山東 劉 剛

化學學科核心素養(yǎng)中“宏觀辨識與微觀探析”“證據(jù)推理與模型認知”“科學探究與創(chuàng)新意識”等概括了化學學習和研究的思維方式和方法。高考中的電化學試題，尤其是以新型電源和電化學設(shè)備的演變發(fā)展為情境的試題，很好地詮釋了“證據(jù)推理與模型認知”“科學探究與創(chuàng)新意識”等學科素養(yǎng)。這類試題不僅體現(xiàn)了化學學科的應(yīng)用價值，更引領(lǐng)學生用辯證的、創(chuàng)新的思維來掌握化學學科規(guī)律。各類新型電池是目前科學研究的熱門方向，涉及航空航天、污染處理、海水淡化、實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”的CO2捕捉與轉(zhuǎn)化等諸多領(lǐng)域。從試題情境的選材來看，涉及科學領(lǐng)域最新的科研成果，從傳統(tǒng)的原電池到各種鋰離子電池，再到濃差電池及以復(fù)分解反應(yīng)為基礎(chǔ)的非氧化還原反應(yīng)電池、微生物燃料電池等。所以，以發(fā)展創(chuàng)新的眼光分析和認識高考化學中的電化學試題，追根溯源，探究試題情境選材與教材電化學基礎(chǔ)理論的有效結(jié)合，分析試題情境選材與學科必備知識、關(guān)鍵能力考查的關(guān)系，有助于教師厘清今后電化學試題的發(fā)展方向，有利于促進化學學科素養(yǎng)在電化學原理教學與考試評價中的落實。筆者以2020年山東卷第10題為例，對此進行分析，以供各位老師參考。

【例1】(2020·山東卷·10)微生物脫鹽電池是一種高效、經(jīng)濟的能源裝置，利用微生物處理有機廢水獲得電能，同時可實現(xiàn)海水淡化?，F(xiàn)以NaCl溶液模擬海水，采用惰性電極，用圖1所示裝置處理有機廢水(以含CH3COO-的溶液為例)。下列說法錯誤的是

( )

B.隔膜1為陽離子交換膜，隔膜2為陰離子交換膜

C.當電路中轉(zhuǎn)移1 mol電子時，模擬海水理論上除鹽58.5 g

D.電池工作一段時間后，正、負極產(chǎn)生氣體的物質(zhì)的量之比為2∶1

圖1

【參考答案】B

該試題創(chuàng)設(shè)試題情境的素材源自哈爾濱工業(yè)大學孟繁宇博士的論文《污泥底物微生物脫鹽電池性能及處理后污泥改良鹽堿土效果》，以其中的微生物燃料電池為背景進行電化學相關(guān)原理考查，動力源是微生物對碳素營養(yǎng)源(如葡萄糖等)的厭氧降解。電池的發(fā)生原理和濃差電池及以復(fù)分解反應(yīng)為基礎(chǔ)的非氧化還原反應(yīng)電池一樣，打破了教材上“基礎(chǔ)原電池須自發(fā)的氧化還原反應(yīng)”的規(guī)律，給了學生和教師全新的知識視角。那么教師應(yīng)如何看待教學過程中的原創(chuàng)命題、試題改編以及命題素材的選取與分析呢？筆者認為應(yīng)從以下幾個方面進行思考。

一、試題立意遵循電化學理論的必備知識

高考電化學試題的考查無論簡單還是復(fù)雜，新穎還是常規(guī)，都是基于教材中電化學基本知識結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)原理進行問題設(shè)置。目前高中教材中電化學原理主要從能量變化角度、氧化還原反應(yīng)角度進行模型構(gòu)建，涉及原電池、電解池、金屬的腐蝕與防護、基礎(chǔ)化學電源等內(nèi)容，考查方向有電極反應(yīng)書寫及判斷、電池總反應(yīng)、電極判斷、離子遷移、綜合計算、綜合應(yīng)用等，原電池、電解池基礎(chǔ)原理結(jié)構(gòu)如圖2所示。此類試題解決的關(guān)鍵是抓住以下要點：無論是原電池還是電解池，發(fā)生氧化反應(yīng)的為陽極(原電池負極)，發(fā)生還原反應(yīng)的為陰極(原電池正極)，電勢高的為正極，電勢低的為負極，電子在外電路遷移，離子在內(nèi)電路遷移。

圖2 原電池和電解池的簡單結(jié)構(gòu)模型

二、試題情境素材體現(xiàn)學科關(guān)鍵能力，培養(yǎng)創(chuàng)新意識

電化學試題所體現(xiàn)的關(guān)鍵能力側(cè)重于分析與推測、歸納與論證能力，要求學生能夠根據(jù)原電池和電解池的工作原理，設(shè)計簡單的原電池和電解池，能用相關(guān)信息分析化學電源的工作原理，能夠選擇并設(shè)計金屬防腐措施，能綜合運用題中信息，解決實際問題。教師要讓學生通過試題信息分析，認識到物質(zhì)的運動與變化，清晰化學變化遵循一定的條件，符合一定的規(guī)律；在電化學理論基礎(chǔ)上，認識到電子由電勢低的一方流向電勢高的一方，在電子、離子的遷移變化過程中實現(xiàn)電能與其他能量的轉(zhuǎn)化，能夠根據(jù)電池中發(fā)生的現(xiàn)象及出現(xiàn)的數(shù)據(jù)信息等證據(jù)，推理電池反應(yīng)的原理。

( )

B.充電時釋放CO2，放電時吸收CO2

圖3

【參考答案】D

三、試題選材反映時代性，凝練學科素養(yǎng)

化學學科屬于走在社會前沿的學科，新發(fā)明、新研究成果日新月異，而高考試題很多素材來源于最新社會熱點，如2021年全國甲卷第28題和第35題以被形象地稱為“液態(tài)陽光”計劃的我國科學家研發(fā)的全球首套千噸級太陽能燃料合成項目為試題情境，呈現(xiàn)硅晶體太陽能發(fā)電、電能分解水制氫氣、氫氣與溫室氣體二氧化碳反應(yīng)制備燃料甲醇等技術(shù)，展示我國科學家在綠色發(fā)展和清潔能源開發(fā)利用方面的創(chuàng)新成果。試題選擇硅晶體、甲醇合成、二氧化碳結(jié)構(gòu)以及我國科學家研發(fā)的高選擇性的金屬氧化催化劑等為考查載體，多層次、多方位考查化學原理和物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論。

中國科學院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所的王要兵研究員小組2019年在AccountsofChemicalResearch上發(fā)表了一篇綜述，總結(jié)了金屬二氧化碳電池領(lǐng)域中CO2電化學的發(fā)展歷程，并分析了目前在有機和水系兩種不同電解液體系下CO2電化學的機理、設(shè)計關(guān)鍵、應(yīng)用策略以及未來的發(fā)展前景。更有價值的，也更困難的是實現(xiàn)二次水系Zn-CO2電池，從裝置上來說，Zn負極在堿性電解液中更有效，但CO2會與堿自發(fā)反應(yīng)，所以需要用雙極膜隔離堿性的負極電解液和中性的正極電解液。然而，在設(shè)計二次水系Zn-CO2電池時，必須考慮充電過程與放電過程中對膜相反方向的電荷傳遞需求。因此，至少需要一對相反方向放置的雙極膜才能保證二次水系Zn-CO2電池的充放電需求。更重要的是，二次水系Zn-CO2電池要求配備可在較低的過電位下進行雙催化功能的正極材料，以在提高CO2還原性能的同時，降低充電電勢，提高電池能量效率。基于這些分析，王要兵研究員小組發(fā)掘了一系列雙功能催化劑正極材料，開發(fā)了多種模式的二次水系Zn-CO2電池，可適用于多種應(yīng)用需求。如圖4所示：

圖4 雙極膜和雙功能陰極催化劑實現(xiàn)二次水系Zn-CO2電池

2020年全國卷Ⅰ第12題取材于該科研成果，將溫室氣體CO2轉(zhuǎn)化為儲氫物質(zhì)甲酸等化學品和燃料，為解決環(huán)境和能源問題提供了一種新途徑。

【例3】(2020·全國卷Ⅰ·12)科學家近年發(fā)明了一種新型Zn-CO2水介質(zhì)電池。電池示意圖如圖5，電極為金屬鋅和選擇性催化材料，放電時，溫室氣體CO2被轉(zhuǎn)化為儲氫物質(zhì)甲酸等，為解決環(huán)境和能源問題提供了一種新途徑。

圖5

下列說法錯誤的是

( )

B.放電時，1 mol CO2轉(zhuǎn)化為HCOOH，轉(zhuǎn)移的電子數(shù)為2 mol

D.充電時，正極溶液中OH-濃度升高

【參考答案】D

試題情景立意高遠，落點基于教材電化學基本原理，綜合要求高于教材，符合高考考查要求，體現(xiàn)學科核心素養(yǎng)，立足環(huán)境保護、電化學原理的考查，培養(yǎng)學生科學探究與創(chuàng)新意識的學科素養(yǎng)，提高學生的社會責任感。

基于以上分析，教師應(yīng)以高考試題為參照，不僅要分析解題方法，同時要關(guān)注命題背景選材，在日常的教學中，關(guān)注有關(guān)化學化工的最新科技進展，搜集社會熱點和最新素材，提高學生的知識廣度，提升學生快速讀取信息的能力，引導(dǎo)學生在深入研究高考試題素材的基礎(chǔ)上，注重對學科知識的消化吸收和提煉升華，教師教學與命題中需關(guān)注大學及科研部門各個團隊的最新論文著作，提取中學知識相關(guān)的部分，創(chuàng)新設(shè)計問題情境，挖掘貼近高考真題的素材，命制高質(zhì)量的訓(xùn)練題，著眼學生終身發(fā)展，通過試題情景素材喚醒、激發(fā)學生的創(chuàng)造力和創(chuàng)新力，同時通過教師的自主學習和自主命題，提升教師自身的業(yè)務(wù)能力，開闊眼界，用變化發(fā)展的目光看待科學發(fā)展。

筆者受2020年山東省高考電化學試題啟發(fā)，研究了“微生物燃料電池”相關(guān)文獻，并命制了一道試題。

【例4】(原創(chuàng))某科研小組設(shè)計了微生物燃料電池，進行同步硝化和反硝化脫氮研究，裝置示意圖如圖6所示，下列說法錯誤的是

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圖6

B.缺氧電極和好氧電極都是原電池正極

【參考答案】CD

【命題分析】筆者在試題背景選材上抓住“微生物燃料電池”這一核心，關(guān)注最新研發(fā)信息，搜索適合改編命題的論著成果。該試題使用論文中的裝置框架，改變原圖中顯性信息源，為選項設(shè)問做好鋪墊，根據(jù)文章中原理分析，選擇適合于中學生認知水平的考查點，從知識立意和能力立意進行題干和設(shè)問設(shè)計，根據(jù)不同的學段，設(shè)計難度深度，使試題符合考查的目標和要求。