以考题为例探析电化学情景分析的争议问题

2013年高考结束到现在，仍然有老师质疑
2013年重庆化学卷11题中电极反应方程式的标准答案。

原题节选如下：
化学在环境保护中起着十分重要的作用，催化反硝化法和电化学降解法可用于治理水中硝酸盐的污染。

（1）略。

（2）电化学降解NO 3-的原理如图1所示。

图1
①电源正极为 （填“A”或“B”），阴极反应式为 。

②若电解过程中转移了2mol 电子，则膜两侧电解液的质量变化差（Δm 左－Δm 右）为 g。

阴极的电极方程式，标准答案是2NO 3-+6H 2O+10e -=N 2↑+12OH -，不少考生和教师对标准答
案有异议，认为正确的反应方程式应该为：2NO 3-+12H ++10e -=N 2↑+6H 2O。

比较两种写法，争议在于反应时阴极区酸碱性的判断。

按照标准答案写法，阴极为中性或者碱性环境；而持反对的意见的老师认为本题中的阴极应该是酸性环境，即按照后一种写法更正确。

他们坚持阴极为酸性，提出了三种理由：（1）
装置中有质子交换膜，表明反应在酸性环境中进
行；（2）阳极氢氧根放电，产生的H +迁移到阴极，使阴极呈酸性；（3）硝酸根在酸性条件下才能得电子发生电极反应，因此要求阴极区必须为酸性。

笔者认为，标准答案是准确的。

以上三种理由，恰好反映出在电化学分析中存在的典型误解。

下面针对三个误解进行分析，以消除对电化学研究和教学的影响。

1 质子交换膜不能作为酸性环境的依据质子交换膜，是只允许质子（即H +）通过的特殊分离膜，主要的功能是将两个电极区分隔，同时选择性的允许质子通过而完成电流循环。

不因“质子”而要求一定在酸性环境中使用。

随着质子交换膜的性能提高，越来越多的原电池和电解池中加以运用。

比如，查询文献发现，质子交换膜不但用于酸性环境的燃料电池，还用于碱性燃料电池。

由美国GE 公司首先开发成功的质子交换膜燃料电池（PEMFC ），应用于吉米尼号（Gemini ）宇宙飞船（1965年），为碱性燃料电池。

用的就是全氟磺酸离子交换膜（Nafion 膜和Dow 膜），性能非常好，电池寿命可达5000h [1]。

以此可以看出，质子交换膜不只用于酸性环境，也可以用于碱性环境中，通过质子交换膜的存在判断溶液显酸性的观点不成立。

2 溶液中离子定向移动速率慢，H +不能快速到达阴极
按照第二种理由，阳极产生的H +能够和电流速度一样快地迁移到阴极，使阴极迅速形成酸性
环境，方程可以写作：2NO 3-+12H ++10e -=N 2↑+
以考题为例探析电化学情景分析的争议问题
张 军*
(重庆南开中学，重庆市沙坪坝区 400030)
摘要：针对2013年高考重庆卷中电化学考题出现的争议进行分析，澄清了三种典型误解，提出对应的正确观点：质子交换膜不能作为酸性条件的依据；溶液中离子移动速率比较慢，不能快速移动到另一电极；硝酸根在碱性条件下可以在阴极放电。

关键词：电化学；质子交换膜；离子移动；电极电势
文章编号：1005–6629(2015)9–0091–03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
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* 通讯联系人，E -mail：zhangjuntop@。

6H2O。

那阳极产生的H+能不能像电流速度一样移动到阴极呢？
查阅北师大版《物理化学》，得到电量与电流速度的关系[2]：假设在面积A为1m2的两个电极之间盛有一电解质溶液，溶液离子的浓度分别为c （单位为mol·m-3），离子的价数为z，两极间的距离为l（单位m），外加电压为V，在此条件下，电荷迁移速率为r，则每秒钟通过任意截面的离子运载的电量为Q=czrAF，变换得到离子运动速率公式：
r=
Q czAF
设电流为1A，即每秒钟通过的电量为1C；面积A=1m2；H+所带电荷为1，即z=1；F=96500 C·mol-1；c(H+)=1 mol·m-3。

代入计算，得
r=
Q
czAF
=
1
1×1×1×96500
=10-5 m/s
可以看出，H+的定向移动的速率非常慢，按照这个速率，H+通过1m长的距离需要27小时，远远低于电流速率。

实际上，闭合开关的瞬间，电路中的各个位置迅速建立了恒定电场，在恒定电场的作用下，电路中各处的离子几乎同时开始定向运动。

整个电路中几乎同时形成电流，电极反应立即开始。

在本题的电解池中，阳极产生的H+向阴极方向移动，通过质子交换膜移向阴极区，阴极区反应产生的OH-向着阳极移动，在半透膜周围相遇，发生中和反应。

定量分析该电极反应，电路中转移10mol e-时，阳极产生10mol H+，阴极产生12mol OH-，反应后OH-剩余，说明随着反应的进行，阴极区碱性逐渐增强。

据此进一步说明了阴极区溶液显碱性，证明标准答案的正确性。

3 碱性条件下，硝酸根在阴极有放电可能
不少教师根据平时解题中的一般思维，认为硝酸根在中性或者碱性不表现氧化性，因此硝酸根在阴极得电子参加电极反应，必须要求酸性环境。

产生这一误解的原因是将反应条件泛化，即没有其他外界条件干扰时，通过能斯特方程计算出氢离子浓度会对硝酸根的氧化能力有较大影响，但在本题中还有一个关键因素是在电极上的反应，不适用于此结论条件。

根据实验和理论计算，硝酸根在碱性条件下，有在阴极得电子放电的可能。

3.1 借助实验研究硝酸根的氧化性
稽雷高[3]老师对这个问题专门进行了实验研究：将2g的NaNO3固体放在试管中，加入约5mL 浓度为6 mol/L的NaOH溶液，振荡使其溶解，然后插入用砂纸打磨过的铝条，一段时间后，试管中产生大量气泡，并有刺激性气味。

他认为是硝酸根被铝还原成了NH3，方程式为：8Al+3NO3-+5OH-+2H2O=8AlO2-+3NH3↑。

笔者对这个实验进行验证，得到同样的现象。

本想进一步收集气体，验证产物中是否含有题目的产物N2，限于笔者所处环境，暂时还未找到合理的验证方案，只能再做探究。

但有氨气生成，已经充分说明硝酸根在碱性条件下，有比较强的氧化性这一事实。

3.2 据电极电势的理论计算
经过资料查阅，得到碱性溶液中氮元素的电极电势图[4]：
NO0.150.7620.94-0.733
根据电极电势图，可以计算求得E0(NO3-/N2)：
E0(NO3-/N2)=
1
5
(3×0.15+1×0.76+1×0.94) =+0.43V
从标准电极电势可以看出，硝酸根的电极电势比较高，氧化性趋势比较大，该反应在热力学上可能发生。

4 结论
师者，所以传道授业解惑也。

这是唐代教育家韩愈对教师的职责的高度概括，也是对教师能力的明确要求。

作为化学教师，应该具备准确教授化学学科知识，正确解答学生疑问并且促进学生思维和品德发展的能力。

从本文的分析可以看出，正是由于教师本身对电化学原理的认识不够科学和准确，造成教学中的片面甚至错误理解，最终影响到学生对问题的认识和解答。

因此，作为化学教师，应该具备较强的化学学科素养，对化学知识及化学原理有准确、科学的认识。

同时，化学学科本身在不断发展，相关技术的应用正发生着日新月异的变化。

作为化学工作者，也应该紧扣时代步伐，主动了解和吸收前沿的科学及技术。

只有这样，才能够正确传授化学学科知识，解答学生问题，更好地引领学生在化学学科上向前发展。

　
·问题讨论·教学参考
参考文献：
[1]毕道治.燃料电池的历史、现状和未来[J].电池工业，2000，（12）（第5卷第6期）：248~253.
[2]范楼珍，王艳，方维海.物理化学[M].北京：北京师范大学出版社，2009，（3）：223.
[3]稽雷高.碱性条件下硝酸根真的没有氧化性吗[J].化学教育，2014，（11）：87~88.
[4]大连理工大学无机化学教研室.无机化学[M].北京：高等教育出版社，2006，第6版：451.
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