模型法在电解池中的应用

模型法在电解池中的应用

宋正华 楚雅洁 韩青 陈宁 万新萍

河南郑州外国语学校 （ 450001）

一、背景分析

“证据推理与模型认知”属于化学核心素养之一，是化学核心素养的思维核心。《普通高中化学课程标准》对学生建模能力提出具体要求，“知道可以通过分析、推理等方法认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系，建立认知模型，并能运用模型解释化学现象，揭示现象的本质和规律”。构建模型是形成科学认知概念、产生有意义学习的关键因素。

本文以高中化学“证据推理与模型认知”核心素养提升为出发点，以电解池高考试题为媒介，研究模型法在电解池中的应用。电解池知识是高中化学理论体系的重要组成部分，是对氧化还原反应、离子反应、电解质、原电池等核心概念的进一步延伸与拓展，是一个较好的发展化学建模能力知识载体。通过分析近几年高考试题发现，相关知识的考查呈现如下特点：1.考查角度多样：主要涵盖基本原理、电极反应式及总反应方程式的书写、阴阳离子的移动方向、浓度变化、两极产生的实验现象以及与氧化还原有关计算等；2.考查形式灵活：既有独立的客观试题，又会穿插在实验题、化工流程题和反应原理题中；3.考察信息新颖：以新颖的科技前沿将电解池试题呈现出来。这些特点导致学生容易失分，其实电解池的知识体系并没有变化。究其原因是学生学习过程中停留在电极、电解质溶液等外观形式，并没有深入理解电解池的本质，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，以及环境对生成物微粒的影响等。基于电解池知识特点及学习难点，结合当代学者的主流观点，本文通过构建电解池的基础认知模型，帮助学生解决实际。

二、模型建立

概括电解池的基础模型为图1所示，学生只有掌握基础模型才能对电化学基础知识有一定的认知能力。

从装置角度分析：包括电源、阴极、阳极和电子导体（导线）、离子导体（电解质溶液或熔融态电解质及离子交换膜）等装置要素；从思维角度分析：溶液中存在的离子及电极材料，然后在氧化还原反应基础上，分析电极反应的反应物和产物、反应过程和实验现象等，并在此基础上进行计算和电极反应式书写。

据此我们确定电解池问题解决思维模型为:1）借助题给信息，确定阳极与阴极材料，2）分析电池材料和溶液中的阴阳离子确定氧化剂-还原产物、还原剂-氧化产物，3）书写电极反应式，确定离子迁移方向和离子浓度变化。

思维模型图如图2所示：

图2

三、实例分析

例1.环戊二烯可用于制备二茂铁（Fe(C₅H₅)₂，结构简式为 ）。二茂铁的电化学制备原理如下图所示，其中电解液为溶解有溴化钠（电解质）和环戊二烯的DMF溶液（DMF为惰性有机溶剂）。

图3

该电解池的阳极为____________，总反应为__________________。电解制备需要在无水条件下进行，原因为_________________________。

由信息可知：

Ni

图4

借助思维模型分析所给信息，即找反应信息，铁变成产物二茂铁，为还原剂，作为阳极材料失电子；此时Ni为阴极材料，Na⁺→Na，在阴极放电，由于反应过程用到金属钠单质，所以离子导体必须为非水体系，同时Na⁺迁移向阴极，Br^-迁移向阳极。

该题思维模型是：

图5

例2.电致变色器件可智能调控太阳光透过率，从而实现节能。如图是某电致变色器件的示意图。当通电时，Ag⁺注入到无色WO₃薄膜中，生成Ag_xWO₃，器件呈现蓝色，对于该变化过程，下列叙述错误的是

图6

A．Ag为阳极 B．Ag⁺由银电极向变色层迁移

C．W元素的化合价升高 D．总反应为：WO₃+xAg=Ag_xWO₃

图7

借助思维模型分析所给信息，Ag变成产物Ag_xWO₃，为还原剂，作为阳极材料失电子；此时透明导电层为阴极材料，WO₃→Ag_xWO₃，WO₃在阴极放电生成WO₃^-，离子导体为固体电解质，可传导Ag⁺，Ag⁺移向阴极与WO₃^-结合生成Ag_xWO₃，使器件变色。

该题思维模型是：

图8

例3.采用惰性电极，以去离子水和氧气为原料通过电解法制备双氧水的装置如下图所示。忽略温度变化的影响，下列说法错误的是

图9

A. 阳极反应为2H₂O-4e^-=4H⁺+O₂↑

B. 电解一段时间后，阳极室的pH未变

C. 电解过程中，H⁺由a极区向b极区迁移

D. 电解一段时间后，a极生成的O₂与b极反应的O

₂等量

借助思维模型分析所给信息，O₂变成产物H₂O₂，为氧化剂在b极得电子，根据信息质子交换膜可断定溶液为酸性，故阴极电极反应式为：2O₂+4H⁺+4e^-=2H₂O；此时a极为阳极材料，根据信息放出氧气可确定为H₂O→O₂，故阳极电极反应式为：2H₂O-4e^-=4H⁺+O₂↑，H⁺从阴极室迁移到阳极室，且迁移H⁺数目等于转移电子数，所以阳极室pH不变；且由电极反应式可知O₂反应量要多于生成量。

该
题思维模型是：

图11

结论

本文以电解池高考试题为载体、以提升“证据推理与模型认知”核心素养为目的，构建了以题目信息、元素化合物知识为证据、以化学原理为理论支撑的电化学原理和实验结论推理模型。该模型在学与教的实践起到了事半功倍的效果。

参考文献：

［1］王维臻，王磊，等 . 电化学认识模型及其在高三原电池复习教学中的应用［J］.化学教育，2014（1）:34-40.

［2］朱妍蓉，包朝龙 . 基于认识模型建构的电解池复习教学［J］.化学教育（中英文），2017（23）:23-28.

［3］ 邹国华.学习进阶视域下电化学核心概念的认识功能分析［J］.化学教学，2017（10）：22-26

［4］ 孔祥斌.基于模型建构培养学生的化学核心素养——以 “电解饱和食盐水的应用”教学为例［J］.化学教与学，2019（2）：72-76

［5］ 许嘉铭，代榕，等新旧人教版教材选修模块 “电化学”内容的比较分析［J］.化学教育（中英文），2021（17）：32-37

［6］孙海艳，王建民.“宏微结合”核心素养在化学课堂教学中的应用[J].中学化学2017(3):11

-12