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第1篇

一、原電池

原電池是化學能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置.從理論上看，任何一個氧化還原反應都發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，如果能夠設法使轉(zhuǎn)移的電子在導線中定向移動，就成為原電池.有些原電池是一次性的，如普通的干電池，當電池中所發(fā)生的反應在通電情況下又能逆向進行，這個電池又可重復使用，稱為二次電池或蓄電池，如鉛蓄電池和手機中的充電電池.原電池由三部分構(gòu)成，兩個不同的電極，電解質(zhì)溶液（或熔融液）和導線（或直接接觸）.對于一個電池我們首先關(guān)注的是使用時電路中電流的方向，規(guī)定電流由正極流向負極，電子則由負極流到正極.因此原電池的負極發(fā)生失電子的氧化反應，正極發(fā)生得電子的還原反應，以兩種不同的金屬為電極時，活潑金屬為負極，較不活潑的金屬為正極.個別例外，如Mg-Al-NaOH電池，高考不做要求.

一個使用著的電池必然構(gòu)成電流的回路.下面我們從化學的視角看電池中內(nèi)電路的變化，由于電子從外電路流向正極，所以在正極上聚集了負電荷，溶液中的陽離子流向正極，與此相反，溶液中的陰離子流向負極，所以從離子移動方向來看，在原電池中，正極又是陰極，負極又是陽極.正、負極和陰、陽極的稱謂是從不同角度來劃分的，所以這句話表面上“不通順”，但結(jié)論上是正確的，對解相關(guān)試題十分有用.

例1 （2013年江蘇-9）Mg-H2O2電池可用于驅(qū)動無人駕駛的潛航器.該電池以海水為電解質(zhì)溶液.示意圖如下.該電池工作時，下列說法正確的是（ ）.

A.Mg電極是該電池的正極

B.H2O2在石墨電極上發(fā)生氧化反應

C.石墨電極附近溶液的pH增大

D.溶液中Cl-向正極移動

解析 根據(jù)前面的分析，Mg電極應是原電池的負極，發(fā)生氧化反應，故選項A、B均錯誤.石墨電極為正極，發(fā)生還原反應H2O2+2e-2OH-，電極附近溶液的pH增大，C項正確，最后一項，溶液中Cl-應向陽極移動，而原電池的正極從電解質(zhì)溶液的角度來看出是陰極，故D項錯，本題應選C.

二、電解池

電解池與原電池恰好相反，在通直流電的條件下發(fā)生了氧化還原反應，是電能轉(zhuǎn)化為化學能的裝置.對于一個電解池我們更關(guān)心的是池內(nèi)發(fā)生什么反應，電極上生成什么物質(zhì)，所以電解池中的電極根據(jù)陰、陽離子的移動方向，劃分為陰極和陽極，陽離子移向陰極并在陰極上得電子發(fā)生還原反應，因此陰極與電源的負極相連；陰離子移向陽極并在陽極上失電子發(fā)生氧化反應，失去的電子通過外電路回到電源的正極.簡單地說，與電池正極相連的極是陽極，與電池負極相連的是陰極，陽極上發(fā)生氧化反應，陰極上發(fā)生還原反應.

例2 （2013年北京-9）用石墨電極電解CuCl2溶液（見右圖）.下列分析正確的是（ ）.

A.a端是直流電源的負極

B.通電使CuCl2發(fā)生電離

C.陽極上發(fā)生反應：Cu2++2e-Cu

D.通電一段時間后，在陰極附近觀察到黃綠色氣體

解析 電解過程中陽離子移向陰極，陰極與電源負極相連，故A正確.電解與電離是兩個不同的概念，電解質(zhì)只要溶于水就發(fā)生電離，而電解是在電流的作用下發(fā)生的氧化還原反應，B項錯.陽極上應發(fā)生失電子的氧化反應，C項錯.通電過程中Cl-移向陽極并放電生成氯氣，D也錯，本題應選A.

三、電極反應與總反應

電極上發(fā)生什么反應，寫出電極反應式和總反應式是高考電化學部分的重點.無論是原電池還是電解池電極上發(fā)生的反應都是“半反應”，總反應才是完整的氧化還原反應.判斷電極反應，只需記住“陽極氧化”即可，由陽極氧化，可知陰極還原，對原電池，電極分正、負，但從內(nèi)電路來看，正極是陰極，負極是陽極，則“陽極氧化”的判斷依據(jù)同樣適用.

原電池的負極或電解池的陽極如果是非惰性的金屬電極，則電極本身發(fā)生氧化，電解質(zhì)溶液中的陰離子不放電.原電池或電解池的總反應是兩個電極反應的總和，總反應式也是兩個電極反應式的加合，在加合過程中需調(diào)整化學計量數(shù)使氧化和還原過程中轉(zhuǎn)移電子數(shù)相等，以保持得失電子守恒.如果在電解質(zhì)溶液中還存在其它相關(guān)反應，那么這個反應也應包括在總反應方程式中，總之，通過加合可得總反應式，通過相減可得某一電極反應式.

例3 （2013年浙江-11）電解裝置如圖所示，電解槽內(nèi)裝有KI淀粉溶液，中間用陰離子交換膜隔開.在一定的電壓下通電，發(fā)現(xiàn)左側(cè)溶液變藍色，一段時間后藍色逐漸變淺.

已知：3I2+6OH-IO+5I-+3H2O

下列說法不正確的是（ ）.

A.右側(cè)發(fā)生的電極反應式：

2H2O+2e-H2+2OH-

B.電解結(jié)束時，右側(cè)溶液中含有IO-3

C.電解槽內(nèi)發(fā)生反應的總化學方程式：

KI+3H2O通電KIO3+3H2

D.如果用陽離子交換膜代替陰離子交換膜，電解槽內(nèi)發(fā)生的總化學反應不變

解析 左側(cè)變藍，說明左側(cè)生成I2，電極反應式為2I--2e-=I2……①，則左側(cè)Pt電極為陽極，右側(cè)為陰極，發(fā)生2H2O+2e-H2+2OH-……②，A項正確.陰極生成的OH-穿過交換膜向陽極移動，由“藍色變淺”知又發(fā)生了題干中的已知反應3I2+6OH-IO-3+5I-+3H2O……③生成IO-3，電極結(jié)束時IO-3可通過陰離子交換膜擴散至右側(cè)，故選項B正確.由①×3+②×3+③可得總反應式，C項也正確.若換用陽離子交換膜，則OH-不能通過交換膜抵達左側(cè)，反應③不能發(fā)生，電解槽中總反應肯定也會發(fā)生變化，D項錯誤，應選D.

四、新型電池

近些年來，高考時電化學的考查常采用信息給予題的形式，以新型電池為載體，這類試題情景新、陌生度高，要求考生有較高的心理素質(zhì)和較強的自學能力.事實上，這類試題的考點依然是電極名稱、電極反應和總反應等基礎知識，大部分試題起點雖高，落點并不高，只要認真審題，明確題意就不難作答.復習時應重在鞏固基礎知識和提高能力上，不可以也不應該采用擴大知識面，羅列各種新型電池的方法，因為高考命題貴在創(chuàng)新，不會照搬往年的試題.

例4 （2013年安徽-10）熱激活電池可用作火箭、導彈的工作電源.一種熱激電池的基本結(jié)構(gòu)如圖所示，其中作為電解質(zhì)的無水LiCl-KCl混合物熔融后，電池即可瞬間輸出電能.該反應的總反應為PbSO4+2LiCl+CaCaCl2+Li2SO4+Pb，下列有關(guān)說法正確的是（ ）.

A.正極反應式：

Ca+2Cl--2e-CaCl2

B.放電過程中，Li+向負極移動

C.每轉(zhuǎn)移0.1mol電子，理論上生成20.7 g Pb

第2篇

一、知識體系構(gòu)建

1.原電池、電解池、電鍍池的比較

原電池電解池電鍍池

定義把化學能轉(zhuǎn)化為電能的裝置把電能轉(zhuǎn)化為化學能的裝置應用電解原理在某些金屬表面鍍上一薄層其他金屬或合金的裝置

裝置舉例

形成條件①有兩個活潑性不同的電極。

②有電解質(zhì)溶液。

③電極間形成閉合回路（或在溶液中接觸）

①有外加電源及與之相連的兩個電極。

②有電解質(zhì)溶液(或熔化的電解質(zhì))。

③形成閉合回路

①鍍層金屬接電源正極，待鍍金屬接電源負極。

②電鍍液必須含有鍍層金屬離子（電鍍過程中濃度不變）

電極名稱負極：較活潑的金屬（電子流出的極）

正極：較不活潑的金屬（或能導電的非金屬）（電子流入的極）

陽極：與電源正極相連的電極

陰極：與電源負極相連的電極名稱與電解池相同，但有限制條件：陽極――鍍層金屬，陰極――待鍍金屬

電極反應負極：氧化反應

正極：還原反應

陽極：氧化反應

陰極：還原反應

陽極：金屬電極失電子溶解

陰極：電鍍液中的金屬陽離子得電子

電子流向

負極導線正極

電源負極導線陰極

電源正極導線陽極

與電解池相同

（1）同一原電池的正、負極的電極反應中得、失電子數(shù)相等；（2）同一電解池的陰、陽極的電極反應中得、失電子數(shù)相等；（3）串聯(lián)電路中的各個電極反應得、失電子數(shù)相等。這三個相等，既是寫電極反應式的依據(jù)之一，也是進行電化學計算的依據(jù)之一。

2.原電池的常見類型

根據(jù)電極材料活潑性和反應情況的不同，可將原電池分成不同類型。

（1）在金屬―金屬構(gòu)成的原電池中，相對活潑的金屬一般作負極，被氧化，生成金屬陽離子；相對不活潑的金屬一般作正極，溶液中的陽離子被還原（一般被還原為單質(zhì)）。

例如，電池ZnH2SO4Cu的反應式：

負極 Zn-2e-Zn2+

正極 2H++2e-H2

總反應 Zn+2H+Zn2++H2

（2）在金屬―非金屬構(gòu)成的原電池中，非金屬電極（如石墨），一般只起導電作用，故作正極；金屬電極作負極。

例如，電池FeH2SO4C的反應式：

負極 Fe-2e-Fe2+

正極 2H++2e-H2

總反應 Fe+2H+Fe2++H2

（3）在金屬―金屬氧化物構(gòu)成的原電池中，金屬氧化物中的金屬元素已是最高（或較高）價態(tài)，難被氧化，故作正極，并直接參與還原反應；金屬電極作負極。

例如，電池ZnKOHAg2O（銀鋅紐扣電池）的反應式：

負極 Zn+2OH--2e-ZnO+H2O

正極 Ag2O+H2O+2e-2Ag+2OH-

總反應 Zn+Ag2OZnO+2Ag

（4）用兩個惰性電極作為電極的燃料電池，通有還原性氣體的電極為負極，通有氧化性氣體的電極為正極。如氫氧燃料電池，其電極為可吸附氣體的惰性電極，如鉑電極、活性炭等，兩極分別通入H2和O2，以40%的KOH溶液為電解質(zhì)溶液，反應式為：

負極 2H2+4OH--4e-4H2O

正極 O2+2H2O+4e-4OH-

總反應 2H2+O22H2O

3.金屬的腐蝕和防護

（1）金屬的腐蝕

金屬的腐蝕分化學腐蝕和電化學腐蝕兩種。

化學腐蝕電化學腐蝕

定義金屬與接觸到的物質(zhì)直接發(fā)生化學反應而引起的腐蝕不純的金屬與電解質(zhì)溶液接觸時發(fā)生原電池反應而引起的腐蝕

條件金屬與非電解質(zhì)等直接接觸不純的金屬或合金與電解質(zhì)溶液接觸

電子得失金屬直接把電子轉(zhuǎn)移給有氧化性的物質(zhì)其中的活潑金屬將電子間接轉(zhuǎn)移給氧化性較強的物質(zhì)

現(xiàn)象無電流產(chǎn)生有微弱的電流產(chǎn)生

本質(zhì)金屬被氧化的過程較活潑金屬被氧化的過程

實例金屬與O2、Cl2等物質(zhì)直接反應鋼鐵在潮濕的空氣中被腐蝕

相互關(guān)系化學腐蝕與電化學腐蝕往往同時發(fā)生，但電化學腐蝕更為普遍，危害也更嚴重

（2）鋼鐵的電化學腐蝕原理

鋼鐵長時間在干燥空氣中不易腐蝕，但在潮濕的空氣里易被腐蝕。原因是鋼鐵表面會吸附一層水膜，這層水膜中含有少量的H+、OH-，還溶解了少量的CO2、O2等，即在鋼鐵表面形成了一層電解質(zhì)溶液，鐵和碳構(gòu)成了微原電池。

①吸氧腐蝕：此時電解質(zhì)溶液酸性較弱，呈中性或堿性。

負極 2Fe-4e-2Fe2+

正極 2H2O+O2+4e-4OH-

總反應 2H2O+O2+2Fe2Fe(OH)2

在空氣中，4Fe(OH)2+2H2O+O24Fe(OH)3，F(xiàn)e(OH)3失水而成鐵銹Fe2O3•xH2O。

②析氫腐蝕：此時電解質(zhì)溶液的酸性較強。

負極 Fe-2e-Fe2+

正極 2H++2e-H2

總反應 Fe+2H+Fe2++H2

一般情況下，鋼鐵的腐蝕以吸氧腐蝕為主，吸氧腐蝕和析氫腐蝕的主要區(qū)別在于正極反應。

（3）金屬的防護

金屬的腐蝕主要是電化學腐蝕中的吸氧腐蝕，只要減少形成原電池三個條件中的一個，就可防止原電池反應的發(fā)生。

①內(nèi)因：改變金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

②外因：采用適當方法將金屬與介質(zhì)（主要指電解質(zhì)溶液）隔離，如噴漆、涂油、電鍍、表面鈍化等。

③電化學保護法：如船體外殼嵌鋅，將鋼鐵外殼與鋅人為的構(gòu)成原電池，腐蝕鋅，保護船體。或外加電源，使被保護的金屬與電源的負極相連，成為陰極而被保護。

二、復習方法指導

通過氧化還原反應，實現(xiàn)化學能和電能的相互轉(zhuǎn)化，這就是電化學的基本原理。要復習好這部分內(nèi)容，應注意以下問題。

1.聯(lián)系氧化還原反應

能自發(fā)進行的氧化還原反應在理論上都能設計成原電池，電解是非自發(fā)的氧化還原反應；將氧化還原反應方程式拆成氧化反應和還原反應的兩個半反應就是電極反應，原電池的負極和電解池的陽極都發(fā)生氧化反應（負陽氧：諧音“沸羊羊”）；離子氧化性和還原性的強弱決定了電解時溶液中離子的放電順序；電子得失守恒規(guī)律是進行電化學計算的基本依據(jù)。

2.對比容易混淆的知識

準確理解概念是學好化學的基礎，本章有很多容易混淆的概念，需要對比復習。除了前面對比過的“三池”（原電池、電解池和電鍍池）、化學腐蝕和電化學腐蝕、析氫腐蝕和吸氧腐蝕外，還有很多可以進行對比的知識點。例如，氫氧燃料電池在不同性質(zhì)的電解質(zhì)條件下電極方程式的寫法，電解池在惰性電極下和非惰性電極下的放電規(guī)律，原電池和電解池的電極判斷和電極反應類型，等等。只有不斷進行對比，才可以澄清學習中的模糊認知，加深對知識的理解。

3.歸納重要規(guī)律或方法

善于總結(jié)一些實用的解題規(guī)律或方法，對于提高復習的效率至關(guān)重要。

（1）原電池、電解池和電鍍池的判斷規(guī)律

①若無外接電源，則可能是原電池，然后依據(jù)原電池的形成條件判定，主要思路是“三看”：

先看電極，兩種活潑性不同的金屬（或其中一種是非金屬導體）作電極。

再看溶液，在電解質(zhì)溶液中能自發(fā)地發(fā)生氧化還原反應。

后看回路，用導線連接的兩電極與電解質(zhì)溶液接觸并形成閉合回路。

②若有外接電源，兩極插入電解質(zhì)溶液中，則可能是電解池或電鍍池，若陽極金屬與電解質(zhì)溶液中的金屬離子相同則為電鍍池。

③若為無明顯外接電源的串聯(lián)電路，則利用題中信息，能找出發(fā)生自發(fā)氧化還原反應的裝置為原電池。

（2）酸、堿、鹽溶液的電解規(guī)律

用惰性電極電解酸、堿、鹽的溶液時，可按下列步驟進行分析。

通電之前找離子：分析電解質(zhì)溶液中有關(guān)物質(zhì)的電離過程（包括電解質(zhì)和水的電離），找出溶液中存在的所有離子。

通電之后四判斷：

①判斷離子的移動方向，陰離子移向陽極，陽離子移向陰極。

②判斷離子的放電能力。

陽極――金屬陽極＞S2-＞I-＞Br-＞Cl-＞OH-＞含氧酸根＞F-；

陰極――Ag+＞Hg2+＞Fe3+＞Cu2+＞H+＞Pb2+＞…。

③判斷電極反應，書寫電極反應式和總反應式。

④判斷電解結(jié)果，兩極現(xiàn)象、水的電離平衡結(jié)果、離子濃度、溶液的酸堿性、pH變化等。

酸、堿、鹽溶液的電解規(guī)律

類型電極反應特點實例電解對象電解質(zhì)濃度 pH電解質(zhì)溶液復原

電解水型陰極：2H++2e-H2

陽極：4OH--4e-2H2O+O2NaOH水增大增大加水

H2SO4水增大減小加水

Na2SO4水增大不變加水

分解電解質(zhì)型電解質(zhì)電離出的陰、陽離子分別在兩極放電HCl電解質(zhì)減小增大通HCl

CuCl2電解質(zhì)減小-加CuCl2

放氫生堿型陰極：H2O電離出的H+得電子，放出H2生成堿

陽極：電解質(zhì)的陰離子放電NaCl電解質(zhì)和水 生成新電解質(zhì)增大通入HCl

放氧生酸型陰極：電解質(zhì)的陽離子放電

陽極：H2O電離出的OH-失電子，放出O2生成酸CuSO4電解質(zhì)和水 生成新電解質(zhì)減小加CuO

（3）原電池電極反應式的書寫方法

①列物質(zhì)，標得失：按照負極發(fā)生氧化反應、正極發(fā)生還原反應，判斷出電極反應產(chǎn)物，標出得失電子的數(shù)量。

②看環(huán)境，配守恒：電極產(chǎn)物在電解質(zhì)溶液的環(huán)境中，應能穩(wěn)定存在，如堿性介質(zhì)中生成的H+應讓其結(jié)合OH-生成水。電極反應式要根據(jù)電荷守恒、質(zhì)量守恒、電子守恒等加以配平。

③兩式加，驗總式：將兩電極反應式相加，與總反應的離子方程式對照驗證。

（4）可充電電池的判斷方法

二次電池放電時相當于原電池，負極發(fā)生氧化反應，正極發(fā)生還原反應；充電時相當于電解池，放電時的正極變?yōu)殡娊獬氐年枠O，與外電源正極相連，負極變?yōu)殛帢O，與外電源負極相連。

（5）金屬腐蝕的快慢規(guī)律

①在同一電解質(zhì)溶液中，金屬腐蝕的快慢順序：電解原理引起的腐蝕＞原電池原理引起的腐蝕＞化學腐蝕＞有防腐措施的腐蝕。

②同一金屬在不同介質(zhì)中腐蝕由快到慢的順序：強電解質(zhì)溶液＞弱電解質(zhì)溶液＞非電解質(zhì)溶液。

③對于活動性不同的兩種金屬，活動性差別越大，氧化還原反應速率越快，活潑金屬腐蝕速率越快。

④對于同一電解質(zhì)溶液，電解質(zhì)溶液濃度越大，金屬腐蝕越快（鈍化除外）。

⑤純度越高的金屬，腐蝕的速率越慢（純金屬幾乎不被腐蝕）。

⑥不純的金屬或合金，在潮濕的空氣中腐蝕的速率遠大于在干燥、隔絕空氣條件下的腐蝕。

（6）電解計算的方法

有關(guān)電解的計算通常是求電解后某產(chǎn)物的質(zhì)量、氣體的體積、某元素的化合價以及溶液的pH、物質(zhì)的量濃度等。解答此類題的方法有兩種：一是根據(jù)電解方程式或電極反應式列比例式求解；二是利用各電極、線路中轉(zhuǎn)移的電子數(shù)目守恒列等式求解。利用電子守恒較為簡便，但需注意靈活運用。

三、易錯知識辨析

1.原電池的電極和電極反應

（1）從不同的角度分析，對原電池的電極類型可以有不同的理解：負極是較活潑的金屬，發(fā)生氧化反應的一極，電子豐富的一極，電子流出的一極，電流流入的一極，被腐蝕的一極；正極相應是較不活潑的金屬，發(fā)生還原反應的一極，電子貧乏的一極，電子流入的一極，電流流出的一極，被保護的一極。

（2）原電池正、負極的判斷基礎是自發(fā)進行的氧化還原反應，如果給出一個方程式判斷正、負極，可以直接根據(jù)化合價的升降來判斷。不管原電池的類型如何，不管電極是否參與反應，發(fā)生氧化反應的一極總是負極，發(fā)生還原反應的一極總是正極。把握了這一點，便可以做到以不變應萬變。

（3）判斷電極時，不能簡單地依據(jù)金屬的活潑性來判斷，要看反應的具體情況。例如，Al在強堿性溶液中比Mg更易失電子，Al作負極，Mg作正極；Fe、Al在濃硝酸中鈍化后，比Cu等金屬更難失電子，Cu等金屬作負極，F(xiàn)e、Al作正極。

（4）燃料電池和普通電池不同，必須使用輔助電極，電極本身不參與反應，所采用的燃料一般為H2、CH4、CH3OH、CO等，助燃劑一般為O2（或空氣）。

（5）原電池中正、負極的電極反應式作為一種特殊的離子方程式，對于強、弱電解質(zhì)的書寫形式，沒有嚴格的規(guī)定，但必須遵循原子守恒和電荷守恒規(guī)律。

2.電解原理及其應用

（1）用惰性電極電解飽和食鹽水時，Na+和水電離出的H+移向陰極，H+發(fā)生還原反應生成H2：2H++2e-H2，破壞了水的電離平衡（H2OH++OH-），導致陰極附近溶液中的c(OH-)＞c(H+)，溶液顯堿性。由此可見，電解前如果向溶液中滴入酚酞試液，電解時陰極附近的溶液先變紅。

（2）電解后要恢復原電解質(zhì)溶液的濃度，需加適量的某物質(zhì)。該物質(zhì)可以是陰極與陽極產(chǎn)物的化合物，如用惰性電極電解CuSO4溶液，要恢復原溶液的濃度，可向電解后的溶液中加入CuO，也可以加入CuCO3，但不能加入Cu(OH)2，因為Cu(OH)2與生成的H2SO4反應后使水量增加。

（3）粗銅中往往含有鋅、鐵、鎳、銀、金等多種金屬雜質(zhì)，當含雜質(zhì)的銅在陽極不斷溶解時，金屬活動性位于銅之前的金屬雜質(zhì)，如鋅、鐵、鎳等也會同時失去電子，但是它們的陽離子比銅離子難以還原，所以它們并不能在陰極析出，而只能以離子的形式留在電解液里；金屬活動性位于銅之后的銀、金等雜質(zhì)，因為失去電子的能力比銅弱，難以在陽極失去電子變成陽離子而溶解，所以當陽極的銅失去電子變成陽離子溶解之后，它們便以金屬單質(zhì)的形式沉積在電解槽底，形成陽極泥。由此可知，電解精煉時，陽極溶解銅的量大于陰極析出銅的量。

（4）可充電電池放電時作原電池，充電時作電解池，兩池的電極反應式正好相反，即電解池的陰極反應式對應于原電池的負極反應的逆反應式，電解池的陽極反應式對應于原電池正極反應的逆反應式，但電解池反應與原電池反應并不是相應的可逆反應。

四、考情分析預測

高考對電化學知識的考查，常見題型是選擇和填空。這部分的考點主要集中在如下幾個方面：（1）原電池、電解池、電鍍池的電極名稱及電極反應式；（2）新型電池的電極反應以及工作原理；（3）根據(jù)電解時的電極變化，判斷電極材料、電解質(zhì)的種類或如何使電解質(zhì)溶液復原；（4）有關(guān)電解產(chǎn)物的判斷和計算；（5）金屬的電化學腐蝕原理與防護；（6）電化學知識在能源、環(huán)保、物質(zhì)制備等方面的綜合應用。

受試卷含量的限制，化學考試越來越重視試題的綜合性。電化學內(nèi)容是進行綜合命題的重要素材，與之相關(guān)的綜合題預計在今后的高考中會有更多的體現(xiàn)。其常見綜合形式有：將原電池和電解池結(jié)合在一起，綜合考查化學反應中的能量變化和氧化還原反應等知識；將電化學內(nèi)容與無機推斷或化學實驗等進行綜合；以環(huán)境問題、物質(zhì)制備、新能源、新科技等為載體，考查電化學知識在生產(chǎn)、生活中的應用。

五、考試熱點例析

1.判斷裝置的類型

例1.某化學興趣小組的同學用下圖所示裝置研究電化學的問題。當閉合該裝置中的電鍵時，觀察到電流計的指針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。下列有關(guān)說法不正確的是（ ）

A.甲裝置是原電池，乙裝置是電解池

B.當甲中產(chǎn)生0.1mol氣體時，乙中析出固體的質(zhì)量為6.4g

C.實驗一段時間后，甲溶液的pH增大，乙溶液的pH減小

D.將乙中的C電極換成銅電極，則乙裝置可變成電鍍裝置

解析：Zn、Cu電極和稀硫酸溶液可構(gòu)成原電池，其中Zn是負極，Cu是正極；乙裝置是電解池，C為陰極，Pt為陽極。當甲中產(chǎn)生0.1molH2時，電路中通過0.2mol電子，乙中電解得到0.1molCu，質(zhì)量為6.4g。實驗一段時間后，甲溶液中的c(H+)減小，pH增大；乙溶液中的c(H+)增大，pH減小。乙中的C電極是陰極，將其換成銅電極，該裝置不是電鍍裝置。

答案：D

2.判斷電極和電極反應

例2.如圖，E為沾有Na2SO4溶液的濾紙，并加入幾滴酚酞。A、B分別為Pt片，壓在濾紙兩端，R、S為電池的電極。M、N是多微孔Ni的電極材料，它在堿溶液中可以視為惰性電極。G為電流計，K為開關(guān)。C、D和電解池中都充滿濃KOH溶液。若在濾紙中央點上一滴紫色的KMnO4溶液，K打開，接通電源一段時間后，C、D中有氣體產(chǎn)生。

（1）R為 （填“正”或“負”）極。

（2）A附近溶液的現(xiàn)象是 ，B附近發(fā)生的電極反應式為 。

（3）濾紙上的紫色點向哪方移動： （填“A”或“B”）。

（4）當C、D里的氣體產(chǎn)生到一定量時，切斷外電源并接通開關(guān)K，經(jīng)過一段時間，C、D中氣體逐漸減少，C中的電極為 （填“正”或“負”）極，電極反應式為 。

解析：電解KOH溶液就是電解水，兩極分別產(chǎn)生H2和O2，因為相同條件下產(chǎn)生H2的體積是O2體積的兩倍，所以C管中收集到的是H2，D管中收集到的是O2。

（1）H2是在陰極產(chǎn)生的，所以M是陰極，與之相連的R是電源的負極。

（2）B是電解池的陽極，A是電解池的陰極。電解Na2SO4溶液也是電解水，電解時H+移動到A極得電子被還原為H2，破壞了A極附近水的電離平衡，導致A極附近溶液顯堿性，使酚酞試液變紅。B極OH-被氧化，放出O2。

（3）KMnO4中，紫紅色的MnO-4向陽極移動。

（4）當C、D里的氣體產(chǎn)生到一定量時，切斷外電源并接通開關(guān)K，此時裝置變?yōu)槿剂想姵亍＝?jīng)過一段時間，C、D中氣體逐漸減少，H2和O2反應生成水，在堿性條件下，C中H2發(fā)生氧化反應。

答案：（1）負 （2）溶液變紅 4OH--4e-2H2O+O2 （3）B （4）負 2H2+4OH--4e-4H2O

3.書寫電極方程式

例3.燃料電池是一種效率高的新型電池，請根據(jù)要求回答下列問題。

（1）某種氫氧燃料電池的電解液為KOH溶液，該電池的正極反應式為 。

（2）一種燃料電池中發(fā)生化學反應：在酸性溶液中甲醇與氧作用生成水和二氧化碳。該電池負極發(fā)生的電極方程式為 。

（3）某燃料電池以CO為燃料，以空氣為氧化劑，以熔融態(tài)K2CO3為電解質(zhì)。寫出該燃料電池的總反應式、正極和負極的電極反應式： 。

（4）最近，科學家制造出一種使用固體電解質(zhì)的燃料電池，其效率很高。一個電極通入空氣，另一個電極通入汽油蒸汽。其中固體電解質(zhì)是摻雜了Y2O3（Y：釔）的ZrO2（Zr：鋯）固體，它在高溫下能傳導O2-（其中氧化反應發(fā)生完全）。

①以丁烷代表汽油，這類電池放電時，發(fā)生反應的化學方程式是 。

②這類電池正極的電極反應式是 ，負極的電極反應式是 ，向外電路輸出電子的電極是 。

③放電時，固體電解質(zhì)里的O2-向 （填“正”或“負”）極移動。

解析：燃料電池的電極只起導電作用，一般不參與電極反應。在負極上發(fā)生反應的氣體一定是可燃性氣體（H2、CH4、CO、CH3OH等），失電子發(fā)生氧化反應；在正極上發(fā)生反應的氣體是O2或空氣，得電子發(fā)生還原反應。書寫電極反應式時，一定要注意電解質(zhì)的性質(zhì)：電解質(zhì)溶液的酸堿性、固體電解質(zhì)能傳導的離子的種類等。

（1）因為該電池的電解液為KOH溶液，所以在正極O2被還原應生成OH-。

（2）原電池的負極發(fā)生氧化反應，該燃料電池負極通入的氣體應是CH3OH，電池的總反應式為2CH3OH+3O24H2O+2CO2；酸性條件下的正極反應式為O2+4e-+4H+2H2O，即3O2+12e-+12H+6H2O，將總反應式減去正極反應式消去O2即得負極反應式。

（3）該電池的總反應式為CO+12O2CO2，因為電解質(zhì)為熔融態(tài)K2CO3，所以電池中是K+和CO2-3導電，正極反應式為CO2+12O2+2e-CO2-3，用總反應式減去正極的電極反應式得到負極的電極反應式：CO+CO2-3-2e-2CO2。

（4）在固體電解質(zhì)燃料電池中，電解質(zhì)在高溫下能傳導O2-，所以O2被還原的產(chǎn)物為O2-，正極反應式為13O2+52e-26O2-；用總反應式減去正極反應式即得負極反應式。不管是哪種電池，負極總是向外電路輸出電子的一極，陰離子向負極移動。

答案：（1）O2+2H2O+4e-4OH- （2）CH3OH+H2O-6e-CO2+6H+ （3）正極：CO2+12O2+2e-CO2-3 負極：CO+CO2-3-2e-2CO2 總反應式：CO+12O2CO2 （4）①2C4H10+13O28CO2+10H2O ②13O2+52e-26O2- 2C4H10+26O2--52e-8CO2+10H2O 負 ③負

4.分析新型電池

例4.研究人員最近發(fā)現(xiàn)了一種“水”電池，這種電池能利用淡水與海水之間含鹽量的差別進行發(fā)電，在海水中電池的總反應可表示為5MnO2+2Ag+2NaClNa2Mn5O10+2AgCl。下列“水”電池在海水中放電時的有關(guān)說法正確的是（ ）

A.正極反應式：Ag+Cl--e-AgCl

B.每生成1molNa2Mn5O10轉(zhuǎn)移2mol電子

C.Na+不斷向“水”電池的負極移動

D.AgCl是還原產(chǎn)物

解析：由電池的總反應式可知，放電時銀失去電子，被氧化得到氧化產(chǎn)物，即銀作負極，產(chǎn)物AgCl是氧化產(chǎn)物，A、D都不正確；在原電池中，陽離子在正極得電子發(fā)生還原反應，所以陽離子向電池的正極移動，C錯誤；每生成1molNa2Mn5O10時消耗2molAg，轉(zhuǎn)移2mol電子，B項正確。

答案：B

5.二次電池的充放電

例5.Li―SO2電池具有輸出功率高和低溫性能好等特點。其電解質(zhì)是LiBr，溶劑是碳酸丙烯酯和乙腈，電池反應式為2Li+2SO2放電充電Li2S2O4，下列說法正確的是（ ）

A.該電池反應為可逆反應

B.放電時，Li+向負極移動

C.充電時，陰極反應式為Li++e-Li

D.該電池的電解質(zhì)溶液可以換成LiBr的水溶液

解析：該電池的放電反應和充電反應分別是在不同條件下發(fā)生的反應，不是可逆反應；放電時是原電池，Li+向正極移動；充電時是電解池，陰極發(fā)生還原反應，反應式為Li++e-Li；Li是較活潑金屬，能與水發(fā)生反應，因此電池的電解質(zhì)溶液不能換成LiBr的水溶液。

答案：C

6.電鍍和電冶原理

例6.以KCl和ZnCl2的混合液為電鍍液，在鐵制品上鍍鋅，下列說法正確的是（ ）

A.未通電前上述鍍鋅裝置可構(gòu)成原電池，電鍍過程是該原電池的充電過程

B.因部分電能轉(zhuǎn)化為熱能，電鍍時通過的電量與鋅的析出量無確定關(guān)系

C.電鍍時保持電流恒定，升高溫度不改變電解反應速率

D.鍍鋅層破損后對鐵制品會失去保護作用

解析：在鐵上鍍鋅時，鐵作陰極，鋅作陽極；未通電前可構(gòu)成原電池，此時鋅作負極失去電子，鐵作正極，而電鍍時鋅仍然失電子，A項錯誤。在氧化還原反應中必須滿足得失電子守恒規(guī)律，因此電鍍時通過的電量與鋅的析出量有確定關(guān)系，B項錯誤。電鍍時保持電流恒定，則導線中通過的電子速率是不變的，升高溫度不能改變電解反應速率，C項正確。鍍鋅層破損后，由于鋅比鐵活潑，所以即使發(fā)生電化學腐蝕也是鋅失去電子而保護了鐵，D項錯誤。

答案：C

7.電化學實驗探究

例7.某實驗小組利用飽和食鹽水、導線、直流電源（用“”或“”表示）、燒杯、靈敏電流計（用“”表示）和兩個電極棒（分別是M、N）進行電化學實驗設計和探究。

甲同學安裝好儀器，接好直流電源通電幾分鐘，發(fā)現(xiàn)M處溶液逐漸變淺綠色，過一段時間，溶液變得渾濁且逐漸出現(xiàn)紅棕色。

乙同學所用的儀器和甲同學的看上去相同，但接好直流電源通電幾秒鐘，卻聞到一股刺鼻的氣味，馬上停止通電。

丙同學安裝好儀器，線路閉合幾秒鐘后，卻沒有明顯現(xiàn)象產(chǎn)生，他又很快接入靈敏電流計，發(fā)現(xiàn)電流計的指針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。

請根據(jù)上述同學的實驗現(xiàn)象回答以下問題。

（1）M電極棒材料是 ，N電極棒材料是 （寫化學式）。

（2）在下列虛框內(nèi)完成對應三位同學的裝置圖。

（3）按下表要求寫出乙、丙兩位同學實驗過程中涉及的反應方程式。

要求乙丙

M電極方程式①④

N電極方程式②⑤

總反應方程式離子方程式③：化學方程式⑥：

（4）用化學方程式解釋，甲同學實驗時M處溶液出現(xiàn)渾濁后轉(zhuǎn)為紅棕色的原因： 。

（5）丙同學為了保護M電極不被腐蝕，他可以將N電極棒更換為 （寫化學式）。為驗證該防護方法有效，他又做下列對比實驗：接通電路2分鐘后，分別在M電極區(qū)滴入幾滴NaOH溶液，發(fā)現(xiàn)沒有更換N電極棒的燒杯中的現(xiàn)象是 。他還可選用的檢驗試劑是 。

解析：本題綜合考查原電池、電解池、金屬的腐蝕與防護等知識，根據(jù)實驗現(xiàn)象正確判斷電極類型和電極反應是解題的關(guān)鍵。

（1）從甲同學的實驗現(xiàn)象看，M電極是鐵，電解時鐵被氧化，即M電極是陽極；乙同學的實驗中得到的氣體是Cl2，被氧化的是Cl-，則陽極N是惰性電極。

（2）甲實驗中M電極作陽極，連在直流電源的正極上；乙實驗中M電極作陰極，連在直流電源的負極上；丙實驗不是電解，但實驗中產(chǎn)生了電流，所以丙裝置是原電池，接入電流表即可。

（3）乙實驗是用惰性電極電解飽和食鹽水，丙實驗的反應原理相當于是鐵的吸氧腐蝕。

（4）甲實驗中發(fā)生電極反應：Fe-2e-Fe2+（陽極），2H++2e-H2（陰極），總反應式為Fe+2H2O電解Fe(OH)2+H2。Fe(OH)2很不穩(wěn)定，易被空氣中的氧氣氧化為紅褐色的Fe(OH)3：4Fe(OH)2+O2+2H2O4Fe(OH)3。

（5）要使M電極不被腐蝕，應將N電極換成比鐵活潑的金屬。沒有更換N電極棒的燒杯中，F(xiàn)e被氧化為Fe2+，只要加入能與Fe2+反應且產(chǎn)生明顯實驗現(xiàn)象的物質(zhì)，都能達到檢驗出Fe2+的要求。

答案：（1）Fe C（或Pt等惰性電極） （2） （3）①2H++2e-H2 ②2Cl--2e-Cl2 ③2Cl-+2H2O電解Cl2+H2+2OH- ④Fe-2e-Fe2+ ⑤O2+2H2O+4e-4OH- ⑥2Fe+O2+2H2O2Fe(OH)2 （4）4Fe(OH)2+O2+2H2O4Fe(OH)3 （5）Zn（合理即可） 溶液中產(chǎn)生白色沉淀，沉淀隨即變成灰綠色，最后變成紅褐色 酸性KMnO4溶液（或KSCN溶液和氯水）

8.電化學知識綜合運用

例8.電浮選凝聚法是工業(yè)上采用的一種污水處理方法：保持污水的pH在5.0～6.0之間，通過電解生成Fe(OH)3沉淀。Fe(OH)3有吸附性，可吸附污物而沉積下來，具有凈化水的作用。陰極產(chǎn)生的氣泡把污水中的懸浮物帶到水面形成浮渣層，刮去（或撇掉）浮渣層，即起到浮選凈化的作用。某科研小組用電浮選凝聚法處理污水，設計裝置圖如下：

（1）實驗時若污水中離子濃度較小，導電能力較差，產(chǎn)生氣泡速率緩慢，無法使懸浮物形成浮渣。此時，應向污水中加入適量的 。

a.H2SO4b.BaSO4

c.Na2SO4d.NaOH

e.CH3CH2OH

（2）電解池陽極的電極反應分別是① ，②4OH--4e-2H2O+O2。

（3）電極反應①和②的生成物反應得到Fe(OH)3沉淀的離子方程式是 。

（4）熔融鹽燃料電池是以熔融碳酸鹽為電解質(zhì)，以CH4為燃料，空氣為氧化劑，稀土金屬材料為電極。已知負極的電極反應式是CH4+4CO2-3-8e-5CO2+2H2O。

①正極的電極反應式是 。

②為了使該燃料電池長時間穩(wěn)定運行，電池的電解質(zhì)組成應保持穩(wěn)定。為此，電池工作時必須有部分A物質(zhì)參加循環(huán)。則A物質(zhì)是 （用化學式表示）。

（5）實驗過程中，若在陰極產(chǎn)生了44.8L（標準狀況）氣體，則熔融鹽燃料電池消耗CH4（標準狀況） L。

解析：（1）酸與電極發(fā)生反應，NaOH溶液與電極鋁發(fā)生反應，BaSO4難溶于水，乙醇是非電解質(zhì)，都不宜加入。加入Na2SO4可增強溶液的導電能力，電解Na2SO4溶液即是電解水。

（2）陽極是鐵，電解時鐵被氧化為Fe2+；陰極水電離產(chǎn)生的H+放電生成H2和OH-。

（3）Fe2+與OH-反應生成的Fe(OH)2沉淀被氧氣氧化為Fe(OH)3。

（4）此燃料電池的總反應式為CH4+2O2CO2+2H2O，用總反應式減去負極反應式即得正極反應式。參加循環(huán)的A物質(zhì)是CO2。

第3篇

一、備考前提――梳理基本問題

每一類的化學試題都有一些基本的問題，梳理并熟悉其中的基本問題是解答試題的前提。我們通過研究電化學試題發(fā)現(xiàn)其中的最基本問題主要有如下四類。

第一類：判斷正極、負極、陰極、陽極

判斷電池中的正極、負極和判斷電解池中的陰極、陽極，是電化學試題中最重要的基本問題。一般有以下一些判斷依據(jù)：

（1）根據(jù)反應物的還原性、氧化性判斷。電池的負極上是還原劑發(fā)生還原反應，正極上是氧化劑發(fā)生還原反應。（2）根據(jù)反應產(chǎn)物判斷。電解池中，陰極上發(fā)生還原反應生成還原產(chǎn)物，陽極上發(fā)生氧反應生成氧化產(chǎn)物。電池中也可以根據(jù)反應產(chǎn)物判斷，負極上發(fā)生氧化反應生成氧化產(chǎn)物，正極上發(fā)生還原反應生成還原產(chǎn)物。（3）根據(jù)裝置圖中標示的電子流動方向判斷。這時要注意分清是“電流方向”還是“電子移動方向”，不要大意失荊州。也可以根據(jù)裝置圖中離子遷移方向或透過離子交換膜的離子種類和方向來判斷正負極、陰陽極。（4）根據(jù)相連接電池（或電解池）判斷。在電池與電解池相連接的裝置中，可根據(jù)外電源的負極、正極判斷電解池中的陰極或陽極

第二類：書寫（或判斷）電極反應式

電化學的試題，必定要書寫電極反應式，因為電極反應式是分析電池、電解池的基礎。考生復習電化學內(nèi)容時，在熟記書寫電極反應式的基本規(guī)則基礎上，要提高書寫馱擁緙反應式的書寫能力。

根據(jù)反應物（氧化劑、還原劑）書寫電極反應式。從本質(zhì)上看，電極反應式跟氧化劑、還原劑、氧化產(chǎn)物、還原產(chǎn)物有如下聯(lián)系：

陽極（包括電池中負極）：還原劑-ne- =氧化產(chǎn)物；陰極（包括電池中正極）：氧化劑+ ne- =還原產(chǎn)物。

根據(jù)氧化還原反應的方程式書寫電極反應式時，若是先判斷清楚其中的氧化劑、還原劑、氧化產(chǎn)物、還原產(chǎn)物，就不會寫錯。另外，同一電池（或同一電解池）中的兩個電極反應式，相加后可以得到總反應的化學方程式。

（2）蓄電池中，可根據(jù)充電時電極反應式書寫放電時的電極反應式，或根據(jù)放電時的電極反應式書寫充電時的電極反應式。

（3）掌握水溶液（酸性、堿性、中性）中的電極反應式配平技巧。在酸性溶液中，不要在電極反應式中出現(xiàn)OH-離子，要用H2O、H+來配平；在堿性溶液中，不要在電極反應式中出現(xiàn)H+離子，要用H2O、OH-來配平；在中性溶液中，一般不在反應物中出現(xiàn)H+離子或OH-離子，但可根據(jù)情況在產(chǎn)物中出現(xiàn)OH-離子或H+離子。

（4）根據(jù)題給信息，書寫并配非水體系中的電極反應。如，在固體氧化物作電解質(zhì)時，可以用O2-離子來配平，在熔融碳酸鹽作電解質(zhì)時可以用CO2、CO32-等粒子來配平。

第三類：判斷電子、離子移動方向

電池、電解池工作時，在電極上的氧化反應、還原反應的帶動下，電極和外電路上必定有電子定向移動，內(nèi)部的電解質(zhì)中必定有離子發(fā)生定向移動，形成電荷傳遞的閉合回路，這是電池、電解池工作時的基本特征。在電化學相關(guān)的試題中，判斷離子定向移動方向是考查頻度較高的一類基本問題。解答時要注意以下幾點：

（1）電池內(nèi)部，陰離子要向負極做定向移動，陽離子要向正極定向移動。

（2）除了電極反應帶動離子定向移動，在電池、電解池內(nèi)部還存在由于濃度因素使離子擴散移動，所以不同離子定向移動情況差異較大。一般情況下，在電極上參加反應的離子、電極反應過程新生成的離子，移動比較明顯，其他離子移動不一定會有明顯移動。如在銅、鋅、稀硫酸構(gòu)成的原電池中，H+、Zn2+離子移動比較明顯。

（3）判斷離子定向移動時，要注意裝置中離子交換膜的影響，特別注意區(qū)分各種離子交換膜（如，陰離子交換膜、陽離子交換膜、質(zhì)子交換膜等）存在時離子移動的特征。

第四類：分析氧化還原反應特征

從本質(zhì)上看，電池、電解池問題是氧化還原反應的具體表現(xiàn)形式，所以高考試題常常會以電池、電解池為載體來考查氧化還原反應的一些基本特征。常見有：

（1）分析判斷電池、電解池中氧化還原反應的能量轉(zhuǎn)化特征。要熟悉電池、電解池中發(fā)生氧化還原反應時的能量轉(zhuǎn)化類型；要學會分析同一氧化還原反應，設計不同的電池時，能量轉(zhuǎn)化效率的高低等，一般在有鹽橋的原電池中，由于氧化劑跟還原劑不能直接接觸反應，化學能轉(zhuǎn)化為電能的效率高。

（2）分析判斷相關(guān)氧化還原反應的反應條件、電子轉(zhuǎn)移方向和數(shù)目、反應現(xiàn)象，也可以考查質(zhì)量守恒定律、電池材料回收，分析解決這些問題都要分析氧化還原反應特征，運用氧化還原規(guī)律。

二、備考策略――跳過解題障礙

研究電化學問題的認識模型可以從三個認識角度來分析：即原理維度、裝置維度和任務維度。如下圖所示。

解決電化學問題時犯錯誤的原因主要有以下兩個方面：

第一，遇到實際問題找不到有效的認識角度，上圖有助于同學們形成分析研究電化學問題的認識角度。如，電極反應式書寫、電極產(chǎn)物判斷、電解或電池現(xiàn)象預測等都需要從電化學和氧化還原反應原理入手；正負極判斷、陰陽極判斷、電子和離子遷移方向判斷、鹽橋及離子交換膜功能分析等，需要將裝置維度和原理維度結(jié)合起來研究；分析電池或電解池中的相關(guān)問題、與設計原電池或設計電解池等，從任務維度上看是完全不同的，后者難度更高，需要在高三總復習中突破。

第二，遇到陌生的、較難的問題時，不能用聯(lián)系的觀點對具體問題進行系統(tǒng)分析。一般來說，解決跟電化學相關(guān)的具體問題時，電極反應式是關(guān)鍵，要注意研究電極反應與裝置內(nèi)部導電材料（電解質(zhì)溶液、固體導體、離子交換膜）之間的聯(lián)系、電極反應與電極材料之間的聯(lián)系、電極反應與氧化還原反應的聯(lián)系、電極反應與導電回路的聯(lián)系等，弄清了這些聯(lián)系才有解決復雜問題的基礎。

三、提分集訓――針對模擬練習

1.新情境下分析型試題

命題者通常會利用新信息來編制新情境試題，考查考生在新情境中分析和解決問題的能力。在生產(chǎn)和研究中，新電池、新電解裝置很多，所以每年的高考電化學試題中都會涉及一些平時沒見過的新電池、新電解裝置，運用已學過的電化學原理解決新電池、新電解池裝置的相關(guān)問題是平時練習的重點。

【例1】已知H2O2是一種弱酸，在強堿性溶液中主要以HO2-形式 存在。目前研究比較熱門的Al-H2O2燃料電池，其原理如下圖，電池總反應：2Al+3HO2-+3H2O=2[Al（OH） 4]-+OH-

（1）正極反應式為 。

（2）與普通鋅錳干電池相比，消耗相同質(zhì)量的負極活性物質(zhì)時，Al-H2O2燃料電池的理論放電量約為普通鋅錳干電池的_____倍。

（3）Al電極易被NaOH溶液化學腐蝕，這是該電池目前未能推廣使用的原因之一。反應的離子方程式為 。

【解析】這里要求用已學過的原電池原理、氧化還原反應原理來分析陌生的“Al-H2O2燃料電池”，在分析過程中要特別注意題中給出的總反應、電池裝置等信息。

（1）電池中正極是氧化劑發(fā)生還原反應，分析}目給的總反應式可知起氧化劑作用是HO2-，反應后生成OH-，電極反應式為HO2-+2e-+H2O= 3OH-。

（2）普通鋅錳干電池中負極活性物質(zhì)是Zn，Al-H2O2燃料電池中負極活性物質(zhì)是Al，65g Zn可放出2 mol e-，27g Al可放出3 mol e-，換算后可知消耗相同質(zhì)量的鋅、鋁時，Al-H2O2燃料電池的理論放電量約為普通鋅錳干電池的3.6倍。

（3）鋁易直接跟氫氧化鈉反應，先把反應物和生成物列出來，應用電子守恒定律配平離子方程式，看是否需要加水，加幾個水。

【答案】（1）HO2-+2e-+H2O=3OH- （2）3.6

（3）2Al+6H2O+2OH- = 2Al（OH）4-+3H2

2.復雜情境下的綜合設計題

試題情境越復雜，解答難度越大。提升解決復雜情境下綜合試題是復習中需要突破的難點，復習練習中要在這類試題上多下功夫。

【例2】霧霾含有大量的污染物SO2、NO。工業(yè)上變“廢”為寶，吸收工業(yè)尾氣SO2和NO，可獲得Na2S2O4和NH4NO3產(chǎn)品的流程圖如下（Ce為鈰元素）：

（1）裝置Ⅰ中的主要離子方程式為 。

（2）含硫微粒（H2SO3、HSO3-和SO32-）存在于SO2與NaOH溶液反應后的溶液中，它們的物質(zhì)的量分數(shù)X（i）與溶液pH 的關(guān)系如圖所示。

①若是0.1molNaOH反應后的溶液，測得溶液的pH=8時，溶液中個離子由大到小的順序是 。

②向pH=5的NaHSO3溶液中滴加一定濃度的CaCl2溶液，溶液中出現(xiàn)渾濁，pH降為2，用化學平衡移動原理解釋溶液pH降低的原因：

。

（3）寫出裝置Ⅱ中，酸性條件下的離子方程式：

。[

（4）裝置Ⅲ還可以使Ce4+再生，其原理如下圖所示。

①生成Ce4+從電解槽的 （填字母序號）口流出。

②寫出與陰極的反應式 。

（5）已知進入裝置Ⅳ的溶液中，NO2-的濃度為a g?L-1，要使1 m3該溶液中的NO2-完全轉(zhuǎn)化為NH4NO3，需至少向裝置Ⅳ中通入標準狀況下的O2 L。（用含a代數(shù)式表示，計算結(jié)果保留整數(shù)）

【解析】第（4）小題是在化學原理綜合的大背景下考查了電解原理，可看作是給定目的下設計型任務題，即設計一個完成“Ce4+再生，即將Ce3+轉(zhuǎn)化為Ce4+”任務的電解裝置。由于Ce3+ Ce4+過程發(fā)生的氧化反應，必須在陽極發(fā)生，所以原料（含Ce3+離子的溶液）應加在陽極區(qū)。電解池中，H+等陽離子由陽極區(qū)向陰極區(qū)遷移，由此可判斷圖中左邊是陽極區(qū)，含Ce3+離子的溶液從b處加入，從a處流出含Ce4+的再生液。

第4篇

原電池部分 原電池反應都是自發(fā)的進行氧化還原反應

1、電極名稱：只要是直流電源，電極名稱是正、負極（不管是教材中的原電池，還是實際生活中應用的電源）。

2、外電路的電子移動方向：（以Cu-Zn原電池原理為例子理解）從負極出發(fā)到正極。導致正極表面有大量的電子（負電荷），而使電解質(zhì)溶液中的溶液中帶正電和的陽離子向正極移動，陰離子向負極移動。原電池內(nèi)部離子的移動：因是正極表面由負極沿外接導線傳遞過來的電子，所以電解質(zhì)中的陽離子受正負電荷吸引只能向正極移動，陰離子向陽極移動。

3、原電池的正、負極的判斷與我們常說的金屬活潑性沒有必然的聯(lián)系，這里所說“金屬活潑性強是“負極”中的“活潑性”，我們應這樣理解：電極材料在指定電解質(zhì)中的活潑性。如：鎂、鋁單質(zhì)材料為電極，電解質(zhì)為NaOH液構(gòu)成原電池時，就是鋁電極做負極；鐵、銅材料為電極，濃HNO3為電解液構(gòu)成原電池時，也不能武斷的判斷Fe為負極。（原電池的正負極，其實就是：誰提供電子誰就是負極，引伸到燃料電池，就是：充燃料的一極為負極，因燃料是還原劑，提供電子。）

4、原電池的兩個電極本身變化：①一個電極消耗，一個不消耗，如：教材上的Cu-Zn稀硫酸原電池。②兩個電極都消耗，如：生活中的鉛蓄電池。③兩個電極都不消耗，如：燃料電池。

5、書寫電極反應方程式時：①產(chǎn)物要符合實際，如：電解質(zhì)是酸的，不能在方程式中有OH-出現(xiàn)；電解質(zhì)是堿的，不能有H+出現(xiàn)在電極反應方程式中，是CH4燃料電池也不能出現(xiàn)CO2形式。②如果兩個電極反應方程式都要求寫出時，一般說兩個式中的電子數(shù)目要相等；大多數(shù)原電池是一個電極消耗某粒子，另一極就生成該粒子，但不具代表性，如Cu-Zn原電池就不是。

6、若原電池的電解液是中性或堿性，大都是發(fā)生吸氧的電化學腐蝕原理。

電解原理部分 所有因電解發(fā)生的反應，是依靠外接電源強制發(fā)生的氧化還原反應

1、教材中的電解知識，一般是學習電解相應的電解質(zhì)的水溶液，制取像NaOH等許多化工原料、精煉必要的一些金屬。也有少量工業(yè)討論電解熔融的電解質(zhì)，如電解法制取自然界不存在的如Na、K、Al、Mg、F2等單質(zhì)。

2、電解的裝置叫電解池，與電源正極相連的一極叫陽極，與電池負極相連的一極叫陰極。

3、兩個電極材料的選擇一般有兩類：惰性電極、活性電極。惰性電極常有石墨電極和鉑電極，在電解時電極本身不發(fā)生變化，但有可能陰極表面沉積金屬會使它增重。除惰性電極外，都是活性電極，在電解的過程中，陽極材料都參與反應，被外接電源的正極奪走電子變成金屬陽離子，進入溶液（注意：常見的Fe作陽極材料時，是變成Fe2+離子進入溶液的，不是說電源正既然有很強的奪電子能力，而會變成Fe3+，因為是水溶液，涉及到“電極電勢”知識）。

4、電解過程中電解質(zhì)和溶劑的變化：①僅消耗電解質(zhì)，如電解氯化銅溶液，陰極析出銅單質(zhì)，陽極放出氯氣（即：活動性較差的金屬陽離子的非含氧酸鹽） ②電解質(zhì)和溶劑水都消耗，如：電解硫酸銅溶液，陰極析出銅單質(zhì)，陽極是水電離出的OH-放電生成氧氣（即：活動性較強的金屬陽離子的含氧酸鹽）③僅消耗溶劑，如電解H2SO4 、NaOH等含氧酸鹽、強堿。

5、溶液中離子的移動方向：而電解池的陰極是與外接電源的負極相接的，所以通俗的說就是陰極帶負電，只有溶液中的陽離子向它移動，能放電的離子在這里發(fā)生反應，陰離子向陽極移動，至發(fā)生氧化反應。

第5篇

關(guān)鍵詞：兩電極 電化學 CO傳感器

0 引言

CO作為大氣污染物的主要物質(zhì)之一，是環(huán)境監(jiān)測控制的重點。隨著城市能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整及變化，城市煤氣已進入千家萬戶，以其清潔、方便的特點迅速普及。但由于使用不當或器具不合格，或其他因素造成泄漏，使得CO泄出后造成人員中毒事故時有發(fā)生；燃煤及燃氣熱水器不充分燃燒造成CO的聚集而導致居家人員中毒傷亡也不少見；在工業(yè)領(lǐng)域，CO氣體的生產(chǎn)、制造、應用等也需控制其濃度范圍；在采礦行業(yè)，地下礦井的CO氣體也需要檢測報警。在環(huán)保方面汽車尾氣檢測CO也日益重視起來。兩電極電化學式CO傳感器功耗低、體積小、靈敏度高、線性范圍寬，并具有抗干擾能力強、重現(xiàn)性好、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，是一種廣泛適合工業(yè)及民用領(lǐng)域的電化學式傳感器。

1 傳感器的結(jié)構(gòu)

電化學傳感器有兩電極和三電極結(jié)構(gòu)，主要區(qū)別在于有無參比電極。兩電極CO傳感器沒有參比電極，結(jié)構(gòu)簡單，易于設計和制造，成本較低適用于低濃度CO的檢測和報警；三電極CO傳感器引入?yún)⒈入姌O，使傳感器具有較大的量程和良好的精度，但參比電極的引入增加了制造工序和材料成本，所以三電極CO傳感器的價格遠高于兩電極CO傳感器，主要用于工業(yè)領(lǐng)域。針對當前我國對廉價民用CO報警器的迫切需求，我們選擇了兩電極CO傳感器的整體設計方案。兩電極電化學CO傳感器主要由電極、電解液、電解液的保持材料、除去干涉氣體的過濾材料、管腳等零部件組成。電化學式傳感器的代表性構(gòu)造

2 主要材料的選擇

2.1 電解質(zhì) 電解質(zhì)是電化學傳感器電極間的導體，是構(gòu)成電池的重要成分。電化學CO傳感器按照電解質(zhì)狀態(tài)可分為液體電解質(zhì)型、半固態(tài)電解質(zhì)型和固體電解質(zhì)型。由于液體電解質(zhì)易于泄漏和揮發(fā)，嚴重影響了傳感器的使用壽命，所以目前很少使用。半固態(tài)電解質(zhì)是介于液態(tài)和固態(tài)電解質(zhì)之間的電解質(zhì)，是將一種親水性的多孔材料(或稱為燈芯材料)浸泡在硫酸中來形成的，這就要求該材料有很好的耐酸腐蝕性質(zhì)，如聚苯乙烯磺酸膜、玻璃纖維膜等。而固體電解質(zhì)型電解質(zhì)代表了傳感器的發(fā)展的方向。電化學固態(tài)聚合物電解質(zhì)型CO傳感器以聚合物中的官能基來傳導離子，由于能在室溫下工作，并且聚合物可按照設計需要通過化學反應進行改性，便于加工。經(jīng)比較，固態(tài)聚合物電解質(zhì)型結(jié)構(gòu)性能更好，更易于制得高性能特別是高壽命的傳感器。通過試驗研究，我們最終選擇了Nafion固態(tài)聚合物電解質(zhì)作為兩電極電化學CO傳感器的電解質(zhì)。為了克服Nafion固體電解質(zhì)電化學傳感器在使用時易受外界濕度干擾、影響使用壽命的缺點，在傳感器中設計了主要用玻璃纖維作為吸收材料填充少量液體電解質(zhì)的儲存室，使液體電解質(zhì)不易流動并提供充分的溶脹空間，該結(jié)構(gòu)使傳感器內(nèi)部形成穩(wěn)定的氛圍，可以緩沖外界的變化，從而保證Nafion膜傳感器相對穩(wěn)定的工作狀態(tài)，這樣克服了純固體電解質(zhì)易受環(huán)境影響的缺點，大大提高了傳感器的可靠性。

2.2 過濾材料 傳感器的過濾材料能夠濾除對電極有毒害作用的污染物，其過濾能力對傳感器的使用壽命有重要影響。傳統(tǒng)的做法是使用活性炭粉末材料，但是由于活性炭的粗裝密度小，少量的活性炭難以起到作用，這也是傳統(tǒng)的電化學傳感器使用壽命短的主要原因；但是增加活性炭用量，又會使傳感器的體積變得臃腫，不利于安裝在探測器中。針對這個問題，我們采用了近年來新興的活性碳纖維材料。因為活性炭纖維其表面遍布微孔，以及可經(jīng)二次加工，成為不同形態(tài)的氈及布狀的材料，與傳統(tǒng)的顆粒炭相比，具有較快的吸附、脫附的速度和更便利的操作維護等優(yōu)點，該材料對有機氣體及惡臭物質(zhì)（如正丁基硫醇等）吸附量比粒狀活性炭（GAC）大幾倍至幾十倍，對無機氣體也有很好的吸附能力，減小了過濾材料的用量，并且易于集成于傳感器中。 轉(zhuǎn)貼于

2.3 電極材料 CO傳感器的電極主要材料包括催化劑和基體材料。催化劑能加速氣體的反應，電極上載有對CO催化反應活性高的由鉑、釕、鎳等金屬微粒組成的催化劑，這些金屬作為電化學反應的催化劑可加速化學反應而本身無變化。在常見國外的CO傳感器中，鉑由于催化活性高而被廣泛使用，本項目也用鉑作為指示電極和對電極的催化劑。電極基體材料的選擇主要考慮材料的化學惰性，不與電解質(zhì)和實際應用中可能接觸的化學物質(zhì)反應；同時本傳感器中的電極是氣體擴散電極，基體材料要制備成多孔結(jié)構(gòu)，所選材料應易于制備多孔薄膜；此外基體材料最好具備憎水性以防止水蒸氣在孔洞中凝結(jié)影響傳感器的正常工作。在上述條件限定下我們最終選擇化學惰性極佳、且具憎水性的聚四氟乙烯（PTFE）作為電極的基體材料。

3 內(nèi)封裝工藝

鉑絲與電極插腳結(jié)合的部位是電解液泄漏的一個原因，該部位易受電解質(zhì)溶液的腐蝕導致漏液和在傳感器內(nèi)引入其它金屬離子而影響使用性能。一般的方法是在電極插腳上用電鍍或化學鍍方法制備惰性薄膜，或使用導電塑料進行連接，這些方法增加了制備工藝的難度，我們通過簡單的內(nèi)封裝工藝解決了這個問題。內(nèi)封裝工藝就是通過在鉑絲與電極插腳結(jié)合的部位澆注一薄層耐酸樹脂，該樹脂封裝至少6mm的鉑絲，實驗表明這樣的處理能使電解質(zhì)液無法到達電極插腳端頭，有效防止漏液。

4 兩電極電化學CO傳感器濃度特性曲線

研制的CO傳感器靈敏度高，線性好，其輸出特性完全能夠滿足檢測儀器的設計要求

第6篇

通過幾年的觀察分析，我們發(fā)現(xiàn)我校化學工程與工藝（電化學）專業(yè)實驗教學中主要存在以下幾方面的問題。

1.實驗內(nèi)容設置不合理。原有的實驗體系已沿用了近十年，有些實驗內(nèi)容如鉛酸電池、鎘鎳電池方面的內(nèi)容明顯落后于現(xiàn)在電化學學科的發(fā)展，原有的實驗內(nèi)容已無法滿足現(xiàn)在的人才培養(yǎng)需要。近些年，隨著電化學領(lǐng)域的不斷發(fā)展，一些新的實驗方法、實驗技術(shù)及新的電化學體系不斷涌現(xiàn)，這些內(nèi)容代表了電化學學科的發(fā)展趨勢和發(fā)展方向，急需補充到現(xiàn)有實驗教學內(nèi)容中，從而提高實驗教學的質(zhì)量。

2.實驗教學方法不利于發(fā)揮學生的主觀能動性。傳統(tǒng)實驗教學往往以指導教師的講授為主，講授的要點主要根據(jù)實驗講義的內(nèi)容而定。實驗講義上每個實驗基本都有完整的實驗目的、實驗原理、操作步驟和數(shù)據(jù)分析處理等內(nèi)容。教師主要講解實驗原理和操作步驟及數(shù)據(jù)的分析處理，學生根據(jù)實驗講義上給出的實驗步驟和數(shù)據(jù)分析方法去完成實驗。在整個實驗過程中，學生很少有獨立思考的空間，他們只能按照實驗講義中給出的實驗方案進行實驗，也就是說學生變成了實驗方案的執(zhí)行者，而不是實驗方案的制訂者或參與者，這不利于發(fā)揮學生的主觀能動性和積極性。

3.實驗考核方式不夠科學。以往學生實驗成績主要根據(jù)實驗報告的情況來決定，具體包括兩部分：一是實驗報告內(nèi)容的完整性，包括實驗目的、實驗原理、實驗步驟和數(shù)據(jù)處理等項目是否完整，實驗參數(shù)是否準確；另一方面是實驗的數(shù)據(jù)是否準確可靠，數(shù)據(jù)處理方法是否正確。這種考核方式只是根據(jù)實驗報告提供的信息進行成績的評定，而對實驗過程中學生分析解決問題的能力、實驗操作的能力沒有進行考慮。這使得成績的評定缺乏全面性和科學性。

二、專業(yè)實驗教學過程中的一些改革與探索

針對上述實驗教學中存在的問題，我們做了以下幾方面的改革與探索。

1.實驗內(nèi)容的改革。實驗內(nèi)容是影響實驗教學效果的決定性因素。專業(yè)實驗教學必須結(jié)合專業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，將學科的研究熱點和教師的科研成果引入實驗教學，這一方面體現(xiàn)在實驗技術(shù)、實驗方法的改進方面，另一方面體現(xiàn)在實驗教學內(nèi)容的更新方面。這樣才能使學生在本科實驗教學階段接觸到專業(yè)前沿領(lǐng)域，了解專業(yè)研究熱點，掌握專業(yè)最新的研究方法和研究成果。將先進的實驗內(nèi)容引入實驗教學有利于學生綜合素質(zhì)的提高，為其在今后的工作、學習和深造過程中盡快進入角色奠定堅實的專業(yè)基礎。實驗內(nèi)容的設立應考慮以下幾方面的因素。基本的實驗知識和技能的培養(yǎng)，專業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢的了解，實驗室軟硬件的狀況，經(jīng)費情況等。實驗內(nèi)容的設立還應體現(xiàn)我校化學工程與工藝（電化學）專業(yè)的特色，即化學電源和表面處理領(lǐng)域的工程化。基于以上幾方面的考慮，我校化學工程與工藝（電化學）專業(yè)實驗包括以下幾方面的內(nèi)容：方波電流法、方波電位法、循環(huán)伏安法、線性電位掃描法、電化學阻抗譜等實驗內(nèi)容主要是讓學生掌握電化學中的一些基本測試方法；電鍍液的赫爾槽實驗、電鍍液分散能力實驗、電鍍液電流效率實驗是為了讓學生掌握電鍍中常用的研究方法；旋轉(zhuǎn)圓盤電極實驗、微電極實驗、電化學石英晶體微天平等實驗的目的是讓學生掌握電化學領(lǐng)域較先進的一些實驗方法；化學電源設計和電鍍車間設計方面開設了4個實驗，主要目的是讓學生接觸專業(yè)領(lǐng)域的工程化問題，幫助其畢業(yè)后能盡快適應企業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境。

第7篇

一、原電池

我們在電化學教學中，老師應明確告訴學生：原電池反應是自發(fā)的氧化還原反應。在滿足形成原電池的條件（兩電極、電解質(zhì)溶液、閉合）下，先正確地寫出自發(fā)的氧化還原反應方程式（原電池反應）并確定氧化劑和還原劑。還原劑一定在負極上反應，氧化劑一定在正極上反應。如果還原劑是金屬，則該金屬是原電池的負極，且正極與該金屬不同，如果還原劑不是金屬，則正負電極由其他電極代替且可相同。這樣，既可以根據(jù)原電池反應判斷正負極和書寫電極反應，也可以將自發(fā)的氧化還原反應設計成原電池。

1.規(guī)律

負極：失電子，發(fā)生氧化反應（一般是負極本身失電子，除外界不斷補充的燃料電池）。

正極：得電子，發(fā)生還原反應（一般是溶液中陽離子在正極上得電子，也可能是O2在正極上得電子如吸氧腐蝕或燃料電池，或正極本身得電子）。

2.分類

（1）一般原電池

①兩個活潑性不同的電極（金屬與金屬、金屬與石墨碳棒、金屬與難溶金屬氧化物）；

②電解質(zhì)溶液，至少能與一個電極發(fā)生有電子轉(zhuǎn)移的氧化還原反應，一般是置換反應；

③兩電極插入電解質(zhì)溶液中且用導線連接，且形成閉合回路。

方法點睛：先分析兩電極材料相對活潑性，相對活潑的金屬作負極，負極失去電子發(fā)生氧化反應，形成陽離子進入溶液；較不活潑的金屬作正極，溶液中的陽離子按放電強弱順序在正極上得到電子發(fā)生還原反應，析出金屬或氫氣，正極材料不參與反應。如金屬Fe、Cu、稀鹽酸構(gòu)成的原電池中，負極為Fe。

但是具體情況還應具體分析，如金屬Fe、Cu、濃硝酸構(gòu)成的原電池中，由于Fe比Cu活潑，但負極卻是Cu（Fe、Al在濃硝酸中鈍化，不能繼續(xù)反應，而Cu可以與濃硝酸反應）。

（2）燃料電池

燃料電池大多數(shù)是由可燃性物質(zhì)（主要是可燃性氣體）與氧氣及電解質(zhì)溶液共同組成，雖然可燃性物質(zhì)與氧氣在不同的電極上反應，但總方程式相當于可燃物在氧氣中燃燒。因為涉及電解質(zhì)溶液，所以燃燒產(chǎn)物（一般為CO2）可能還要與電解質(zhì)溶液反應，再寫出燃燒產(chǎn)物與電解質(zhì)溶液反應的方程式，從而得到總方程式。

（3）鹽橋在原電池反應中起到作用

在教學中常常有學生問，原電池中鹽橋到底起到什么樣的作用。對于此問題，很多老師怕增加學生的學習負擔，往往就會簡單地告訴學生，鹽橋是起到導電作用；鹽橋中的陰離子向負極移動，陽離子向正極移動。這樣回答的話，學生往往產(chǎn)生另外一個問題：溶液中的陰陽離子可以定向移動而導電，為什么偏偏要把兩個半反應分開在不同區(qū)域進行，中間加上鹽橋呢？其實鹽橋除了上面所說的導電作用外，還有個很重要的作用是，避免負極材料直接與正極的電解質(zhì)溶液反應，這樣原電池能持續(xù)穩(wěn)定的放電，從而使原電池具有實用價值。另外鹽橋的存在可以平衡兩個反應容器內(nèi)的電荷，使得反應能持續(xù)進行。其實上述三者的作用又不是孤立存在，而是相互依賴，相互影響的。

二、電解池

電解池反應是強制的氧化還原反應。在滿足形成電解池的條件（電解質(zhì)溶液導電）下，根據(jù)陽離子的氧化性順序、陽極活性及陰離子的還原性順序，正確的寫出電解池反應并確定氧化劑和還原劑。還原劑一定在陽極上反應，氧化劑一定在陰極上反應。如果還原劑是金屬，則該金屬是電解池的陽極（陰極任選）；如果還原劑不是金屬，則陽極是惰性的。這樣，既可以根據(jù)電解池反應判斷陰、陽極和書寫電極反應，也可以將溶液中或離子晶體熔化時不能自發(fā)的氧化還原反應設計成電解池反應。但要注意的是，惰性電極電解溶液時最后階段可能是電解水。

1.規(guī)律

陽極：失電子，發(fā)生氧化反應（可以是溶液中陰離子在陽極上失電子，也可以是陽極電極材料本身失去電子）。

陰極：得電子，發(fā)生還原反應（溶液中陽離子在陰極上得電子）

2.放電順序

（1）陽極為惰性電極如石墨或Pt時，只需考慮電解質(zhì)溶液中所有陰離子的放電，電極本身不參與放電。

（2）陽極為活性電極如Fe、Cu、Ag時，則活性電極本身失去電子生成相應的陽離子。

陽極放電順序：活潑電極>S2->I->Br->Cl->OH->含氧酸根離子>F-

（3）陰極的電極材料本身不參加反應，溶液中所有陽離子的放電順序：

Ag+>Hg2+>Fe3+>Cu2+>（H+酸）>Pb2+>Sn2+>Fe2+>Zn2+>Al3+>Mg2+>Na+（注意Fe的兩種離子和H+的位置）

3.電極反應書寫

首先看是否有活潑電極做陽極；然后看溶液中有哪些陰離子和陽離子；最后看哪種離子先放電。

第8篇

1無掩膜電化學微/納米加工技術(shù)無掩膜電化學微/納米加工技術(shù)是基于微/納米電極針尖或針尖陣列的掃描探針顯微鏡(SPM)技術(shù)，包括電化學掃描隧道顯微鏡(EC-STM)和電化學原子力顯微鏡(EC-AFM)、超短電壓脈沖技術(shù)(US-VP)、掃描電化學顯微鏡(SECM)、掃描微電解池(SMEC)等，加工的精度由針尖電極的尺寸決定。無掩膜技術(shù)的優(yōu)點在于所加工的三維結(jié)構(gòu)的尺度和精度可以達到微/納米級別，缺點是材料去除率低以及加工效率低。

1．1電化學掃描探針顯微鏡(EC-SPM)電化學掃描隧道顯微鏡由Kolb課題組于1997年提出。與“蘸水筆”技術(shù)很類似，首先在STM探針上沾上帶有Cu2+的溶液，再移到金基片上通過電沉積形成銅納米團簇。此方法的加工精度非常高，團簇的直徑一般在亞納米級別，高度可以控制在幾個納米［7］。然而，由于很多金屬的還原電位低于氫析出電位，很難在水溶液中通過電沉積的方法得到納米團簇或微/納米結(jié)構(gòu)。最近，廈門大學毛秉偉教授課題組在室溫離子液體環(huán)境中電沉積得到了活潑金屬鋅和鐵的納米團簇圖案［8-10］。原子力顯微鏡與電化學聯(lián)用可以達到類似的結(jié)果。雖然單點加工作業(yè)效率低，但是由于金屬的電沉積速度很快，如果采用陣列SPM探針，可以大幅度提高加工效率。EC-SPM最大的不足在于SPM的掃描行程非常有限，因此加工的尺度范圍很小。目前本課題組正在研發(fā)大行程(100mm×100mm)的EC-SPM技術(shù)。

1．2超短電壓脈沖技術(shù)Schuster發(fā)展了超短電壓脈沖技術(shù)(USVP)，將微/納米電極、電極陣列或者帶有三維微結(jié)構(gòu)的模板(工具)逼近待加工的導電基底(工件)，然后在針尖與基底之間施以納秒級電壓脈沖。由于電極/溶液界面的時間常數(shù)為雙電層電容和工具與工件之間溶液的電阻的乘積(τ=RCd)，而后兩者與工具和工件之間的距離有關(guān)，所以在工件與工具之間施加納秒級的電勢脈沖時，只有距離工具最近的工件部位發(fā)生陽極溶解，從而得到尺度可控的微型結(jié)構(gòu)［11］。本質(zhì)上講，這種技術(shù)具有距離敏感性，加工的精度較高。我國已有研究人員正在開展這種技術(shù)的研究［12］。

1．3掃描電化學顯微鏡掃描電化學顯微鏡(SECM)是一種以超微電極或納米電極為探針的掃描探針技術(shù)，由一個三維精密定位系統(tǒng)來控制探針電極與被加工基底之間的距離，通過在針尖與基底之間局部區(qū)域激發(fā)電化學反應，可以獲得各種微結(jié)構(gòu)圖案。該技術(shù)通過電流反饋原理定位微/納米電極針尖，與STM和AFM相比，雖然空間分辨率有所降低，但是化學反應性能得到增強，大大拓展了微/納米加工的對象，成為一種重要的微/納米加工技術(shù)。SECM在微/納米加工中的應用詳見文獻［13］。

1．4掃描微電解池掃描微電解池(SMEC)是利用毛細管尖端的微液滴與導電工件形成接觸，對電極插入到毛細管中與導電的加工基底構(gòu)成微電解池，并以該微電解池作為掃描探針。由于電化學反應被限制在微液滴中，因此微液滴的尺寸決定了加工的精度［14］。近期的研究結(jié)果表明，通過該方法可以制作形狀可控的銅納米線，在微電子元器件的焊接技術(shù)中表現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢［15］。我們課題組采用該方法合成了各種微/納米晶體或聚合物功能材料，用于構(gòu)筑電化學功能微器件［16-17］。

2掩膜電化學微/納米加工技術(shù)掩膜微/納米加工技術(shù)包括LIGA技術(shù)、EFAB技術(shù)、電化學濕印章技術(shù)(EC-WETS)和電化學納米印刷技術(shù)。這些加工技術(shù)的主要原理都是將電化學反應控制在具有預設微/納米結(jié)構(gòu)的掩模內(nèi)。工件通常是導電的，同時也作為電極。LIGA和EFAB技術(shù)需要通過光刻在工件上形成微結(jié)構(gòu)，然后通過電沉積方法在其間得到金屬微/納米結(jié)構(gòu)。電化學濕印章技術(shù)和電化學納米壓印技術(shù)使用的是凝膠或固體電解質(zhì)模板，模板與工件接觸，利用電沉積或刻蝕形的方法形成所需的微/納米結(jié)構(gòu)。

2．1LIGA技術(shù)LIGA(德語Lithographie，Galvanoformung，Abformung的縮寫)是一種加工高深寬比微/納米結(jié)構(gòu)的方法［18-20］。先在導電基底上涂覆一層光刻膠，通過光刻曝光后形成高深寬比的微/納米結(jié)構(gòu);然后在含有微/納米結(jié)構(gòu)的光刻膠模板上電沉積金屬，去除光刻膠后得到金屬微/納米結(jié)構(gòu)。獲得的金屬微/納米結(jié)構(gòu)還可以進一步作為加工塑料和陶瓷材料工件的模板。LIGA加工的深寬比可以達到10～50，粗糙度小于50nm。該技術(shù)使用的X射線曝光光源價格昂貴，而紫外曝光工藝又受相對較低的加工深寬比的制約。另外，如何在有較高深寬比的光刻膠微/納米結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)高質(zhì)量的電鑄也是需要解決的問題。

2．2EFAB技術(shù)EFAB(ElectrochemicalFabrication)是由美國南加州大學AdamCohan教授提出的一種微/納米加工方法［21-23］。EFAB技術(shù)首先利用CAD將目標三維微/納米結(jié)構(gòu)分解成容易通過光刻加工的多層二維微/納米結(jié)構(gòu);然后將設計好的微/納米結(jié)構(gòu)層和犧牲層一層一層地沉積于二維光刻膠模板中;去掉光刻膠模板和犧牲層金屬就可以得到所需的微/納米結(jié)構(gòu)。每一個電鑄層都要求高度的平坦化，以確保下一步工藝的質(zhì)量。化學拋光(CMP)是常用的拋光方法，但是其價格昂貴，大大增加了工藝成本。另外，逐層加工對多層結(jié)構(gòu)之間的精確對準有著很高的要求，任何兩層之間的對準錯誤都將會導致整個微/納米加工流程失敗。2．3電化學濕印章技術(shù)Grzybowski提出了一種利用含有刻蝕劑和微結(jié)構(gòu)的凝膠模板來實現(xiàn)導體或半導體材料的化學刻蝕技術(shù)［24］。我們課題組采用瓊脂糖凝膠模板作為電解質(zhì)體系，提出了EC-WETS技術(shù)，通過電沉積、陽極溶解或化學刻蝕等途徑實現(xiàn)微/納米結(jié)構(gòu)的加工［25］。目前的主要問題是如何控制反應物的側(cè)向擴散，提高反應物在膠體中的擴散速率以及加工的精度。

2．4固體電解質(zhì)電化學納米印刷技術(shù)AgS2是一種具有銀離子傳輸能力的固態(tài)超離子導體電解質(zhì)，Hsu等制備了AgS2微/納米結(jié)構(gòu)模板。當銀工件表面接觸到超離子導體模板時，在工件上施加一定的電壓，銀工件表面與模板的連接處將會發(fā)生銀的陽極溶解，銀離子在AgS2電解質(zhì)中遷移，沉積到AgS2模板另一側(cè)的對電極上［26-27］。這種方法的主要缺陷是可以用作模板的固體電解質(zhì)有限，機械強度差，而且，工件表面溶出的陽離子在固體電解質(zhì)中的擴散速度慢，加工效率低。

3約束刻蝕劑層技術(shù)微/納米加工技術(shù)必須滿足以下3點要求:微/納米級加工尺寸，能加工復雜的三維結(jié)構(gòu)以及實現(xiàn)批量化生產(chǎn)。然而非掩膜技術(shù)不適合批量生產(chǎn)，掩模技術(shù)又難以生產(chǎn)連續(xù)曲面等復雜的三維微結(jié)構(gòu)。我們課題組致力于電化學微/納米加工領(lǐng)域已有20多年，由田昭武院士提出的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的約束刻蝕劑層技術(shù)(CELT)可以滿足對微/納米加工技術(shù)的上述3個基本要求，本節(jié)將予以詳細介紹。

3．1基本原理約束刻蝕劑層技術(shù)是通過一個隨后的均相化學反應將電化學、光化學或光電化學產(chǎn)生的刻蝕劑約束至微/納米級的厚度，從而實現(xiàn)微/納米精度的加工。約束刻蝕劑層技術(shù)主要分為以下3個步驟:①刻蝕劑的生成反應為:RO+neorR+hvO(+ne)(1)其中R為刻蝕劑前驅(qū)體，O為刻蝕劑。CELT使用的工具既是光/電化學體系的工作電極又是微/納米加工的模板，即刻蝕劑通過電化學、光化學、光電化學的方法在模板表面產(chǎn)生。由于刻蝕劑在溶液中的擴散，刻蝕劑的形狀和厚度很難控制，這取決于刻蝕劑的擴散性質(zhì)、模板電極的大小和形狀。為了確保加工精度，就必須控制刻蝕劑的擴散僅僅發(fā)生在模板電極表面微/納米級的尺度范圍以內(nèi)。②約束反應為:O+SR+YorOY(2)其中S為工作溶液中的約束劑，Y是約束劑S與刻蝕劑O反應的產(chǎn)物或者光/電化學反應生成的自由基衰變產(chǎn)物。由于約束反應的發(fā)生，使刻蝕劑的擴散被限制在模板電極表面微/納米級的尺度范圍以內(nèi)，約束刻蝕劑層的厚度取決于約束反應的速率或自由基O的壽命。約束刻蝕劑層的理論厚度為［28］:μ=(D/Ks)1/2(3)其中μ為約束刻蝕劑層的厚度，D為刻蝕劑在工作溶液中的擴散系數(shù)，Ks為約束反應(式(2))的準一級反應速率常數(shù)。當Ks為109s－1時，約束刻蝕劑層的厚度將達到1nm。由于刻蝕劑層被約束在微/納米尺度范圍內(nèi)，刻蝕劑層保持與加工模板一致的形狀。因此，約束刻蝕劑層技術(shù)的加工精度取決于約束刻蝕劑層的厚度。③刻蝕反應為:O+MR+P(4)式中M為被加工材料，P為刻蝕產(chǎn)物。當模板電極逐漸逼近工件使約束刻蝕劑層與工件表面接觸時，工件表面將與刻蝕劑發(fā)生化學刻蝕反應，直到在工件表面生成與模板電極三維微/納米結(jié)構(gòu)互補的微/納米結(jié)構(gòu)。

3．2微/納米加工儀器用于微/納米加工的CELT儀器主要由電化學工作站、三維微位移控制器、計算機反饋系統(tǒng)三部分構(gòu)成［29-33］(圖1)。電化學工作站用于調(diào)控CELT化學反應體系;三維微位移控制器用于模板工具的定位和進給。控溫系統(tǒng)和工作液循環(huán)系統(tǒng)等附屬系統(tǒng)在這里不做展示。計算機用于CELT整體系統(tǒng)的信息發(fā)送和反饋，以確保整個微/納米加工過程協(xié)同完成。

3．3化學反應體系的篩選對于CELT而言，首先是要選擇合適的化學反應體系。在實驗中，我們使用一個柱狀微電極作為工具電極來產(chǎn)生針對特定加工材料的刻蝕劑。比如在加工半導體砷化鎵時，溴是常用的刻蝕劑，而胱氨酸作為約束劑用以調(diào)控刻蝕劑層的厚度［34-39］。整個刻蝕體系的化學反應表示如下:16Br－8Br2+16e(5)5Br2+RSSR+6H2O2RSO3H+10Br－+10H+(6)3Br2+GaAs+3H2O6Br－+AsO3－3+Ga3++6H+(7)用于加工砷化鎵的CELT化學體系的循環(huán)伏安圖見圖2(a)［34］。刻蝕劑的生成反應(式(5))是一個可逆的氧化還原反應。由于工作液中胱氨酸(RSSR)與溴的約束反應(式(6))，胱氨酸被氧化為磺酸(RSO3H)，體系的法拉第電流顯著增加，這表明約束刻蝕劑層的厚度減小。如圖2(c)所示，納米加工的精度得到良好改善［38］。值得注意的是，約束刻蝕劑層的厚度可以通過改變約束劑的濃度來調(diào)節(jié)。這對于超光滑表面的加工十分重要，可以根據(jù)實際技術(shù)要求調(diào)整工藝。SECM可以用來探測工具表面刻蝕劑的濃度分布，并且可以用來獲取CELT化學反應體系的動力學參數(shù)，這對于優(yōu)化CELT微/納米加工的技術(shù)參數(shù)十分重要［40-41］。

3．4復雜三維微結(jié)構(gòu)的CELT加工CELT已被證明可以成功地用于金屬、合金、半導體、絕緣體表面復雜三維微結(jié)構(gòu)的加工［42-49］。在三維微結(jié)構(gòu)的加工實驗中，使用的是具有互補結(jié)構(gòu)的模板電極。模板材料可以是鉑銥合金、硅、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等。在具有三維微結(jié)構(gòu)的硅或PMMA模板上首先沉積一層鈦，然后再濺射一層鉑，以確保模板在加工過程中的導電性和穩(wěn)定性。在金屬或合金基底上加工三維微結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵是在工具電極表面產(chǎn)生氫離子作為刻蝕劑，以氫氧化鈉作為約束劑。目前，各種三維微結(jié)構(gòu)已經(jīng)被成功復制在銅［50-51］、鎳［51-52］、鋁［53］、鈦［54］、鎳鈦合金［55］、Ti6Al4V［56］、鎂合金［57］基底上。對于半導體硅［32，58-62］或砷化鎵［34-39］，一般以溴作為刻蝕劑，以胱氨酸為約束劑。圖3所示的是采用CELT在n型砷化鎵基底上加工出的三維衍射微透鏡陣列，這是CELT加工出的首例光學微器件［39］。整個微透鏡陣列是一個八相位衍射光學器件，每個小微透鏡由8個同心圓以及7個臺階位構(gòu)成。7個臺階位的總高度是1．3μm，每個臺階的平均高度為187nm。添加劑對提高刻蝕產(chǎn)物的溶解性至關(guān)重要，在硅微加工中，通常加入氟化鈉以避免硅沉淀。最近，由光電化學或光化學生成自由基刻蝕劑也取得了初步進展，例如二乙胺自由基刻蝕銅［63］。

3．5超光滑表面的CELT加工如果工具模板不是復雜三維結(jié)構(gòu)，而是一個超光滑平面，CELT能否發(fā)展成為一種整平技術(shù)呢?由于集成電路和超精密光學器件等領(lǐng)域的巨大市場需求，將CELT發(fā)展成為一種超光滑表面加工技術(shù)具有十分重要的意義。最近，我們采用CELT的基本原理開展了超光滑表面加工的研究工作，該方法有可能代替現(xiàn)有的化學機械拋光技術(shù)(CMP)，用于超大規(guī)模集成電路中銅互連結(jié)構(gòu)的整平。初步的研究結(jié)果表明CELT對銅的整平有著良好的效果(圖4)。CELT拋光的關(guān)鍵在于確保約束刻蝕劑層在大面積范圍內(nèi)保持均一的濃度分布。盡管大面積超光滑工具電極的流體力學設計非常必要，但是最簡單的方法是使用一個線型工具電極對在加工平臺上做旋轉(zhuǎn)運動的工件進行作業(yè)。本課題組正在將傳統(tǒng)的機械加工作業(yè)方式與CELT進行對接，這無疑將在超光滑表面及其微/納米二級結(jié)構(gòu)的加工領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用［33］。

第9篇

【關(guān)鍵詞】高中化學；電化學；誤區(qū)；措施

不少學生在理解一些抽象的電化學概念時感到較為困難，不能準確把握其實質(zhì)，也就無法真正做到理解和正確運用，高中化學教師需要認真研究學生在概念學習的誤區(qū)類型和成因，并采取有針對性的應對措施，確保學生都能正確把握，做到深化理解，準確應用，促進學生思維能力提升，發(fā)展他們的綜合能力。

一、高中電化學概念學生學習存在的誤區(qū)類型分析

（一）學生未能深入理解原電池中電子轉(zhuǎn)移的實質(zhì)

現(xiàn)在高中學生在學習原電池的有關(guān)知識時，最先學習的知識內(nèi)容是Cu-Zn原電池，由于這些內(nèi)容相對抽象，不少學生在學習過程中不能深入理解，對概念及其原理理解相對淺顯，不能正確地解釋氫氣在銅棒上產(chǎn)生的原因和原理。相當一部分學生在學習過程中只是記住了結(jié)果，并不能準確地理解過程和原理，還有不少學生錯誤地認為陽離子和陰離子向相對的電極移動，是正負電荷相互吸引所致。

（二）對于原電池的工作原理沒有能夠正確理解

氫氧燃料電池主要是根據(jù)原電池反應的基本原理，選用氫氧作為主要原料而制成的化學電源，不少學生錯誤地將化學電源認為是電解池，認為該電池發(fā)生的氧化還原反應不是自發(fā)的化學反應。也有一部分學生的判斷是正確的，但是，在電極反應方程式的理解上存在誤解，一方面是因為這些知識平時接觸的知識相對較少。另一方面，平時學生生活中的各種實際名稱和化學學科知識中的定義重合，容易造成概念混淆和誤判。

（三）對于電解池中外加電源的功能認識和理解不到位

學生學習原電池工作原理，在老師的引導下和講解之下，也能理解其反映的基本原理。但是，對電解池外加電源的功用認識模糊，不知道其在整個裝置當中的關(guān)鍵作用，由此產(chǎn)生了很多的疑惑和誤解。不少學生主觀上理解電極帶電，可以從電極所攜帶的正負電荷來判斷陰陽離子的運動速度和方向；有些學生認為提供電子是外加電源的主要功用，外加電源導入電子并促進其從負極向陰極流動，這樣就可以使電池中的陽極帶上正電荷，而陰極就帶上了負電荷，陰陽離子本身具有相互吸引的特點，便做定向移動。這是學生對概念先入為主的原因造成的，是以前對概念的認識，造成現(xiàn)在的排斥，這是思維定勢的強大慣性，促使學生不能針對新概念的認識和感悟，不能根據(jù)實際情況及時轉(zhuǎn)變思維。高中電化學概念與高中物理，電學知識學習和應用同時進行，學生容易將物理學中的電流、電荷、電極等方面的知識直接遷移到化學電池的學習中來，理解和解釋其中的原因。

二、糾正學生概念理解和認識應用誤區(qū)的措施分析

（一）創(chuàng)設適應的認知沖突問題情境，顛覆學生的思維慣性和認知定勢

很多時候?qū)W生的思維容易受到以往模式的影響，已有思維的慣性容易帶給學生更多的影響和制約，讓學生在原來的軌道上運行新的知識概念，使問題在現(xiàn)有的軌道上逐步偏離，引發(fā)認識的錯誤和實踐的變軌，導致學生不能真確理解一些新的概念。高中化學電化學概念教學引導學生走出理解的誤區(qū)，就要針對學生實際，創(chuàng)設一些更具沖突性的認知情境，讓學生產(chǎn)生加強的思維落差和張力，以此來引發(fā)學生扭轉(zhuǎn)思考的方向和路徑，從而糾正他們在學習中出現(xiàn)的問題。

例如，學習“原電池原理”的相關(guān)教學內(nèi)容時，教師可以首先向展示銅鋅稀硫酸原電池這個最為常見也是最為簡單的應用模型，由此可以讓學生去思考一個新的問題，如何才能組裝一個能夠產(chǎn)生電能的模型裝置呢？因為，在此之前，他們已經(jīng)有了電池能導電、氧化還原離子轉(zhuǎn)移、電池等方面的概念和實驗操作經(jīng)驗，促使學生對現(xiàn)有的裝置進行思考和突破，并預測一些相P的實驗裝置模型的設計和應用原理。這些概念和思維都會受到以往思維的慣性影響，教師為學生進行實驗演示，結(jié)果讓學生觀察與自己的想象大相徑庭，由此產(chǎn)生激烈的認知沖突。此時，教師再對學生進行闡釋分析，強化學生對新概念的認識和理解，建立一個全新的化學概念和思維模式。

（二）注重概念的深入闡釋，防止學生將不同學科領(lǐng)域概念混淆

生活中的各種電器和電源設備都籠統(tǒng)地稱之為電池，不同形狀，不同用途，不同材質(zhì)，不同科學原理的電源或者蓄電存儲設備，都以此來稱謂，學生在理解上容易受到生活現(xiàn)象的誤導。原電池的電極反應與電極和電解質(zhì)本身有著非常密切的關(guān)系，在分析理解電極反應時不能拋開電極與電解質(zhì)這些最為基本的要素。同時對一種事物的認識是一個逐步深入循序漸進的過程，電化學概念的理解也是如此。要抓住概念的本質(zhì)屬性表述語，深入理解概念不同于其它事物的最本質(zhì)的部分，引導學生逐步深化理解，以此來正確理解，深入領(lǐng)悟。

（三）深入領(lǐng)悟原電池構(gòu)成條件，領(lǐng)悟電源工作原理

原電池形成必須滿足三個條件，一是具有不同的兩極，而是電解質(zhì)溶液，三是浸入溶液中的兩極必須用導向加以連接構(gòu)成一個閉合電路。原電池不僅是一種將化學能轉(zhuǎn)變成電能的裝置，也是更好地揭示化學電源工作原理的裝置。而普通電池是通過電路產(chǎn)生電勢差，形成電場。原電池中點電解溶液中的陰陽極處在內(nèi)電路中，陰離子只能由高電勢向低電勢出運動，如鋅銅原電池氫離子移向銅片得到電子而生成氫氣就是這個原理。

總之，電池和電解池是高中化學教學的重要內(nèi)容，也是學生學好化學的重要基礎，很多學生缺乏這方面的知識基礎和實踐經(jīng)驗，并且這方面內(nèi)容相對其他方向的知識較為抽象難懂。教師需要結(jié)合學生實際，分析原因并采取有效的措施，減少誤區(qū)，降低難度，提升學習效率。

【參考文獻】