从电子的运动解决电化学问题

诸佛庵中学   蒋义炎    429696321@

高中化学的电化学在高考的相关考查中,主要要求学生正确判断电极名称、电极方程式正误、电极负极溶液PH和颜色的变化、电解质溶液中离子的运动方向以及电化学的相关计算。面对这些问题,学生的最大难点就是：不能正确书写相关的电极反应式；就离子的运动问题,学生不能依据电子的迁移路线确定溶液中离子的运动路线,无法判断两电极附近溶液的pH值的变化。

笔者在教学总结的一点经验，现分享如下：

在教学中发现绝大多数都能正确说出以下的内容：①电极的材料；②电解质溶液中离子的种类；③知道得失电子的顺序；④知道电子在导线中定向移动，离子在电解质溶液中定向移动；⑤知道电流的方向是从正极到负极，电子的运动方向是从负极到正极；⑥知道微粒的的是电子的顺序；⑦知道原电池的负极材料活泼。

电化学的本质是氧化还原反应，而氧化还原反应的本质是电子的得失，所以学生在掌握以上七点的基础上可以利用电子的得失和定向运动将电化学的考点知识给串联起来，在这个过程中我们只要知道电子从哪里来的和到哪里去，又给了谁即可。

例1、右图是电解CuCl₂溶液的装置，其中 c、d为石墨电极，则下列有关判断正确的是  

A. a为负极，b为正极             

B. a为阳极，b为阴极  

C. 电解过程中，d电极质量增加

D. 电解过程中，氯离子浓度不变

【解析】：图中的微粒种类Cu²⁺、Cl^-、H⁺、OH^-，电极材料为惰性电极，图中的电流方向是a→b，a为电源正极，A错误，电子的运动方向就是c→a，即有微粒在c处失去电子，失去电子的为电极材料本身或电解质溶液中的离子，本题中c电极为惰性材料，不参与反应，那么失去电子只能是Cl^-、或OH^-，所以c电极的电极反应式为：2Cl^-—2e^-=Cl₂↑，Cl^-浓度降低，D正确；如果c极是活泼电极，则是活泼电极优先失去电子，被氧化，本题为电解池，c电极与电源正极相连，c电极为电解池的阳极。又根据电流是闭合的回路原理，即电流从a→c→d→b，电子的流动方向为b→d，c→a，溶液中只有阴阳离子导电，电子不能通过溶液流动，大量的电子在d电极处富集，d电极显负电性，溶液中的阳离子必然向d电极靠拢而捕获电子被还原，本题中只有Cu²⁺和H⁺能够得电子，根据阳离子得电子的能力知d电极的电极反应式为：Cu²⁺+2e^-=Cu，d电极表面有红色物质析出，并且质量增加，如果题目中告知电量变化，还可以求d电极的质量变化量。

如果我们将电解质溶液的种类改为CuSO₄溶液，又会有什么情况呢？题中的微粒种类Cu²⁺、SO₄^2-、H⁺、OH^-，此时在c电极失电子放电的微粒可能为SO₄^2-和OH^-，OH^-放电能力大于SO₄^2-，所以c电极的电极反应式为：4OH^-—4e^-=2H₂O+O₂↑，c极有气泡生成，并且c电极处c（OH^-）减小，c（H⁺）增大，PH值减小，如果溶液中滴加有石蕊试剂，则c电极处溶液变红。

例2、(2016高考化学)用石墨电极完成下列电解实验。

下列对实验现象的解释或推测不合理的是 
A．a、d处：2H₂O+2e^-=H₂↑+2OH^-
B．b处：2Cl^--2e^-=Cl₂↑
C．c处发生了反应：Fe-2e^-=Fe²⁺
D．根据实验一的原理，实验二中m处能析出铜

【解析】：实验一中的微粒有Na⁺、Cl^-、H⁺、OH^-、H₂O，电子经负极到a端，电极a周围的微粒得电子，所以a处的电极反应为：2H⁺+2e^-=H₂↑或2H₂O+2e^-=H₂↑+2OH^-，c（H+）下降，c（OH^-）上升，a处试纸变蓝。然后电子经c极流出，c极能够释放电子的微粒有Cl^-、OH^-，但是c极是活泼的金属电极，活泼金属电极优先放电，所以c极的电极反应式为：Fe-2e^-=Fe²⁺。电子经c流向d，d的电极反应式同a处。最后电子由b极流回电源正极，能够在b极释放电子微粒有Cl^-、OH^-，由于电极是惰性电极，电极不放电，只有离子放电，根据放电的顺序得b电极的电极反应式：2Cl^--2e^-=Cl₂↑；但是答案B对b处现象的解释不正确，B处现象的原因是Cl₂+H₂O=HCl+HClO，HCl的酸性使溶液变红，HClO的漂白性使局部褪色。

实验二中我们同样思考：电子从哪儿来的？，又流向哪儿，给了谁？本题为电解池，电子从电池的负极流出到左边的石墨电极（电子给了谁？①）—→电子（电子从哪儿来的？②）从m铜珠的左边沿铜珠流向m铜珠的右边（电子给了谁？③）—→电子从（电子从哪儿来的？④）n铜珠的左边沿铜珠流向n铜珠的右边（电子给了谁？⑤）—→右边的石墨电极失电子（电子从哪儿来的？⑥）—→电子流回电池正极。

题中的微粒种类有H⁺、OH^-、SO₄^2-。

①电子给了谁？左边石墨电极处的微粒有H⁺、OH^-、SO₄^2-，实验开始时能够得电子的只有H⁺，因此有2H⁺+2e^-=H₂↑，左边的石墨电极有气泡。c（H⁺）减小，c（OH^-）增大，PH值升高。

②电子从哪儿来的？m铜珠的左边的微粒成份有H⁺、OH^-、SO₄^2-、Cu，能够失电子微粒是OH^-、SO₄^2-、Cu，Cu为活泼电极，优先失去电子，电极反应式为：Cu-2e^-=Cu²⁺。
③电子给了谁？实验开始时能够的电子的只有H⁺，因此有2H⁺+2e^-=H₂↑，m铜珠右边有气泡。PH值升高。

④电子从哪儿来的？n铜珠的左边的微粒成份有H⁺、OH^-、SO₄^2-、Cu，能够失电子微粒是OH^-、SO₄^2-、Cu，Cu为活泼电极，优先失去电子，电极反应式为：Cu-2e^-=Cu²⁺。

⑤电子给了谁？实验开始时能够的电子的只有H⁺，因此有2H⁺+2e^-=H₂↑，n铜珠右边有气泡。PH值升高。

⑥电子从哪儿来的？右边石墨电极处的微粒有H⁺、OH^-、SO₄^2-，能够失去电子的有OH^-、SO₄^2-，4OH^- + 2e^-=O₂↑+2H₂O，c（OH^-）减小，c（H⁺）增大，PH值减小。

通电一段时间后，电解质溶液中的c（Cu²⁺）逐渐增大，c（H⁺）减小并逐渐消失，左边石墨电极和m铜珠右边的阳离子变成Cu²⁺，得电子的Cu²⁺，所以左边石墨电极和m铜珠右边有铜析出。

同样，对于电化学试题中的原电池我们根据原电池的电解材料判断出电池的正负极，再根据电子的运动路径可以完成试题即可。

例3微生物电池是指在微生物的作用下将化学能转化为电能的装置，其工作原理如图所示。下列有关微生物电池的说法错误的是（   ）

A．正极反应中有CO₂生成

B．微生物促进了反应中电子的转移

C．质子通过交换膜从负极区移向正极区

D．电池总反应为C₆H₁₂O₆+6O₂=6CO₂+6H₂O

【解析】从图中可以看出右边有O₂参与反应，氧气再反应中得电子，电子从导线流向右边的电极→右边为正极→左边为负极→左边的电解质溶液中的微粒得电子，所以有负极上C₆H₁₂O₆失电子被氧化为CO₂，正极上O₂得电子和H⁺反应生成水，负极的电极反应式为C₆H₁₂O₆+6H₂O-24e-==6CO₂+24H⁺，正极的电极反应式为O₂+4e^-+4H⁺==2H₂O,因此CO₂在负极产生，A错误。葡萄糖在微生物的作用下将化学能转化为电能，形成原电池，有电流产生，所以微生物促进了反应中电子的转移，B正确；通过电子的运动知道，电子在右侧的正极的电极上富集，所以H⁺通过质子交换膜向右侧正极区域流动，C正确；电池的总反应实质是葡萄糖的氧化反应D正确。

无论原电池、电解池还是电镀池，同学们皆可从电子运动的角度分析三池中的微粒得失电子状况，根据微粒的得失电子判断电极反应和电极区域的PH变化情况。