D和E为离子交换膜,Z为待淡化食盐水(Cr3＋完全沉淀所需的pH为5.6).下列说法不正确的是( ).

图2

A.E为阴离子交换膜

解析

【应对策略】读懂题意,明确电化学原理应用的目的,进而根据电化学装置图中的有关信息判断出电极类型,确定离子移动方向及离子交换膜的选择问题.若没有新情境信息提示时,可以按照常规离子移动方向、放电顺序去解答问题.

3 考查电化学原理应用及相关计算

电化学知识的重要性更主要的是体现在应用方面,如在物质制备与检测、分离与提纯、环保与能源、材料保护与文物复原以及在探究反应原理、物质含量测定等方面,均会出现电化学原理知识.

例3潮湿环境、Cl－、溶解氧是造成青铜器锈蚀的主要环境因素.腐蚀严重的青铜器表面大多存在起催化作用的多孔催化层.如图3为青铜器发生电化学腐蚀的原理示意图,下列说法正确的是( ).

图3

A.腐蚀过程中,青铜基体是正极

B.若有64gCu腐蚀,理论上消耗氧气的体积为11.2L(标准状况)

C.多孔催化层的形成加速了青铜器的腐蚀速率,是因为改变了反应的焓变

D.环境中的Cl－、正负极产物作用生成多孔粉状锈,其离子方程式为

解析

结合图示信息可知青铜基体中的铜失去电子变为Cu2＋,故青铜基体是负极,选项A错误;负极发生反应:Cu－2e－＝Cu2＋,正极上O2得电子发生还原反应:O2＋2H2O＋4e－＝4OH－,根据电子守恒知,64g铜失去2mol电子,则需要消耗O2的物质的量为0.5mol,故其在标况下体积为11.2L,选项B正确;多孔催化层的形成加速了青铜器的腐蚀速率,主要是因为其正极的多孔结构,增大反应物与电极的接触面积从而加快反应速率,但对反应实质及焓变没有影响,选项C错误;利用原子守恒即可写出离子方程式:2Cu2＋＋3OH－＋Cl－＝Cu2(OH)3Cl↓,选项D正确.答案为B、D.

【应对策略】针对电化学中有关溶液的pH计算、质量变化与溶液复原、电极反应物或产物等有关物理量的变化计算等问题,都应根据题意写出电极反应式,利用电子守恒原则确定两电极反应物或生成物之间的关系式,进而去分析电极反应中各物质或微粒的变化情况,分析溶液中H＋或OH－剩余量、质量变化量等问题,但在计算气体体积时要注意题中是否明确了是在标准状况下.

4 考查电化学与其他知识融合问题

电化学知识经常出现在工艺流程大题、反应原理综合大题、实验综合大题中,以进一步凸显学科知识内的融合与关联,凸显化学知识的应用性、创新性与综合性.

例4某小组同学探究物质的溶解度大小与沉淀转化方向之间的关系.以探究AgCl和AgI之间的转化为例.已知溶解度(20℃)AgI:3.0×10－7g;AgCl:1.5×10－4g.

实验Ⅰ:如图4所示.

图4

实验Ⅱ:在试管中进行溶液间反应时,学生无法观察到AgI转化为AgCl,于是又设计了如表1所示实验(电压表读数:a＞c＞b＞0).

表1

图5

① 实验Ⅰ证明了AgCl转化为AgI,甲溶液可以是________(填序号).

A.AgNO3溶液 B.NaCl溶液

C.KI溶液

② 实验Ⅱ的步骤ⅰ中,B中石墨上的电极反应式是________.

③ 结合信息,解释实验Ⅱ中b＜a的原因:.

④ 实验Ⅱ的现象能说明AgI转化为AgCl,理由是________.

⑤由实验Ⅰ、Ⅱ的实现现象,可以得出何种结论?

解析

这是利用原电池原理来探究沉淀溶解平衡的问题.根据“实验Ⅰ证明了AgCl转化为AgI”知,甲与乙溶液反应必须产生AgCl才可,且溶液中不能有Ag＋剩余,故过量的甲溶液为NaCl溶液.Ag＋具有较强氧化性、I－具有较强还原性,故B中石墨上的电极反应式为2I－－2e－＝I2.向B中滴入AgNO3(aq),至沉淀完全时,此时I－浓度极小,故其还原性极弱,导致原电池的电压变小,所以b＜a.根据“重复ⅰ,再向B中加入与ⅲ等量NaCl(s),电压为a”知,Cl－本身对该原电池电压无影响,又因已知电源电压“c＞b”,故向B中投入一定量的NaCl(s)时,势必有I－出现,所以证明发生了AgI＋Cl－＝ AgCl＋I－.通过实验Ⅰ、Ⅱ现象可知溶解度小的沉淀容易转化成溶解度更小的沉淀,反之则不易;溶解度差别越大,由溶解度小的沉淀转化为溶解度较大的沉淀越难实现.

综上可知,电化学知识的考查题境、设问形式无论如何变化,其考查的落脚点就是电化学的工作原理,所以抓住教材中提供的电化学装置图,抽取出电化学装置工作时的基本模型与原理,理清电极名称概念、离子移动方向及电极反应等知识点,即可顺利解答.