广东

近几年高考电化学试题都以新颖的原电池和电解池形式进行呈现，大部分学生在面对较为复杂的电化学试题时，出现“毫无头绪”“没有逻辑”“思维混乱”“无从下手”的情况。出现这些情况的主要原因是对电极材料本身是否发生反应混淆；对电解质溶液本身是否参与反应混淆；面对新型陌生的装置，缺少合理的认识角度和思路；不能准确、全面地捕获图示信息等等。归根结底是学生对电化学装置的能量转化过程不能系统地、有逻辑地分析，只停留在电极、电解质溶液等外观形式，没有深入理解其本质原因，如电子的得失和定向转移引起的各种微粒之间的相互作用，以及环境微粒对生成物微粒的后续影响等等。针对这些问题，本文从命题、解题和教学三个维度深度剖析学科核心素养视域下电化学的命题机制、解题方法和教学策略。

一、典例呈现

【例1】(2019·全国卷Ⅰ·12)利用生物燃料电池原理研究室温下氨的合成，电池工作时MV2+/MV+在电极与酶之间传递电子，示意图如下所示。下列说法错误的是

( )

A.相比现有工业合成氨，该方法条件温和，同时还可提供电能

C.正极区，固氮酶为催化剂，N2发生还原反应生成NH3

D.电池工作时质子通过交换膜由负极区向正极区移动

【答案】B

【例2】(2018·全国卷Ⅰ·13)最近我国科学家设计了一种CO2+H2S协同转化装置，实现对天然气中CO2和H2S的高效去除。示意图如图所示，其中电极分别为ZnO@石墨烯(石墨烯包裹的ZnO)和石墨烯，石墨烯电极区发生反应为：

该装置工作时，下列叙述错误的是

( )

C.石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯上的低

D.若采用Fe3+/Fe2+取代EDTA-Fe3+/EDTA-Fe2+，溶液需为酸性

【答案】C

【例3】(2017·全国卷Ⅰ·11)支撑海港码头基础的钢管桩，常用外加电流的阴极保护法进行防腐，工作原理如图所示，其中高硅铸铁为惰性辅助阳极。下列有关表述不正确的是

( )

A.通入保护电流使钢管桩表面腐蚀电流接近于零

B.通电后外电路电子被强制从高硅铸铁流向钢管桩

C.高硅铸铁的作用是作为损耗阳极材料和传递电流

D.通入的保护电流应该根据环境条件变化进行调整

【答案】C

二、命题模型解析

电化学(尤其是新型电池)是目前研究领域的热点，也是高考化学考查的重点和难点。高考电化学试题的情境来源于生活中的化学电源、研发中的新型电池、实验室中的电化学装置以及生产中的电化学设备等，既能考查电化学知识，也能考查化学学科核心素养，还能渗透创新意识和社会责任等情感态度与价值观，凸显化学学科“育人”的价值功能，备受高考命题青睐。

“宏微结合与变化平衡”是化学核心素养的学科特征，“证据推理与模型认知”是化学核心素养的思维核心。电化学，尤其是新型电源和光电设备，不仅能体现化学学科的价值，而且有利于学生获取相关的知识与科学方法，更好地促进学生掌握化学学科规律。学习和使用电化学知识既能解决化学问题，又能提高学生的化学学科核心素养。从化学学科核心素养的角度分析和认识高考化学中的电化学试题，有助于学生理清电化学试题中关于化学学科核心素养的考查思路，也有利于促进化学学科核心素养在教学和考试评价中的落实。

图1 基于化学核心素养的电化学试题命制模型

1.例1的分析

(1)本文例1中的电池是犹他大学的Minteer教授在Angew.Chem.Int.Ed发表的最新研究成果，如图2所示，以新颖的素材为载体，考查原电池原理的应用。以“室温下氨的合成”为主题，使考生深刻认识到电化学在工业生产上的应用价值，体现了对“科学精神和社会责任”的核心素养的考查；通过对酶(催化剂)的认识，渗透了“人类的智慧是无穷的”的理念，从微观角度理解“MV+和MV2+的相互转化”，体现了对“宏观辨识和微观探析”核心素养水平的考查。

图2

(2)选项问题设置迁移程度、水平进阶分析

选项分 析迁移程度(近、中、远)水平进阶A项相比现有工业合成氨的方法,该方法选用酶作催化剂,条件温和,同时利用MV+和MV2+的相互转化,化学能转化为电能,故可提供电能从知道到理解,到应用,属于近迁移简单、良好结构情境B项左室为负极区不是阴极区,MV+在负极失电子发生氧化反应生成MV2+,电极反应式为MV+-e- MV2+,放电生成的MV2+在氢化酶的作用下与H2反应生成H+和MV+,反应:H2+2MV2+ 2H++2MV+从事实到方法,到方法论,到学科本质观,属于近迁移从事实到概念,到关系,到结构,属于中迁移复杂、良好结构情境简单、不良结构情境C项右室为正极区,MV2+在正极得电子发生还原反应生成MV+,电极反应式为MV2++e- MV+,放电生成的MV+与N2在固氮酶的作用下反应生成NH3和MV2+,反应:N2+6H++6MV+ 6MV2++NH3从事实到方法,到方法论,到学科本质观,属于近迁移复杂、良好结构情境D项电池工作时,氢离子(即质子)通过交换膜由负极向正极移动从事实到方法,到方法论,到学科本质观,属于近迁移简单、良好结构情境

2.例2的分析

(1)本文例2中的协同转化技术是中国科学院大连化学物理研究所李灿院士、宗旭研究员、马伟光博士等人发展电催化技术，将天然气中CO2和H2S资源化转化的研究成果，2018年3月19日相关研究成果发表于《德国应用化学》。以我国科技人员取得的重大创新科研成果为背景，使考生深刻认识到化学、技术和社会之间的联系，体现了对“科学精神和社会责任”核心素养的考查；基于“CO2+H2S协同转化装置”的分析推理，确定了其中的电解工作原理，考查了“证据推理和模型认知”的学科素养；通过对电极方程式的书写和加工，从微观角度理解了“CO2+H2S协同转化”的机理，并感受它在工业生产上的应用价值，体现了对“宏观辨识和微观探析”核心素养水平的考查。

(2)选项问题设置迁移程度、水平进阶分析

选项分 析迁移程度(近、中、远)水平进阶A项由题干信息:EDTAFe2+-e- EDTAFe3+,可知石墨烯为阳极,ZnO@石墨烯为阴极,根据图中物质之间的转化关系,可知CO2转化为CO的电极方程式为CO2+2H++2e- CO+H2O从知道到理解,到应用,属于近迁移简单、良好结构情境B项将阳极区的这两个反应与阴极电极方程式按着阴阳两极电子得失守恒的原则相加,得总反应式:CO2+H2S CO+H2O+S,从而实现对天然气中CO2和H2S高效去除的目的从事实到方法,到方法论,到学科本质观,属于近迁移复杂、良好结构情境C项石墨烯与光伏电池的正极相连,为阳极;ZnO@石墨烯电极与光伏电池的负极相连,为阴极,故石墨烯上的电势要比ZnO@石墨烯上的电势高从事实到概念,到关系,到结构,属于中迁移简单、不良结构情境D项Fe3+易水解,在溶液pH约为3.4时会完全形成氢氧化物沉淀,所以若采用Fe2+/Fe3+取代EDTAFe2+/EDTAFe3+,溶液需为酸性从事实到方法,到方法论,到学科本质观,属于远迁移复杂、不良结构情境

3.例3的分析

(1)本文中的例3以支撑海港码头基础(钢管桩)的防腐设备为试题素材，使考生体会到化学知识的实际应用价值，树立化学无处不在的观念，化学学科担负着解决社会环境、能源等实际问题的历史使命的观念，是科学精神和社会责任素养的渗透。通过对“表面腐蚀电流”探析金属防腐技术原理以及装置部件作用的理解，考查考生分析和解决问题的能力，是“证据推理和模型认知”的学科素养的体现；基于“保护电流”应该根据环境条件变化进行调整，体现了对“变化观念与平衡思想”核心素养水平的考查。

(2)选项问题设置迁移程度、水平进阶分析

选项分 析迁移程度(近、中、远)水平进阶A项外加电流阴极防护工作原理,保护电流的作用就是抵消腐蚀电流,腐蚀电流接近于零表明金属表面已被极化,无原电池效应,若保护电流过大则电解海水,若保护电流过小则防护作用不大从知道到理解,到应用,属于近迁移简单、良好结构情境B项电解的化学本质就是使不能自发的反应“被反应”,电子经外电路由阳极强制性流向阴极,在内电路则是离子的定向移动形成电流从事实到方法,到方法论,到学科本质观,属于近迁移简单、良好结构情境C项题干信息“高硅铸铁为惰性辅助阳极”,有些“学习好”的同学受铁是活性阳极的思维定式影响,认为高硅铸铁是一种牺牲阳极从事实到概念,到关系,到结构,属于中迁移简单、不良结构情境D项钢管柱所处环境温度、溶液pH、含氧量等条件是不断变化的,钢铁腐蚀电流不是一成不变的,从实际出发及时调整保护电流既是科学的又是必要的从事实到方法,到方法论,到学科本质观,属于远迁移复杂、不良结构情境

三、解题模型解析

当前高考主要考查新型电池的分析、电极判断、电极反应式的书写、离子的移动、电解质溶液的变化、金属的腐蚀和防护、电镀、电冶金、电解法制备物质、装置设计、环境保护、实验探究等。更多时候是结合题给电化学装置信息，考查电解原理、电极反应式书写、电解时电极附近电解质溶液的pH变化，涉及元素化合物、氧化还原、化学实验的对照实验设计、变量控制、产物的检验方法、对比分析后的结论表述等内容。从而综合考查学生接受、吸收、整合化学信息的能力、分析解决化学问题的能力、设计化学实验及探究能力。

图3 电化学装置认知模型

1.例1的分析

解题难点分析——对陌生信息的理解和处理

陌生信息理 解处 理能力层次氢化酶/固氮酶MV2+在氢化酶的作用下与H2反应生成H+和MV+,MV+与N2在固氮酶的作用下反应生成NH3和MV2+实现常温下高转化率、高速率的化学反应关联MV2+/MV+MV2+/MV+在电极与酶之间传递电子高价态———氧化剂低价态———还原剂分析室温下的合成氨相比现有工业合成氨,该方法条件温和,同时还可提供电能通过科学的创新实现人类的理想理解

2.例2的分析

解题难点分析——对陌生信息的理解和处理

陌生信息理 解处 理能力层次光伏电池一种是以硅为基底将太阳光的光能直接转化为电能的装置只需理解为一种直流电源观察ZnO@石墨烯石墨烯包裹的ZnO只需弄清楚阴、阳极关联EDTA品名是乙二胺四乙酸,结构简式为NCH2CH2NHOOCCH2HOOCCH2CH2COOHCH2COOH,能和过渡金属离子等形成稳定的水溶性络合物与Fe2+、Fe3+形成稳定的水溶性络合物分析协同转化一种CO2+H2S协同转化装置实现对天然气中CO2和H2S的高效去除协同转化装置即为图示整套装置,总反应即为协同转化总反应理解

3.例3的分析

解题难点分析——对陌生信息的理解和处理

陌生信息理 解处 理能力层次钢管桩/高硅铸铁装置原理是利用外加电流阴极保护法,不是牺牲阳极保护阴极法需要弄清楚钢管桩为阴极,高硅铸铁为阳极观察惰性辅助阳极/损耗阳极题干信息:高硅铸铁为惰性辅助阳极题给信息优先考虑原则推理、应用表面腐蚀电流/保护电流由铁的吸氧腐蚀原理理解钢铁(钢管桩)表面存在大量的微小的自发的短路原电池平衡观念,当保护电流抵消腐蚀电流时,表明金属表面已被极化迁移

四、教学模型解析

伴随现代科学技术的发展，电化学不仅在理论和技术上不断创新，在应用领域(如化学工业、能源、材料和环境等)也占有越来越重要的地位，电化学高考题一般以新装置、新情景呈现。教材中以铜锌原电池构建的原电池知识体系，以电解CuCl2溶液构建的电解知识体系比较简洁，得到的是一些简单化或绝对化的结论，学生学习过程中往往忽略知识的递进性和复杂性，因此，面对高考考题中出现的形形色色的原电池、电解池装置，通常有茫然，不知所措的情况。

教学中，我们如何从本质上把握电化学的工作原理，从铜锌原电池、电解氯化铜溶液的小圈圈里跳出来，克服思维定式和僵化认识，构建更深层次、系统化的电化学知识体系呢？

1.整体认识—模型认知

从物质导电性入手，分析金属导电的原因是电子的定向移动，电解质溶液和熔融电解质是靠阴阳离子的定向移动(如图4)。这是电化学知识体系建构的第一步，也是最关键的一步。从“电路中电荷移动形成回路”的这一学生熟悉的物理知识开始，帮助学生先明确原电池和电解池上的电极得失电子的方向，使学生更好地从整体上去把握问题的本质，从系统思维的角度帮助学生找出电化学和氧化还原反应之间的联系。这种思维方式，不仅有利于学生从整体上建构电化学知识体系，有效突破学习难点，也有利于学生能更好地理解物理和化学等科学知识的关联。

图4 整体认识氧化还原与原电池、电解池的关系

2.细致分析—宏微结合、证据推理、变化平衡

有了电池结构和工作原理，对于电极反应式、离子迁移方向、反应现象及计算等问题，就可以结合电极上发生的现象及数据等信息推理电极上发生的反应—“宏微结合”和“证据推理”。物质是运动和变化的，化学变化是需要一定条件并遵循一定规律的。在电化学反应规律中，认识电子(电流)由电势低(高)的一端流向电势高(低)的一端，阴离子的迁移与电子移动形成一条回路。无论何种情况，在溶液或熔融状态中，阳离子总是向阴极方向迁移，阴离子总是向阳极方向迁移。在离子、电子的生成和迁移过程中发生了化学变化，实现了电能与化学能之间的转化，并生成了新的物质(离子或分子)-“变化平衡”(见图5)。

图5 电化学变化规律

3.跟踪发展—创新意识

在电池的研发过程中，新材料的研制使得电池的转化效率更大、能量密度更高、更安全、使用寿命更长、更加清洁环保。电池的研究以现有电池存在的问题为导向，不断创造性地解决原有电池的弊端，研发出更好的电池，这些真实的问题情境往往就呈现在高考题中，所以，备考复习电化学知识，需跟踪收集历年电化学试题，关注考点的发展。

4.价值应用—社会责任