摘要：基于對高考試題中涉及電解NaCl溶液原理考查的選擇題進行分類分析，把握此類試題的考查角度；基于真實文獻情境，聚焦不同的考查角度進行原創(chuàng)命題，通過考試測評與結果分析，進一步了解不同階段學生解決問題時思維方式的差異，為教學提供參考借鑒。

關鍵詞：真實情境；電化學；電解NaCl溶液；命題與測評

電解飽和食鹽水是高中化學選擇性必修1《化學反應原理》教學的一個重要素材[1]，該電解過程有助于學生進一步理解電解原理、認識電解在實現物質轉化中的具體應用。習慣上，把電解飽和食鹽水的工業(yè)生產叫做氯堿工業(yè)；氯堿工業(yè)是基本化工原材料工業(yè)，在國民經濟生產中占有重要地位，其主要產品燒堿、Cl2和H2被廣泛應用于化工、紡織、建材等領域。因此，氯堿工業(yè)中的化學原理承載著豐富的教育教學與考試評價功能，在近年的高考試題中，相關試題命題情境（如電解NaCl溶液、氯堿工作、電解海水等）備受青睞[2]。

1 試題分析

基于NaCl溶液組成及電解NaCl溶液的原理，結合對近五年高考電化學選擇題的梳理，其中與電解NaCl溶液工作原理相關的試題主要集中在氯堿工業(yè)（或電解NaCl溶液）、海水制氫及海水淡化等方面。

1.1 氯堿工業(yè)（或電解NaCl溶液）

高考試題中對氯堿工業(yè)（或電解NaCl溶液）的考查不僅針對原理本身，還包括對該原理的其他應用以及對該過程改進優(yōu)化的考查。

1.1.1 對原理的考查

立足于基礎知識的測評，直接對氯堿工業(yè)（或電解NaCl溶液）相關原理進行考查。如，2020年浙江1月高考第18題，以采用離子交換膜電解技術的氯堿工業(yè)為情境，重點考查了電極反應及電極產物判斷、離子交換膜種類的判斷、各極室電解質溶液以及離子遷移等核心知識；2023年廣東卷則是將電解飽和食鹽水與氯氣的性質檢驗及尾氣處理相結合，針對兩電極產生的氣體成分、氯氣的性質等進行考查。此類試題重點考查學生在熟悉情境下對電解原理的識記與理解。

1.1.2 對其他應用的考查

電解NaCl溶液制備消毒液在日常生產、生活中屢見不鮮，該電解過程也應用于海洋生物污損的消除。海洋生物污損給艦船及海中設施帶來了損害，如增大船舶航行阻力、管道堵塞、海中儀器失靈等。防止生物污損是水處理的重要環(huán)節(jié)，而電解防污技術是防止生物污損的常見方法，該技術應用了電解NaCl溶液的工作原理，陽極產生的Cl2與陰極產生的NaOH直接發(fā)生反應，生成的NaClO對海洋生物的附著與生長有很好的抑制作用，從而防止生物污損的發(fā)生。2021年全國乙卷以“沿海電廠采用在管道中設置惰性電極以抑制排水管中生物的附著和滋生”[3]為情境，考查學生遷移應用所學電解NaCl溶液的原理分析解釋真實情境問題的能力，學生需根據題干信息并結合題目給出的“Hychlorator電解槽結構示意圖”，理解電解法去除生物的原理和過程，相對靈活的考查方式避免了學生通過機械記憶作答題目的現象。

1.1.3?對改進優(yōu)化的考查

2022年廣東卷第16題和2022年遼寧卷第14題，均以一種高能量密度的全氯無膜氧化還原液流電池[4]為情境，該電池以NaCl水溶液為電解質溶液，來源豐富且成本低廉。該電池充電時，陽極為Cl-放電，生成的Cl2通過多孔炭電極溶于CCl4，作為電池放電的正極反應物；而此時陰極反應為NaTi2（PO4）3＋2Na+＋2e-＝Na3Ti2（PO4）3，有效地避免了H2的產生，Na+的嵌入和脫出確保了充電和放電過程的循環(huán)發(fā)生，而NaCl溶液的濃度在充電時減小而在放電時增大。試題通過對電極反應、離子遷移方向、電解質溶液濃度變化及定量計算等核心知識的考查，進一步診斷學生將所學知識應用于解決新情境中相關問題的能力。

2023年浙江6月卷第13題，則是以“氧陰極電解技術在氯堿工業(yè)中的應用”[5]為情境，其原理是膜電解原理與燃料電池原理的結合，即電解時在陽極生成Cl2，但不同之處在于向陰極區(qū)提供O2，O2與H2O反應生成OH-，而沒有H2產生，降低了陰極的電解電壓[已知：Cl2＋2e-＝2Cl-（φ?=+1.36V）；2H2O＋2e-＝H2＋2OH-（φ?=-0.83V）；O2＋2H2O＋4e-＝4OH-（φ?=+0.40V）][6]，吸氧與析氫相比，電解槽的槽電壓降低1 V左右[7]，大幅度降低電耗。本題針對電極判斷、陰極反應、離子交換膜以及由于陰極反應的改變所引起的能耗減少等進行了考查，學生在解題時，需要跳出傳統(tǒng)氯堿工業(yè)的思維定勢，結合題目信息予以分析。

1.2 海水制氫

氫是21世紀人類可持續(xù)發(fā)展最具潛力的清潔能源。全球海水資源豐富，電解海水制氫在實現規(guī)?；茪浞矫婢哂械锰飒毢竦膬?yōu)勢。電解海水制氫主要有兩種方法[8]：一種是對海水經脫鹽、除雜處理得到的蒸餾水進行常規(guī)電解，此方法成本較高；另一種是直接電解海水，但需解決電解過程中的腐蝕和不良電化學產物問題。

2023年湖北卷第10題，以謝和平院士團隊在Nature上發(fā)表的基于膜技術電解海水制氫的論文[9]為情境，該團隊首次利用物理力學與電化學相結合的思路，開創(chuàng)了相變遷移驅動的海水無淡化直接電解制氫技術，實現了無淡化過程、無副反應以及無額外能耗的技術突破。除常規(guī)考查外，試題還對該技術的創(chuàng)新之處進行了考查，在題干中給出“該裝置工作時陽極無Cl2生成且KOH溶液的濃度不變”，對PTFE這種特殊膜的作用進行考查，并要求學生根據題干中電解生成H2速率的信息推算補水速率。該題目以復雜陌生情境為載體，學生需結合題目信息深入理解電解池的工作原理，才能準確做出分析判斷，此外，試題情境突顯我國科學家的重大貢獻，潛移默化中對學生進行情感、態(tài)度及價值觀的教育，很好地發(fā)揮了試題情境的教育功能。

2023年遼寧卷第7題，以“采用含Pt0.06Ru0.24Ti0.7Ox三元催化劑（PRT）的電極作陽極、含MnOx催化劑的電極作陰極，進行無膜直接電解海水制氫”[10]為情境，兩電極上的催化劑分別對反應Cl-＋H2O-2e-＝HClO＋H+和2H2O＋2e-＝H2＋2OH-具有良好的催化活性和選擇性，可以有效抑制O2在陽極的生成；同時，在MnOx電極上，HClO和ClO-可能發(fā)生的還原反應也被抑制，以確保高純度H2的生成。該試題以簡要的題干說明了裝置的作用及催化劑的部分作用，重在引導學生讀圖、析圖，根據圖中的轉化關系，進一步分析相關反應以及反應所帶來的電解質溶液的變化。

2 試題命制與測評分析

除上述研究外，化學工作者對電解NaCl溶液原理應用的研究從未止步，以電解NaCl溶液為基礎不斷拓展其應用價值、不斷優(yōu)化完善以趨利避害。因此，此類試題命制的參考文獻素材也頗為豐富，在近年深圳市高三模擬試題命制時，筆者嘗試以電解NaCl溶液為基礎進行改變和創(chuàng)新，以測評學生對電解原理的深刻理解和靈活應用，并基于SOLO分類理論分析解決不同問題時需要達到的思維層次水平[11]。部分試題列舉如下，并根據學生答題情況繪制難度曲線圖[12]（圖1）。

2.1 設計多步轉化避免膜的使用

傳統(tǒng)的氯堿工藝耗能且不環(huán)保，文獻[13]報道了一種清潔、節(jié)能、低成本的三步電解法氯堿工藝，這一改良工藝包括三個獨立的步驟：Na0.44MnO2/O2電解池（步驟I：產生NaOH），Ag/Na0.44-xMnO2電池（步驟II：電極存儲Na+和Cl-），石墨/AgCl電解池（步驟III：生成Cl2）。該技術避免了昂貴的離子交換膜和有毒電極材料的使用，為創(chuàng)造一種清潔、低成本的氯堿電解工藝提供了廣闊的前景。以此為情境素材命制的試題如下：

[2022年深二模]15．一種清潔、低成本的三步法氯堿工藝工作原理的示意圖如下。下列說法不正確的是

A．與傳統(tǒng)氯堿工藝相比，該方法可避免使用離子交換膜

B．第一步中陽極反應為：Na0.44MnO2-xe-＝Na0.44-xMnO2＋xNa+

C．第二步中，放電結束后，電解質溶液中NaCl的含量增大

D．理論上，每消耗1 mol O2，可生產4 mol NaOH和2 mol Cl2

參考答案：C

分析解答此題需要學生在逐步分析相應步驟工作原理的基礎上，結合工作原理示意圖兩步驟中間的物質循環(huán)轉化關系，關聯各步驟原理并進行整體性分析，因此相應的思維層次為關聯結構（R）水平。

在實際測評中，本試題難度（0.8）略小、區(qū)分度（0.41）良好。在其他三個錯誤選項中，D選項的誤選率為14.56%，其中低分組（后27%）學生誤選率高達28.07%，此部分學生未能建立起三步驟的有效關聯整合，思維層次可能仍停留在獨立對各步驟進行分析的多元結構（M）水平。分析解答此題時，學生需對三步法原理形成較為清晰的認識，特別是在整個過程中發(fā)揮“承上啟下”作用的第二步原電池反應，該步驟NaCl溶液中的Na+和Cl-儲存于兩電極中，使第一步用于產生NaOH的電解池的陽極材料和第三步用于產生Cl2的電解池的陰極材料得以再生。此外，誤選D的學生對整個過程中基于電子守恒的反應物與生成物的量比關系（1O2～4OH-～2Cl2～4e-）仍未理清。從難度曲線圖（圖1）可以看出，此題對總分在20分以上的學生，難度略低，特別是總分為40分左右的學生，此題的得分率接近60%。

2.2 收集電極產物形成二次電池

文獻[14]報道了以Bi作為Cl-存儲電極、NaTi2（PO4）3作為Na+存儲電極，構建的一種新型可充電海水淡化電池，該電池在海水淡化過程中充電，在鹽化過程中放電，但該電池潛在的局限性為Cl-和Na+存儲的不平衡[即轉化時所需電子的物質的量：n（Cl-存儲器）：n（Na+存儲器）=3：1]。以此為情境素材命制的試題如下：

[2019年深一模]12．下圖為某二次電池充電時的工作原理示意圖，該過程可實現鹽溶液的淡化。下列說法錯誤的是

A．充電時，a為電源正極

B．充電時，Cl-向Bi電極移動，Na+向NaTi2（PO4）3電極移動

C．放電時，正極的電極反應為BiOCl＋2H+＋3e-＝Bi＋Cl-＋H2O

D．充電時，新增入電極中的n（Na+）：n（Cl-）為1：3

參考答案：D

分析解答此題需要學生基于二次電池充電時的工作原理，有效關聯該電池充電與放電過程，并基于電子得失守恒判斷離子參與電極反應的物質的量之比，因此相應的思維層次為關聯結構（R）水平。

在實際測評中，本試題難度（0.71）略小、區(qū)分度（0.56）良好。在其他三個錯誤選項中，C選項的誤選率最高為18.13%，此部分學生不能很好地根據題目所給出的電池充電時的工作原理關聯分析放電時的電極反應，一方面，可歸因于學生不理解該電池的工作原理；另一方面，學生對于充電與放電時電極的切換仍存在認知障礙。從難度曲線圖（圖1）可以看出，此題對總分在30分以上的學生，難度略低，特別是總分為60分左右的學生，此題的得分率高達80%。

2.3 聯合充電放電實現消毒脫氯

氯化消毒是生產安全用水最常用的方法，而電解鹽水溶液是一項頗具應用前景的發(fā)電消毒技術，但往往會出現無法中和殘余游離氯的情況。文獻[15]報道了一種利用鈉選擇性膜分離陽極和陰極的消毒脫氯電池，陰極由Na+還原成金屬Na儲能，陽極為Cl-氧化成游離氯進行消毒；隨后，殘余游離氯在放電過程中被還原，實現脫氯處理從而降低消毒劑的毒性。以此為情境素材命制的試題如下：

[2022年深一模]16．利用電化學原理可對海水（主要成分NaCl和H2O，還含有少量微生物）進行消毒，并能清除殘留的含氯消毒物質（工作原理如圖，其中電極均為惰性電極）。

已知：工作時，先斷開K2，閉合K1，一段時間后，斷開K1，閉合K2。

下列說法不正確的是

A．閉合K1后的總反應為2Cl-＋2H2O通電（=====）Cl2↑＋H2↑＋2OH-

B．閉合K2后，Na+通過離子交換膜從II室遷移至III室

C．工作完成后，II室中有金屬Na剩余

D．殘留的含氯消毒物質在III室放電被脫除

參考答案：A

分析解答此題時，學生需要根據題目中裝置的作用及工作原理信息，基于但需超越電解NaCl溶液的問題本身，形成個性化的推理分析方式，思維層次對應拓展抽象（E）水平。

在實際測評中，本試題難度（0.13）較大、區(qū)分度（0.2）尚可。在其他三個錯誤選項中，C選項的誤選率為49.87%，其中高分組（前27%）的學生誤選C率為52.37%，遠高于低分組（后27%）學生誤選C率（41.07%），出現這一反?，F象可能的原因為：高分組的學生未能結合“含Na+的有機電解液體系”的信息，突破原有的分析電解NaCl溶液電極反應的思維局限；在分析既能“產生含氯消毒物質”又能“清除殘留含氯消毒物質”的工作原理時，未能抽象出此個性化問題中的守恒關系，即閉合K1時，Na+和Cl-得失電子守恒，Na+轉化為Na單質，Cl-轉化為ClO-、HClO和Cl2（記作TC）；此時溶液中的TC從微生物得電子，部分被還原為Cl-；閉合K2時，殘余TC從金屬鈉得電子，被還原為Cl-。該題的難度曲線低于理想曲線（圖1），說明本題對于各分數段的學生均偏難，特別是總分為70～80分的學生，其得分率低于20%。

3 思考與總結

綜上分析，高頻考點大體相同，而基于不同情境命制的試題的測量結果卻是不同的，雖然與學生群體以及其所處復習階段有關，但主要還是取決于試題本身對學生思維層次的要求。基于SOLO分類理論，電解NaCl溶液工作原理相關試題的考查方式和對學生思維層次要求的對應關系如表1。

由上述分析可知，不能思維層次學生培養(yǎng)的側重點是有所差異的：

基礎較為薄弱的學生需發(fā)展其M水平思維，此類學生的認知往往是孤立的，所存儲的信息片段只能幫助他們應對熟悉情境中的散點問題。如，雖能夠理解電解NaCl溶液的工作原理，但倘若將此原理嵌入其他場景中進行應用時，便無法辨識出原型，因此，簡單邏輯推理思維方式的培養(yǎng)對此類學生至關重要，教師需引導此類學生順利完成從一般到特殊的推導，或透過特殊現象的外飾看清其本質和一般規(guī)律。

基礎相對良好的學生需固牢其R水平思維，主要包括：由某一思維點發(fā)散其他思維點，如將電解NaCl溶液的過程轉變?yōu)榭沙潆?、放電的過程，基于此思維點可發(fā)散出兩極電解產物的收集（溶于CCl4或嵌入電極）和再利用（滿足形成電池的條件）等多個新的思維點；由多個并列思維點提煉核心觀點，如將“電解產生NaOH”“放電在電極存儲Na+和Cl-”“電解生成Cl2”多步驟工作原理進行關聯整合，即可提煉出“該方法在實現氯堿工業(yè)生產的基礎上有效避免了膜的使用”這一核心觀點；找尋多個思維點之間的關聯，如基于膜電解原理與燃料電池原理的聯系，實現了氯堿工業(yè)陽極區(qū)與燃料電池正極區(qū)的融合，有助于增進對氧陰極電解技術在氯堿工業(yè)中應用的工作原理的理解。

基礎較為強固的學生需重視其E水平思維，即通過互相聯系、相互作用抽象出動態(tài)的整體結構。如，基于定性的角度認識“電解時產生含氯消毒物質”及“放電時消除殘余含氯消毒物質”的原理，基于定量的角度認識兩個過程中的電子守恒關系，并且定性分析和定量分析相互關聯、相互影響，拓展抽象出解決此問題的個性化思維方式。因此，教師可通過客觀試題主觀化、主觀試題問題化等方式，引導學生通過表達外顯其思維歷程，了解他們突破此類綜合問題時可能存在的思維障礙，幫助學生提升思維的完整性和系統(tǒng)性。

總之，基于電解NaCl溶液相關原理的命題素材是頗為豐富的，基于不同情境所命制的試題對學生思維方式的考查要求也是不盡相同的。通過測評結果分析，幫助學生找到他們思維的障礙點和發(fā)展點，進一步發(fā)揮試題對學生的評價功能。

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