以某高考題為例探析電化學(xué)情景分析的爭議問題

張軍

摘要：針對2013年高考重慶卷中電化學(xué)考題出現(xiàn)的爭議進(jìn)行分析，澄清了三種典型誤解，提出了對應(yīng)的正確觀點：質(zhì)子交換膜不能作為酸性條件的依據(jù)；溶液中離子移動速率比較慢，不能快速移動到另一電極；硝酸根在堿性條件下可以在陰極放電。

關(guān)鍵詞：電化學(xué)；質(zhì)子交換膜；離子移動；電極電勢

文章編號：1005–6629（2015）9–0092–03 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

2013年高考結(jié)束到現(xiàn)在，仍然有老師質(zhì)疑2013年重慶化學(xué)卷11題中電極反應(yīng)方程式的標(biāo)準(zhǔn)答案。原題節(jié)選如下：

化學(xué)在環(huán)境保護(hù)中起著十分重要的作用，催化反硝化法和電化學(xué)降解法可用于治理水中硝酸鹽的污染。（1）略。

（2）電化學(xué)降解NO3-的原理如圖所示。

他們堅持陰極為酸性，提出了三種理由：（1）裝置中有質(zhì)子交換膜，表明反應(yīng)在酸性環(huán)境中進(jìn)行；（2）陽極氫氧根放電，產(chǎn)生的H+遷移到陰極，使陰極呈酸性；（3）硝酸根在酸性條件下才能得電子發(fā)生電極反應(yīng)，因此要求陰極區(qū)必須為酸性。

筆者認(rèn)為，標(biāo)準(zhǔn)答案是準(zhǔn)確的。以上三種理由，恰好反映出在電化學(xué)分析中存在的典型誤解。下面針對三個誤解進(jìn)行分析，以消除對電化學(xué)研究和教學(xué)的影響。

1 質(zhì)子交換膜不能作為酸性環(huán)境的依據(jù)

質(zhì)子交換膜，是只允許質(zhì)子（即H+）通過的特殊分離膜，主要的功能是將兩個電極區(qū)分隔，同時選擇性地允許質(zhì)子通過而完成電流循環(huán)。不因“質(zhì)子”而要求一定在酸性環(huán)境中使用。隨著質(zhì)子交換膜的性能提高，越來越多的原電池和電解池中加以運(yùn)用。比如，查詢文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，質(zhì)子交換膜不但用于酸性環(huán)境的燃料電池，還用于堿性燃料電池。由美國GE公司首先開發(fā)成功的質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC），應(yīng)用于吉米尼號（Gemini）宇宙飛船（1965年），為堿性燃料電池。用的就是全氟磺酸離子交換膜（Nafion膜和Dow膜），性能非常好，電池壽命可達(dá)5000h [1]。

以此可以看出，質(zhì)子交換膜不只用于酸性環(huán)境，也可以用于堿性環(huán)境中，通過質(zhì)子交換膜的存在判斷溶液顯酸性的觀點不成立。

2 溶液中離子定向移動速率慢，H+不能快速到達(dá)陰極

可以看出，H的定向移動的速率非常慢，按照這個速率，H+通過1m長的距離需要27小時，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電流速率。實際上，閉合開關(guān)的瞬間，電路中的各個位置迅速建立了恒定電場，在恒定電場的作用下，電路中各處的離子幾乎同時開始定向運(yùn)動。整個電路中幾乎同時形成電流，電極反應(yīng)立即開始。在本題的電解池中，陽極產(chǎn)生的H+向陰極方向移動，通過質(zhì)子交換膜移向陰極區(qū)，陰極區(qū)反應(yīng)產(chǎn)生的OH-向著陽極移動，在半透膜周圍相遇，發(fā)生中和反應(yīng)。

定量分析該電極反應(yīng)，電路中轉(zhuǎn)移10mol e-時，陽極產(chǎn)生10mol H+，陰極產(chǎn)生12mol OH-，反應(yīng)后OH-剩余，說明隨著反應(yīng)的進(jìn)行，陰極區(qū)堿性逐漸增強(qiáng)。據(jù)此進(jìn)一步說明了陰極區(qū)溶液顯堿性，證明標(biāo)準(zhǔn)答案是正確的。

3 堿性條件下，硝酸根在陰極有放電可能

不少教師根據(jù)平時解題中的一般思維，認(rèn)為硝酸根在中性或者堿性環(huán)境中不表現(xiàn)氧化性，因此硝酸根在陰極得電子參加電極反應(yīng)，必須要求酸性環(huán)境。產(chǎn)生這一誤解的原因是將反應(yīng)條件泛化，即沒有其他外界條件干擾時，通過能斯特方程計算出氫離子濃度會對硝酸根的氧化能力有較大影響，但在本題中還有一個關(guān)鍵因素是，在電極上的反應(yīng)不適用于此條件。根據(jù)實驗和理論計算，硝酸根在堿性條件下，有在陰極得電子放電的可能。

3.1 借助實驗研究硝酸根的氧化性

從標(biāo)準(zhǔn)電極電勢可以看出，硝酸根的電極電勢比較高，氧化性趨勢比較大，該反應(yīng)在熱力學(xué)上是可能發(fā)生的。

4 結(jié)論

師者，所以傳道授業(yè)解惑也。這是唐代教育家韓愈對教師職責(zé)的高度概括，也是對教師能力的明確要求。作為化學(xué)教師，應(yīng)該具備準(zhǔn)確教授化學(xué)學(xué)科知識，正確解答學(xué)生疑問并且促進(jìn)學(xué)生思維和品德發(fā)展的能力。從本文的分析可以看出，正是由于教師本身對電化學(xué)原理的認(rèn)識不夠科學(xué)和準(zhǔn)確，造成教學(xué)中的片面甚至錯誤理解，最終影響到學(xué)生對問題的認(rèn)識和解答。

因此，作為化學(xué)教師，應(yīng)該具備較強(qiáng)的化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)，對化學(xué)知識及化學(xué)原理有準(zhǔn)確、科學(xué)的認(rèn)識。同時，化學(xué)學(xué)科本身在不斷發(fā)展，相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用正發(fā)生著日新月異的變化。作為化學(xué)工作者，也應(yīng)該緊跟時代步伐，主動了解和吸收前沿的科學(xué)及技術(shù)。只有這樣，才能夠正確傳授化學(xué)學(xué)科知識，解答學(xué)生問題，更好地引領(lǐng)學(xué)生在化學(xué)學(xué)科上向前發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]畢道治.燃料電池的歷史、現(xiàn)狀和未來[J].電池工業(yè)，2000，（6）：248～253.

[2]范樓珍，王艷，方維海.物理化學(xué)[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2009：223.

[3]稽雷高.堿性條件下硝酸根真的沒有氧化性嗎[J].化學(xué)教育，2014，（11）：87～88.

[4]大連理工大學(xué)無機(jī)化學(xué)教研室.無機(jī)化學(xué)（第6版）[M].北京：高等教育出版社，2006：451.