高中生對高考試題中電化學選擇題解答的認知誤區及應對策略

廣西 金敖然

電化學模塊是高中化學知識重要的組成部分，是高考中的高頻考點。通常以新型電池為載體進行考查，涉及原電池原理與電解原理、氧化還原反應、電子轉移計算、離子反應、元素化合物等知識。該模塊概念較多，注重原理的應用，同時還要求學生能夠正確書寫電極反應式，有時還會結合物理學科中電學的相關知識一起考查。因此，高中生在解決這部分問題時，往往存在一定的障礙。為了解決學生的學習障礙，使學生走出認知誤區，提升學習效果，落實化學學科核心素養，筆者對高中生解答電化學選擇題的認知誤區進行了分析研究，并提出了應對策略。

針對高二年級，筆者編寫了隨堂測試卷《電化學基礎單元檢測》。內容包括原電池及電解池的工作原理與應用、新型電池、二次電池、燃料電池、電化學相關計算、材料信息的理解與運用、離子交換膜等考查角度，考查學生的基礎概念、原理知識、計算能力以及信息的攝取與整合能力，充分挖掘學生在學習過程中存在的認知誤區。試卷結構為7道選擇題，滿分70分，測試時間20分鐘。試卷如下：

《電化學基礎單元檢測》

滿分70分 測試時間：20分鐘

一、單選題(每題10分)

1.如圖1所示裝置中觀察到電流計指針偏轉，M棒變粗，N棒變細，由此判斷表1中所列M、N、P物質，其中可以成立的組合是

表1

圖1

( )

2.用惰性電極電解一定濃度的CuSO4溶液，通電一段時間后向所得溶液中加入0.1 mol堿式碳酸銅后恰好與原溶液濃度和pH相等(不考慮CO2溶解)，則電解過程中共轉移的電子的物質的量為

( )

A.0.4 mol B.0.6 mol

C.0.8 mol D.1.0 mol

3.港珠澳大橋的設計使用壽命高達120年，主要的防腐方法有：①鋼梁上安裝鋁片；
②使用高性能富鋅(富含鋅粉)底漆；
③使用高附著性防腐涂料；
④預留鋼鐵腐蝕量。下列分析不合理的是

( )

B.防腐過程中鋁和鋅均作為犧牲陽極，失去電子

C.防腐涂料可以防水、隔離O2，降低吸氧腐蝕速率

D.方法①②③只能減緩鋼鐵腐蝕，未能完全消除

4.(2020·全國卷Ⅱ·12)電致變色器件可智能調控太陽光透過率，從而實現節能。圖2是某電致變色器件的示意圖。當通電時，Ag+注入到無色WO3薄膜中，生成AgxWO3，器件呈現藍色，對于該變化過程，下列敘述錯誤的是

圖2

( )

A.Ag為陽極

B.Ag+由銀電極向變色層遷移

C.W元素的化合價升高

5.(2021·西藏模擬)圖3為一種電催化還原CO2的裝置示意圖，下列有關敘述正確的是

圖3

( )

A.工作一段時間后，B池溶液的pH減小

B.該裝置工作時，A池中的H+移向B池

C.甲電極連接電源正極

D.可用pH試紙檢測B池溶液的pH

6.(2020·全國卷Ⅰ·12)科學家近年發明了一種新型Zn-CO2水介質電池。電池示意圖如圖4所示，電極為金屬鋅和選擇性催化材料，放電時，溫室氣體CO2被轉化為儲氫物質甲酸等，為解決環境和能源問題提供了一種新途徑。下列說法錯誤的是

圖4

( )

B.放電時，1 mol CO2轉化為HCOOH，轉移的電子數為2 mol

D.充電時，正極溶液中OH-濃度升高

7.利用CH4燃料電池電解制備Ca(H2PO4)2并得到副產物NaOH、H2、Cl2，裝置如圖5所示。下列說法不正確的是

圖5

( )

B.A膜和C膜均為陽離子交換膜

C.可用鐵電極替換陰極的石墨電極

D.a極上通入2.24 L甲烷，陽極室Ca2+減少0.4 mol

【參考答案】

1234567CBACADD

【試卷分析】筆者針對2023屆10班、15班學生的試卷進行批改，形成有效試卷110份，現將成績匯總分析，統計如表2所示。

表2 2023屆高二學生電化學選擇題檢測答題情況分析表

類型1.不能正確理解原電池、電解池的工作原理，造成認知誤區。

電化學部分的概念眾多，學生存在對電化學概念認識模糊，導致錯誤頻出。比如負極、陽極發生氧化反應；
電池內部電子從負極流向正極；
溶液中的陽離子移向正極或陰極；
二次電池充電時，負極連接外部電源的負極；
粗銅精煉中粗銅做陽極；
電鍍工業中“鍍層金屬”做陽極等。學生對于這些概念認識不清，就會造成許多錯誤的發生。

類型2.學生不會根據電極反應式進行電子轉移相關計算，造成認知誤區。

面對電化學的計算題，相當一部分學生是無從下手的，遇到帶計算的選擇題就用排除法獲得答案。究其原因是學生不會依據電極反應式進行計算，沒有守恒思想與整體思想。

類型3.缺乏收集、整合信息的能力，造成思維固化的認知誤區。

主要表現在，學生對于陌生情境下的電化學裝置中的重要信息捕捉不到位；
對于電化學與實驗、化學工業生產相結合的分析沒有頭緒；
尤其是近幾年出現的微生物電池、太陽能電池、離子交換膜電池、海洋電池等教材上沒有的裝置，令學生頭疼不已。

表3 針對《單元檢測》中正確率較低的試題進行認知誤區類型歸納分析

1.深刻領會電化學基本概念，避免陷入概念混淆的認知誤區

前面分析過，電化學概念、原理模糊，常會導致許多錯誤出現。因此作為教師有必要幫助學生厘清工作原理和深化概念，負極是低電勢一端，正極是高電勢一端，這樣電子從負極流向正極，從而使得負極發生失電子的氧化反應，同時造成該極區陽離子增加，陽離子定向移向正極區。電解池中，與電源負極相連的是陰極，是電子流入一極，因此該電極發生得電子的還原反應；
電子的流入導致該電極負電荷增加，溶液陽離子定向移向陰極。

【例1】(2021·全國乙卷·12)沿海電廠采用海水為冷卻水，但在排水管中生物的附著和滋生會阻礙冷卻水排放并降低冷卻效率，為解決這一問題，通常在管道口設置一對惰性電極(如圖6所示)，通入一定的電流。下列敘述錯誤的是

圖6

( )

A.陽極發生將海水中的Cl-氧化生成Cl2反應

B.管道中可以生成氧化滅殺附著生物的NaClO

C.陰極生成的H2應及時通風稀釋安全地排入大氣

D.陽極表面形成的Mg(OH)2等積垢需要定期清理

【參考答案】D

【解題策略】海水中除了水，還含有大量的Na+、Cl-、Mg2+等離子，根據題干信息可知，裝置的原理是利用惰性電極電解海水，陽極區溶液中的Cl-會優先失電子生成Cl2，陰極區H2O優先得電子生成H2和OH-，故在陰極表面形成Mg(OH)2。學生在解答此類問題時，應深刻把握基本概念、工作原理，透過現象看本質，切勿被裝置表面迷惑。

2.提升電化學計算能力，走出對計算題認知誤區的陰霾

3.創設新情境，突破思維固化的認知誤區

很多時候學生思維受以往思維慣性影響，不能在新情境中把知識與題中關鍵信息融會貫通。因此教師要積極設置新情境，鍛煉學生的知識遷移、辯證思維的能力。如處理離子交換膜的時候，學生只知道氯堿工業使用陽離子交換膜，卻不完全清楚其中的原理，因而遇到交換膜都認為是陽離子交換膜。其實把握住工作原理，就可以輕松判斷膜的種類。此處教師在教學中可以多設計些帶交換膜的新型電池示例，供學生分析判斷。

【例2】《電化學基礎單元檢測》第7題，試題略。

【解題策略】如何判斷A、B、C膜的種類呢？還是要緊扣工作原理，體現“證據推理與模型認知”的核心素養。陽極室陰離子放電，導致該極區陽離子過剩，陰離子匱乏，再結合A膜右端為“產品室”，故A膜為陽離子交換膜，目的為產品室輸送Ca2+，則B膜為陰離子交換膜，C膜為陽離子交換膜。這樣問題就迎刃而解了。

【教學感悟】以新型電池為背景材料的電化學試題備受高考命題者的青睞，包括微生物電池、太陽能電池、海洋電池、熱激活電池等等。這些電池取材新穎，時代性強，陌生度高，綜合性強。但是試題的命制，往往是“高起點，低落點”，能夠全面考查學生的電化學知識和原理，有一定的區分度，是各種大型考試的熱點題型。

原電池和電解池是高中化學教學中的重要部分，也是高考重點考查內容。學生對于這種偏理性的知識往往掌握不好，容易進入認知誤區。本文通過對學生進行診斷檢測，尋找并歸納出學生易錯的認知誤區，分析這些問題存在的原因，進而探索出一些帶領學生走出誤區的應對策略。當然要想讓學生游刃有余的解答電化學問題，結合班級學情，選取優質的習題進行必要的訓練是必不可少的。