基于真实情境的电化学选择题命制与测评

摘要：基于对高考试题中涉及电解NaCl溶液原理考查的选择题进行分类分析，把握此类试题的考查角度；基于真实文献情境，聚焦不同的考查角度进行原创命题，通过考试测评与结果分析，进一步了解不同阶段学生解决问题时思维方式的差异，为教学提供参考借鉴。

关键词：真实情境；电化学；电解NaCl溶液；命题与测评

电解饱和食盐水是高中化学选择性必修1《化学反应原理》教学的一个重要素材[1]，该电解过程有助于学生进一步理解电解原理、认识电解在实现物质转化中的具体应用。习惯上，把电解饱和食盐水的工业生产叫做氯碱工业；氯碱工业是基本化工原材料工业，在国民经济生产中占有重要地位，其主要产品烧碱、Cl2和H2被广泛应用于化工、纺织、建材等领域。因此，氯碱工业中的化学原理承载着丰富的教育教学与考试评价功能，在近年的高考试题中，相关试题命题情境（如电解NaCl溶液、氯碱工作、电解海水等）备受青睐[2]。

1 试题分析

基于NaCl溶液组成及电解NaCl溶液的原理，结合对近五年高考电化学选择题的梳理，其中与电解NaCl溶液工作原理相关的试题主要集中在氯碱工业（或电解NaCl溶液）、海水制氢及海水淡化等方面。

1.1 氯碱工业（或电解NaCl溶液）

高考试题中对氯碱工业（或电解NaCl溶液）的考查不仅针对原理本身，还包括对该原理的其他应用以及对该过程改进优化的考查。

1.1.1 对原理的考查

立足于基础知识的测评，直接对氯碱工业（或电解NaCl溶液）相关原理进行考查。如，2020年浙江1月高考第18题，以采用离子交换膜电解技术的氯碱工业为情境，重点考查了电极反应及电极产物判断、离子交换膜种类的判断、各极室电解质溶液以及离子迁移等核心知识；2023年广东卷则是将电解饱和食盐水与氯气的性质检验及尾气处理相结合，针对两电极产生的气体成分、氯气的性质等进行考查。此类试题重点考查学生在熟悉情境下对电解原理的识记与理解。

1.1.2 对其他应用的考查

电解NaCl溶液制备消毒液在日常生产、生活中屡见不鲜，该电解过程也应用于海洋生物污损的消除。海洋生物污损给舰船及海中设施带来了损害，如增大船舶航行阻力、管道堵塞、海中仪器失灵等。防止生物污损是水处理的重要环节，而电解防污技术是防止生物污损的常见方法，该技术应用了电解NaCl溶液的工作原理，阳极产生的Cl2与阴极产生的NaOH直接发生反应，生成的NaClO对海洋生物的附着与生长有很好的抑制作用，从而防止生物污损的发生。2021年全国乙卷以“沿海电厂采用在管道中设置惰性电极以抑制排水管中生物的附着和滋生”[3]为情境，考查学生迁移应用所学电解NaCl溶液的原理分析解释真实情境问题的能力，学生需根据题干信息并结合题目给出的“Hychlorator电解槽结构示意图”，理解电解法去除生物的原理和过程，相对灵活的考查方式避免了学生通过机械记忆作答题目的现象。

1.1.3 对改进优化的考查

2022年广东卷第16题和2022年辽宁卷第14题，均以一种高能量密度的全氯无膜氧化还原液流电池[4]为情境，该电池以NaCl水溶液为电解质溶液，来源丰富且成本低廉。该电池充电时，阳极为Cl-放电，生成的Cl2通过多孔炭电极溶于CCl4，作为电池放电的正极反应物；而此时阴极反应为NaTi2（PO4）3＋2Na+＋2e-＝Na3Ti2（PO4）3，有效地避免了H2的产生，Na+的嵌入和脱出确保了充电和放电过程的循环发生，而NaCl溶液的浓度在充电时减小而在放电时增大。试题通过对电极反应、离子迁移方向、电解质溶液浓度变化及定量计算等核心知识的考查，进一步诊断学生将所学知识应用于解决新情境中相关问题的能力。

2023年浙江6月卷第13题，则是以“氧阴极电解技术在氯碱工业中的应用”[5]为情境，其原理是膜电解原理与燃料电池原理的结合，即电解时在阳极生成Cl2，但不同之处在于向阴极区提供O2，O2与H2O反应生成OH-，而没有H2产生，降低了阴极的电解电压[已知：Cl2＋2e-＝2Cl-（φϴ=+1.36V）；2H2O＋2e-＝H2＋2OH-（φϴ=-0.83V）；O2＋2H2O＋4e-＝4OH-（φϴ=+0.40V）][6]，吸氧与析氢相比，电解槽的槽电压降低1 V左右[7]，大幅度降低电耗。本题针对电极判断、阴极反应、离子交换膜以及由于阴极反应的改变所引起的能耗减少等进行了考查，学生在解题时，需要跳出传统氯碱工业的思维定势，结合题目信息予以分析。

1.2 海水制氢

氢是21世纪人类可持续发展最具潜力的清洁能源。全球海水资源丰富，电解海水制氢在实现规模化制氢方面具有得天独厚的优势。电解海水制氢主要有两种方法[8]：一种是对海水经脱盐、除杂处理得到的蒸馏水进行常规电解，此方法成本较高；另一种是直接电解海水，但需解决电解过程中的腐蚀和不良电化学产物问题。

2023年湖北卷第10题，以谢和平院士团队在Nature上发表的基于膜技术电解海水制氢的论文[9]为情境，该团队首次利用物理力学与电化学相结合的思路，开创了相变迁移驱动的海水无淡化直接电解制氢技术，实现了无淡化过程、无副反应以及无额外能耗的技术突破。除常规考查外，试题还对该技术的创新之处进行了考查，在题干中给出“该装置工作时阳极无Cl2生成且KOH溶液的浓度不变”，对PTFE这种特殊膜的作用进行考查，并要求学生根据题干中电解生成H2速率的信息推算补水速率。该题目以复杂陌生情境为载体，学生需结合题目信息深入理解电解池的工作原理，才能准确做出分析判断，此外，试题情境突显我国科学家的重大贡献，潜移默化中对学生进行情感、态度及价值观的教育，很好地发挥了试题情境的教育功能。

2023年辽宁卷第7题，以“采用含Pt0.06Ru0.24Ti0.7Ox三元催化剂（PRT）的电极作阳极、含MnOx催化剂的电极作阴极，进行无膜直接电解海水制氢”[10]为情境，两电极上的催化剂分别对反应Cl-＋H2O-2e-＝HClO＋H+和2H2O＋2e-＝H2＋2OH-具有良好的催化活性和选择性，可以有效抑制O2在阳极的生成；同时，在MnOx电极上，HClO和ClO-可能发生的还原反应也被抑制，以确保高纯度H2的生成。该试题以简要的题干说明了装置的作用及催化剂的部分作用，重在引导学生读图、析图，根据图中的转化关系，进一步分析相关反应以及反应所带来的电解质溶液的变化。

2 试题命制与测评分析

除上述研究外，化学工作者对电解NaCl溶液原理应用的研究从未止步，以电解NaCl溶液为基础不断拓展其应用价值、不断优化完善以趋利避害。因此，此类试题命制的参考文献素材也颇为丰富，在近年深圳市高三模拟试题命制时，笔者尝试以电解NaCl溶液为基础进行改变和创新，以测评学生对电解原理的深刻理解和灵活应用，并基于SOLO分类理论分析解决不同问题时需要达到的思维层次水平[11]。部分试题列举如下，并根据学生答题情况绘制难度曲线图[12]（图1）。

2.1 设计多步转化避免膜的使用

传统的氯碱工艺耗能且不环保，文献[13]报道了一种清洁、节能、低成本的三步电解法氯碱工艺，这一改良工艺包括三个独立的步骤：Na0.44MnO2/O2电解池（步骤I：产生NaOH），Ag/Na0.44-xMnO2电池（步骤II：电极存储Na+和Cl-），石墨/AgCl电解池（步骤III：生成Cl2）。该技术避免了昂贵的离子交换膜和有毒电极材料的使用，为创造一种清洁、低成本的氯碱电解工艺提供了广阔的前景。以此为情境素材命制的试题如下：

[2022年深二模]15．一种清洁、低成本的三步法氯碱工艺工作原理的示意图如下。下列说法不正确的是

A．与传统氯碱工艺相比，该方法可避免使用离子交换膜

B．第一步中阳极反应为：Na0.44MnO2-xe-＝Na0.44-xMnO2＋xNa+

C．第二步中，放电结束后，电解质溶液中NaCl的含量增大

D．理论上，每消耗1 mol O2，可生产4 mol NaOH和2 mol Cl2

参考答案：C

分析解答此题需要学生在逐步分析相应步骤工作原理的基础上，结合工作原理示意图两步骤中间的物质循环转化关系，关联各步骤原理并进行整体性分析，因此相应的思维层次为关联结构（R）水平。

在实际测评中，本试题难度（0.8）略小、区分度（0.41）良好。在其他三个错误选项中，D选项的误选率为14.56%，其中低分组（后27%）学生误选率高达28.07%，此部分学生未能建立起三步骤的有效关联整合，思维层次可能仍停留在独立对各步骤进行分析的多元结构（M）水平。分析解答此题时，学生需对三步法原理形成较为清晰的认识，特别是在整个过程中发挥“承上启下”作用的第二步原电池反应，该步骤NaCl溶液中的Na+和Cl-储存于两电极中，使第一步用于产生NaOH的电解池的阳极材料和第三步用于产生Cl2的电解池的阴极材料得以再生。此外，误选D的学生对整个过程中基于电子守恒的反应物与生成物的量比关系（1O2～4OH-～2Cl2～4e-）仍未理清。从难度曲线图（图1）可以看出，此题对总分在20分以上的学生，难度略低，特别是总分为40分左右的学生，此题的得分率接近60%。

2.2 收集电极产物形成二次电池

文献[14]报道了以Bi作为Cl-存储电极、NaTi2（PO4）3作为Na+存储电极，构建的一种新型可充电海水淡化电池，该电池在海水淡化过程中充电，在盐化过程中放电，但该电池潜在的局限性为Cl-和Na+存储的不平衡[即转化时所需电子的物质的量：n（Cl-存储器）：n（Na+存储器）=3：1]。以此为情境素材命制的试题如下：

[2019年深一模]12．下图为某二次电池充电时的工作原理示意图，该过程可实现盐溶液的淡化。下列说法错误的是

A．充电时，a为电源正极

B．充电时，Cl-向Bi电极移动，Na+向NaTi2（PO4）3电极移动

C．放电时，正极的电极反应为BiOCl＋2H+＋3e-＝Bi＋Cl-＋H2O

D．充电时，新增入电极中的n（Na+）：n（Cl-）为1：3

参考答案：D

分析解答此题需要学生基于二次电池充电时的工作原理，有效关联该电池充电与放电过程，并基于电子得失守恒判断离子参与电极反应的物质的量之比，因此相应的思维层次为关联结构（R）水平。

在实际测评中，本试题难度（0.71）略小、区分度（0.56）良好。在其他三个错误选项中，C选项的误选率最高为18.13%，此部分学生不能很好地根据题目所给出的电池充电时的工作原理关联分析放电时的电极反应，一方面，可归因于学生不理解该电池的工作原理；另一方面，学生对于充电与放电时电极的切换仍存在认知障碍。从难度曲线图（图1）可以看出，此题对总分在30分以上的学生，难度略低，特别是总分为60分左右的学生，此题的得分率高达80%。

2.3 联合充电放电实现消毒脱氯

氯化消毒是生产安全用水最常用的方法，而电解盐水溶液是一项颇具应用前景的发电消毒技术，但往往会出现无法中和残余游离氯的情况。文献[15]报道了一种利用钠选择性膜分离阳极和阴极的消毒脱氯电池，阴极由Na+还原成金属Na储能，阳极为Cl-氧化成游离氯进行消毒；随后，残余游离氯在放电过程中被还原，实现脱氯处理从而降低消毒剂的毒性。以此为情境素材命制的试题如下：

[2022年深一模]16．利用电化学原理可对海水（主要成分NaCl和H2O，还含有少量微生物）进行消毒，并能清除残留的含氯消毒物质（工作原理如图，其中电极均为惰性电极）。

已知：工作时，先断开K2，闭合K1，一段时间后，断开K1，闭合K2。

下列说法不正确的是

A．闭合K1后的总反应为2Cl-＋2H2O通电（=====）Cl2↑＋H2↑＋2OH-

B．闭合K2后，Na+通过离子交换膜从II室迁移至III室

C．工作完成后，II室中有金属Na剩余

D．残留的含氯消毒物质在III室放电被脱除

参考答案：A