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摘 要:学习电化学时可以利用电化学中氧化还原反应的特点及其规律,将凌乱的知识形成记忆的口诀或是技巧。化学知识本身具有内在规律,学生在一定的知识基础加上耐心地观察与分析,学好电化学并不是很难。
关键词:氧化还原反应;电极反应;得失电子;电子守恒;电荷守恒
电化学内容是历年化学高考的热点,题型组合多样化,可以出选择、填空、推断、计算题等,是覆盖率很高的知识点;而且它的难度中上,也是失分率较高的知识点,经常是选拔高分考生的一道屏障。所以学生只有认真分析、严谨推理才能确保得高分,因此在学习中必须注意以下几点。
一、理解概念,抓住概念的内涵与外延,认真分析概念中的关键词,做到心中有数、脉络分明
1.识别正负极、阴阳极的技巧
学生只要记住原电池、电解池中的氧化还原的位置及规律,再编成口诀就可轻松掌握“极”的判断:原电池中浮只羊,电解池中养只羊。对这句口诀可以这么解释(用谐音):原电池中负(浮)极发生氧(羊)化反应,电解池中阳(养)极发生氧(羊)化反应,对于另一极只记作是口诀的相反面即可。掌握了极的判断后我们再推广到其极反应后的产物:负极——发生氧化反应,生成氧化产物,特征是元素化合价升高;正极——发生还原反应,生成还原产物,特征是化合价降低。原电池中正负极的判断最本质的方法就是化合价的升降。虽然许多学生喜欢用活泼性不同的材料来识别正负极,但这一般只能解决简单题,当材料活泼性不易分别时,判断正负极难度很大了。这样有利于培养学生的正、逆向思维,使学生对概念有更深层次的理解。
2.理解原电池、电解池原理,正确判断电子流向、外电路电流方向
在初学的时候,许多学生是简单记忆:电子流向与电流流向相反。这样理解记忆没有认识到电子得失及电流流向的本质,容易出错。其实只要想氧化还原反应的规律便一目了然:在电池内部,负极发生氧化反应,失去电子,电子由正极得到,故电子流向表示为:负极→正极。此时再把视线放到外电路中,电子继续向前流动,便从正极流出,不就是我们所说的电流方向:正极→负极。我们掌握了氧化还原的规律后,只要用谐音记忆,又可以轻松记下电子流向:付出(负极电子流出),羊毛出在羊身上(阳极流出电子);或在头脑中时刻浮现课本中的两个装置图,标上电子流向的箭头,只要记住箭头的方向也可以。其实电子流向并没有改变,只不过我们判断的位置和称呼变了而已。
二、由一般性推广到特殊性
从铜-锌原电池到复杂的燃料电池尤其是燃料电池的电极方程式的书写,这是考生在高考中的失分点。这暴露了多数学生基础知识不够扎实的问题。此时一定要静下心来回忆铜-锌原电池中的氧化还原反应的情况,认真对照。下面以CH4和O2在KOH溶液中组成的燃料电池进行说明:
1.确定哪种物质发生氧化反应,哪种物质发生还原反应,解决“极”的判断
由O2可知氧元素必定由0到-2价,发生还原反应;则CH4一定发生氧化反应。因氢元素化合价不变,必是碳的化合价升高,并且题目暗示,作为燃料电池,所以碳应氧化为二氧化碳。
2.注意电解质溶液的作用
该题是KOH作电解质,吸收CO2,形成了K2CO3,而O2不可能写成O2-。由铁的吸氧腐蚀可以联想到它应生成OH-,由此可见,我们可先构建出电极反应的一般式(即写出它们得失电子及生成物的表达式就行):
负极:CH4-e+OH--CO32-+H2O
正极:O2+e+H2O-OH-
3.应用电子守恒和电荷守恒把它们先后配平
我们先分析化合价:CH4→CO32-(-4价升到+4价)化合价升高8价,则应失去8e,负极反应式改为:CH4-8e+OH--CO32-+H2O,但此时可用移花接木的方法,满足电荷守恒要求,把电子看成是阴离子,而前面有一个负号,相当于是8个正电荷,抓住方程式左右要电荷守恒(8个单位正电荷+X=2个单位负电荷,X=10),所以OH-的计量数应为10,即左边电荷总量等于右边CO32-电荷总量,而正极表达式也必须满足转移8个电子(氧元素从0价降到-2价,需要4个氧原子来完成,所以O2的化学计量数是2,最后用原子守恒知识配平余下物质,可得完整电极方程式:
负极:CH4-8e+10OH-=CO32-+7H2O
正极:2O2+8e+4H2O=8OH-
两式相加,抵消电子个数可得总式:
CH4+2O2+2OH-=CO32-+3H2O
从总反应式可见,这里的电解质是要参加反应的,要延长电池的使用时间须补充电解质KOH。那么氢氧燃料电池又应当如何呢?许多学生乍一看题以为很简单,但又怎么都不能正确完成电极方程式。这种题型常见的有2种:第1种是氢气和氧气在碱性介质中进行,可以按原电池中的氧化还原规律进行,H2应发生氧化反应生成H+,但在碱性介质中H+会与OH-反应,即OH-要参加反应,所以负极应写成:2H2-4e+4OH- =4H2O;O2应发生还原反应,但在水溶液中不应写成O2-应为OH-,所以正极为:O2+4e+2H2O=4OH-;若将两式合并,其实就是:2H2+O2=2H2O,且电解质溶液浓度变稀。第2种情况是若在酸性溶液中进行:H2发生氧化反应生成H+,负极:2H2-4e=4H+;O2发生还原反应,但因其生成的OH-会与H+继续反应生成H2O,即H+在正极参加反应,所以正极为:O2+4H++4e=2H2O;总方程式也是:2H2+O2=2H2O,且电解质溶液浓度也变稀。此时,再让学生举一反三,写出酒精燃料电池(KOH为电解质),甲醇燃料电池(KOH为电解质),多数学生能正确写出。这时再来看电极方程式中有个很有趣的现象,如在负极中,它的符号“负号、减号、阴离子”不都有个“负”;而在正极中,它的符号“正号、加号、阳离子”都有个“正”。
三、如何熟练、正确地书写电解方程式
许多学生在初学、复习时一直去背“生氢变碱型”“生氧变酸型”等知识点,但酸碱盐的种类很多,又记不牢,而且盲目记又会出错。若从本质原因去分析,抓住规律,理解其实并不难。
首先要熟练记忆溶液中离子的放电顺序,根据氧化还原反应的特点:
阴极中:Ag+>Fe3+>Cu2+……>H+>…… >Fe2+>……
阳极中:S2->I->Br->Cl->OH->含氧酸根
所谓放电顺序其实就是反应时的先后顺序:氧化性强的离子先被还原,还原性强的离子先被氧化。
然后,遵循溶液中离子放电的“强者优先”顺序可一次性完成电解方程式。
例:电解AgNO3溶液,让我们排一下竞争的顺序表:
Ag+>H+,应Ag+得电子被还原,生成Ag,余H+
OH->NO3-,应OH-失电子被氧化,生成O2,余NO3-
则总方程式为:AgNO3+H2O——Ag+O2↑+HNO3
配平即完成电解方程式,若要让电解质复原,生成什么我们就加什么,或者是析出物的重新化合的物质,即Ag2O。
又如:
电解Na2SO4溶液:H+>Na+,应H+得电子生成H2,余Na+
OH->SO42-,应OH-失电子生成O2,余SO42-
其实就是电解水:2H2O==2H2↑+O2↑
若要溶液复原,加水即可。
电化学知识在高中概念多,变化多,记忆量也是较大的,所以要学好电化学知识,一定要深入理解概念,不可死记硬背。只要多思考、多发掘其规律性的东西,学起来定会感到乐趣无穷而不会畏难不前。
关键词:氧化还原反应;电极反应;得失电子;电子守恒;电荷守恒
电化学内容是历年化学高考的热点,题型组合多样化,可以出选择、填空、推断、计算题等,是覆盖率很高的知识点;而且它的难度中上,也是失分率较高的知识点,经常是选拔高分考生的一道屏障。所以学生只有认真分析、严谨推理才能确保得高分,因此在学习中必须注意以下几点。
一、理解概念,抓住概念的内涵与外延,认真分析概念中的关键词,做到心中有数、脉络分明
1.识别正负极、阴阳极的技巧
学生只要记住原电池、电解池中的氧化还原的位置及规律,再编成口诀就可轻松掌握“极”的判断:原电池中浮只羊,电解池中养只羊。对这句口诀可以这么解释(用谐音):原电池中负(浮)极发生氧(羊)化反应,电解池中阳(养)极发生氧(羊)化反应,对于另一极只记作是口诀的相反面即可。掌握了极的判断后我们再推广到其极反应后的产物:负极——发生氧化反应,生成氧化产物,特征是元素化合价升高;正极——发生还原反应,生成还原产物,特征是化合价降低。原电池中正负极的判断最本质的方法就是化合价的升降。虽然许多学生喜欢用活泼性不同的材料来识别正负极,但这一般只能解决简单题,当材料活泼性不易分别时,判断正负极难度很大了。这样有利于培养学生的正、逆向思维,使学生对概念有更深层次的理解。
2.理解原电池、电解池原理,正确判断电子流向、外电路电流方向
在初学的时候,许多学生是简单记忆:电子流向与电流流向相反。这样理解记忆没有认识到电子得失及电流流向的本质,容易出错。其实只要想氧化还原反应的规律便一目了然:在电池内部,负极发生氧化反应,失去电子,电子由正极得到,故电子流向表示为:负极→正极。此时再把视线放到外电路中,电子继续向前流动,便从正极流出,不就是我们所说的电流方向:正极→负极。我们掌握了氧化还原的规律后,只要用谐音记忆,又可以轻松记下电子流向:付出(负极电子流出),羊毛出在羊身上(阳极流出电子);或在头脑中时刻浮现课本中的两个装置图,标上电子流向的箭头,只要记住箭头的方向也可以。其实电子流向并没有改变,只不过我们判断的位置和称呼变了而已。
二、由一般性推广到特殊性
从铜-锌原电池到复杂的燃料电池尤其是燃料电池的电极方程式的书写,这是考生在高考中的失分点。这暴露了多数学生基础知识不够扎实的问题。此时一定要静下心来回忆铜-锌原电池中的氧化还原反应的情况,认真对照。下面以CH4和O2在KOH溶液中组成的燃料电池进行说明:
1.确定哪种物质发生氧化反应,哪种物质发生还原反应,解决“极”的判断
由O2可知氧元素必定由0到-2价,发生还原反应;则CH4一定发生氧化反应。因氢元素化合价不变,必是碳的化合价升高,并且题目暗示,作为燃料电池,所以碳应氧化为二氧化碳。
2.注意电解质溶液的作用
该题是KOH作电解质,吸收CO2,形成了K2CO3,而O2不可能写成O2-。由铁的吸氧腐蚀可以联想到它应生成OH-,由此可见,我们可先构建出电极反应的一般式(即写出它们得失电子及生成物的表达式就行):
负极:CH4-e+OH--CO32-+H2O
正极:O2+e+H2O-OH-
3.应用电子守恒和电荷守恒把它们先后配平
我们先分析化合价:CH4→CO32-(-4价升到+4价)化合价升高8价,则应失去8e,负极反应式改为:CH4-8e+OH--CO32-+H2O,但此时可用移花接木的方法,满足电荷守恒要求,把电子看成是阴离子,而前面有一个负号,相当于是8个正电荷,抓住方程式左右要电荷守恒(8个单位正电荷+X=2个单位负电荷,X=10),所以OH-的计量数应为10,即左边电荷总量等于右边CO32-电荷总量,而正极表达式也必须满足转移8个电子(氧元素从0价降到-2价,需要4个氧原子来完成,所以O2的化学计量数是2,最后用原子守恒知识配平余下物质,可得完整电极方程式:
负极:CH4-8e+10OH-=CO32-+7H2O
正极:2O2+8e+4H2O=8OH-
两式相加,抵消电子个数可得总式:
CH4+2O2+2OH-=CO32-+3H2O
从总反应式可见,这里的电解质是要参加反应的,要延长电池的使用时间须补充电解质KOH。那么氢氧燃料电池又应当如何呢?许多学生乍一看题以为很简单,但又怎么都不能正确完成电极方程式。这种题型常见的有2种:第1种是氢气和氧气在碱性介质中进行,可以按原电池中的氧化还原规律进行,H2应发生氧化反应生成H+,但在碱性介质中H+会与OH-反应,即OH-要参加反应,所以负极应写成:2H2-4e+4OH- =4H2O;O2应发生还原反应,但在水溶液中不应写成O2-应为OH-,所以正极为:O2+4e+2H2O=4OH-;若将两式合并,其实就是:2H2+O2=2H2O,且电解质溶液浓度变稀。第2种情况是若在酸性溶液中进行:H2发生氧化反应生成H+,负极:2H2-4e=4H+;O2发生还原反应,但因其生成的OH-会与H+继续反应生成H2O,即H+在正极参加反应,所以正极为:O2+4H++4e=2H2O;总方程式也是:2H2+O2=2H2O,且电解质溶液浓度也变稀。此时,再让学生举一反三,写出酒精燃料电池(KOH为电解质),甲醇燃料电池(KOH为电解质),多数学生能正确写出。这时再来看电极方程式中有个很有趣的现象,如在负极中,它的符号“负号、减号、阴离子”不都有个“负”;而在正极中,它的符号“正号、加号、阳离子”都有个“正”。
三、如何熟练、正确地书写电解方程式
许多学生在初学、复习时一直去背“生氢变碱型”“生氧变酸型”等知识点,但酸碱盐的种类很多,又记不牢,而且盲目记又会出错。若从本质原因去分析,抓住规律,理解其实并不难。
首先要熟练记忆溶液中离子的放电顺序,根据氧化还原反应的特点:
阴极中:Ag+>Fe3+>Cu2+……>H+>…… >Fe2+>……
阳极中:S2->I->Br->Cl->OH->含氧酸根
所谓放电顺序其实就是反应时的先后顺序:氧化性强的离子先被还原,还原性强的离子先被氧化。
然后,遵循溶液中离子放电的“强者优先”顺序可一次性完成电解方程式。
例:电解AgNO3溶液,让我们排一下竞争的顺序表:
Ag+>H+,应Ag+得电子被还原,生成Ag,余H+
OH->NO3-,应OH-失电子被氧化,生成O2,余NO3-
则总方程式为:AgNO3+H2O——Ag+O2↑+HNO3
配平即完成电解方程式,若要让电解质复原,生成什么我们就加什么,或者是析出物的重新化合的物质,即Ag2O。
又如:
电解Na2SO4溶液:H+>Na+,应H+得电子生成H2,余Na+
OH->SO42-,应OH-失电子生成O2,余SO42-
其实就是电解水:2H2O==2H2↑+O2↑
若要溶液复原,加水即可。
电化学知识在高中概念多,变化多,记忆量也是较大的,所以要学好电化学知识,一定要深入理解概念,不可死记硬背。只要多思考、多发掘其规律性的东西,学起来定会感到乐趣无穷而不会畏难不前。