摘要：基于對(duì)高考試題中涉及電解NaCl溶液原理考查的選擇題進(jìn)行分類分析，把握此類試題的考查角度；基于真實(shí)文獻(xiàn)情境，聚焦不同的考查角度進(jìn)行原創(chuàng)命題，通過(guò)考試測(cè)評(píng)與結(jié)果分析，進(jìn)一步了解不同階段學(xué)生解決問(wèn)題時(shí)思維方式的差異，為教學(xué)提供參考借鑒。關(guān)鍵詞：真實(shí)情境；電化學(xué)；電解NaCl溶液；命題與測(cè)評(píng)電解飽和食鹽水是高中化學(xué)選擇性必修1《化學(xué)反應(yīng)原理》教學(xué)的一個(gè)重要素材[1]，該電解過(guò)程有助于學(xué)生進(jìn)一步理解電解原理、認(rèn)識(shí)電解在實(shí)現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)化中的具體應(yīng)用。習(xí)慣上，把電解飽和食鹽水的工業(yè)生產(chǎn)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(guó)民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)中占有重要地位，其主要產(chǎn)品燒堿、Cl2和H2被廣泛應(yīng)用于化工、紡織、建材等領(lǐng)域。因此，氯堿工業(yè)中的化學(xué)原理承載著豐富的教育教學(xué)與考試評(píng)價(jià)功能，在近年的高考試題中，相關(guān)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(jié)合對(duì)近五年高考電化學(xué)選擇題的梳理，其中與電解NaCl溶液工作原理相關(guān)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(duì)氯堿工業(yè)（或電解NaCl溶液）的考查不僅針對(duì)原理本身，還包括對(duì)該原理的其他應(yīng)用以及對(duì)該過(guò)程改進(jìn)優(yōu)化的考查。1.1.1對(duì)原理的考查立足于基礎(chǔ)知識(shí)的測(cè)評(píng)，直接對(duì)氯堿工業(yè)（或電解NaCl溶液）相關(guān)原理進(jìn)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(shù)的氯堿工業(yè)為情境，重點(diǎn)考查了電極反應(yīng)及電極產(chǎn)物判斷、離子交換膜種類的判斷、各極室電解質(zhì)溶液以及離子遷移等核心知識(shí)；2023年廣東卷則是將電解飽和食鹽水與氯氣的性質(zhì)檢驗(yàn)及尾氣處理相結(jié)合，針對(duì)兩電極產(chǎn)生的氣體成分、氯氣的性質(zhì)等進(jìn)行考查。此類試題重點(diǎn)考查學(xué)生在熟悉情境下對(duì)電解原理的識(shí)記與理解。1.1.2對(duì)其他應(yīng)用的考查電解NaCl溶液制備消毒液在日常生產(chǎn)、生活中屢見(jiàn)不鮮，該電解過(guò)程也應(yīng)用于海洋生物污損的消除。海洋生物污損給艦船及海中設(shè)施帶來(lái)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(shù)是防止生物污損的常見(jiàn)方法，該技術(shù)應(yīng)用了電解NaCl溶液的工作原理，陽(yáng)極產(chǎn)生的Cl2與陰極產(chǎn)生的NaOH直接發(fā)生反應(yīng)，生成的NaClO對(duì)海洋生物的附著與生長(zhǎng)有很好的抑制作用，從而防止生物污損的發(fā)生。2021年全國(guó)乙卷以“沿海電廠采用在管道中設(shè)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(xué)生遷移應(yīng)用所學(xué)電解NaCl溶液的原理分析解釋真實(shí)情境問(wèn)題的能力，學(xué)生需根據(jù)題干信息并結(jié)合題目給出的“Hychlorator電解槽結(jié)構(gòu)示意圖”，理解電解法去除生物的原理和過(guò)程，相對(duì)靈活的考查方式避免了學(xué)生通過(guò)機(jī)械記憶作答題目的現(xiàn)象。1.1.3

對(duì)改進(jìn)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(wú)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(zhì)溶液，來(lái)源豐富且成本低廉。該電池充電時(shí)，陽(yáng)極為Cl-放電，生成的Cl2通過(guò)多孔炭電極溶于CCl4，作為電池放電的正極反應(yīng)物；而此時(shí)陰極反應(yīng)為NaTi2（PO4）3＋2Na+＋2e-＝Na3Ti2（PO4）3，有效地避免了H2的產(chǎn)生，Na+的嵌入和脫出確保了充電和放電過(guò)程的循環(huán)發(fā)生，而NaCl溶液的濃度在充電時(shí)減小而在放電時(shí)增大。試題通過(guò)對(duì)電極反應(yīng)、離子遷移方向、電解質(zhì)溶液濃度變化及定量計(jì)算等核心知識(shí)的考查，進(jìn)一步診斷學(xué)生將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于解決新情境中相關(guān)問(wèn)題的能力。2023年浙江6月卷第13題，則是以“氧陰極電解技術(shù)在氯堿工業(yè)中的應(yīng)用”[5]為情境，其原理是膜電解原理與燃料電池原理的結(jié)合，即電解時(shí)在陽(yáng)極生成Cl2，但不同之處在于向陰極區(qū)提供O2，O2與H2O反應(yīng)生成OH-，而沒(méi)有H2產(chǎn)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1V左右[7]，大幅度降低電耗。本題針對(duì)電極判斷、陰極反應(yīng)、離子交換膜以及由于陰極反應(yīng)的改變所引起的能耗減少等進(jìn)行了考查，學(xué)生在解題時(shí)，需要跳出傳統(tǒng)氯堿工業(yè)的思維定勢(shì)，結(jié)合題目信息予以分析。1.2海水制氫氫是21世紀(jì)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(shí)現(xiàn)規(guī)模化制氫方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。電解海水制氫主要有兩種方法[8]：一種是對(duì)海水經(jīng)脫鹽、除雜處理得到的蒸餾水進(jìn)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(guò)程中的腐蝕和不良電化學(xué)產(chǎn)物問(wèn)題。2023年湖北卷第10題，以謝和平院士團(tuán)隊(duì)在Nature上發(fā)表的基于膜技術(shù)電解海水制氫的論文[9]為情境，該團(tuán)隊(duì)首次利用物理力學(xué)與電化學(xué)相結(jié)合的思路，開(kāi)創(chuàng)了相變遷移驅(qū)動(dòng)的海水無(wú)淡化直接電解制氫技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)淡化過(guò)程、無(wú)副反應(yīng)以及無(wú)額外能耗的技術(shù)突破。除常規(guī)考查外，試題還對(duì)該技術(shù)的創(chuàng)新之處進(jìn)行了考查，在題干中給出“該裝置工作時(shí)陽(yáng)極無(wú)Cl2生成且KOH溶液的濃度不變”，對(duì)PTFE這種特殊膜的作用進(jìn)行考查，并要求學(xué)生根據(jù)題干中電解生成H2速率的信息推算補(bǔ)水速率。該題目以復(fù)雜陌生情境為載體，學(xué)生需結(jié)合題目信息深入理解電解池的工作原理，才能準(zhǔn)確做出分析判斷，此外，試題情境突顯我國(guó)科學(xué)家的重大貢獻(xiàn)，潛移默化中對(duì)學(xué)生進(jìn)行情感、態(tài)度及價(jià)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(yáng)極、含MnOx催化劑的電極作陰極，進(jìn)行無(wú)膜直接電解海水制氫”[10]為情境，兩電極上的催化劑分別對(duì)反應(yīng)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(yáng)極的生成；同時(shí)，在MnOx電極上，HClO和ClO-可能發(fā)生的還原反應(yīng)也被抑制，以確保高純度H2的生成。該試題以簡(jiǎn)要的題干說(shuō)明了裝置的作用及催化劑的部分作用，重在引導(dǎo)學(xué)生讀圖、析圖，根據(jù)圖中的轉(zhuǎn)化關(guān)系，進(jìn)一步分析相關(guān)反應(yīng)以及反應(yīng)所帶來(lái)的電解質(zhì)溶液的變化。2試題命制與測(cè)評(píng)分析除上述研究外，化學(xué)工作者對(duì)電解NaCl溶液原理應(yīng)用的研究從未止步，以電解NaCl溶液為基礎(chǔ)不斷拓展其應(yīng)用價(jià)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(xiàn)素材也頗為豐富，在近年深圳市高三模擬試題命制時(shí)，筆者嘗試以電解NaCl溶液為基礎(chǔ)進(jìn)行改變和創(chuàng)新，以測(cè)評(píng)學(xué)生對(duì)電解原理的深刻理解和靈活應(yīng)用，并基于SOLO分類理論分析解決不同問(wèn)題時(shí)需要達(dá)到的思維層次水平[11]。部分試題列舉如下，并根據(jù)學(xué)生答題情況繪制難度曲線圖[12]（圖1）。2.1設(shè)計(jì)多步轉(zhuǎn)化避免膜的使用傳統(tǒng)的氯堿工藝耗能且不環(huán)保，文獻(xiàn)[13]報(bào)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(gè)獨(dú)立的步驟：Na0.44MnO2/O2電解池（步驟I：產(chǎn)生NaOH），Ag/Na0.44-xMnO2電池（步驟II：電極存儲(chǔ)Na+和Cl-），石墨/AgCl電解池（步驟III：生成Cl2）。該技術(shù)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(shuō)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(yáng)極反應(yīng)為：Na0.44MnO2-xe-＝Na0.44-xMnO2＋xNa+C．第二步中，放電結(jié)束后，電解質(zhì)溶液中NaCl的含量增大D．理論上，每消耗1molO2，可生產(chǎn)4molNaOH和2molCl2參考答案：C分析解答此題需要學(xué)生在逐步分析相應(yīng)步驟工作原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合工作原理示意圖兩步驟中間的物質(zhì)循環(huán)轉(zhuǎn)化關(guān)系，關(guān)聯(lián)各步驟原理并進(jìn)行整體性分析，因此相應(yīng)的思維層次為關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)（R）水平。在實(shí)際測(cè)評(píng)中，本試題難度（0.8）略小、區(qū)分度（0.41）良好。在其他三個(gè)錯(cuò)誤選項(xiàng)中，D選項(xiàng)的誤選率為14.56%，其中低分組（后27%）學(xué)生誤選率高達(dá)28.07%，此部分學(xué)生未能建立起三步驟的有效關(guān)聯(lián)整合，思維層次可能仍停留在獨(dú)立對(duì)各步驟進(jìn)行分析的多元結(jié)構(gòu)（M）水平。分析解答此題時(shí)，學(xué)生需對(duì)三步法原理形成較為清晰的認(rèn)識(shí)，特別是在整個(gè)過(guò)程中發(fā)揮“承上啟下”作用的第二步原電池反應(yīng)，該步驟NaCl溶液中的Na+和Cl-儲(chǔ)存于兩電極中，使第一步用于產(chǎn)生NaOH的電解池的陽(yáng)極材料和第三步用于產(chǎn)生Cl2的電解池的陰極材料得以再生。此外，誤選D的學(xué)生對(duì)整個(gè)過(guò)程中基于電子守恒的反應(yīng)物與生成物的量比關(guān)系（1O2～4OH-～2Cl2～4e-）仍未理清。從難度曲線圖（圖1）可以看出，此題對(duì)總分在20分以上的學(xué)生，難度略低，特別是總分為40分左右的學(xué)生，此題的得分率接近60%。2.2收集電極產(chǎn)物形成二次電池文獻(xiàn)[14]報(bào)道了以Bi作為Cl-存儲(chǔ)電極、NaTi2（PO4）3作為Na+存儲(chǔ)電極，構(gòu)建的一種新型可充電海水淡化電池，該電池在海水淡化過(guò)程中充電，在鹽化過(guò)程中放電，但該電池潛在的局限性為Cl-和Na+存儲(chǔ)的不平衡[即轉(zhuǎn)化時(shí)所需電子的物質(zhì)的量：n（Cl-存儲(chǔ)器）：n（Na+存儲(chǔ)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(shí)的工作原理示意圖，該過(guò)程可實(shí)現(xiàn)鹽溶液的淡化。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是A．充電時(shí)，a為電源正極B．充電時(shí)，Cl-向Bi電極移動(dòng)，Na+向NaTi2（PO4）3電極移動(dòng)C．放電時(shí)，正極的電極反應(yīng)為BiOCl＋2H+＋3e-＝Bi＋Cl-＋H2OD．充電時(shí)，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(xué)生基于二次電池充電時(shí)的工作原理，有效關(guān)聯(lián)該電池充電與放電過(guò)程，并基于電子得失守恒判斷離子參與電極反應(yīng)的物質(zhì)的量之比，因此相應(yīng)的思維層次為關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)（R）水平。在實(shí)際測(cè)評(píng)中，本試題難度（0.71）略小、區(qū)分度（0.56）良好。在其他三個(gè)錯(cuò)誤選項(xiàng)中，C選項(xiàng)的誤選率最高為18.13%，此部分學(xué)生不能很好地根據(jù)題目所給出的電池充電時(shí)的工作原理關(guān)聯(lián)分析放電時(shí)的電極反應(yīng)，一方面，可歸因于學(xué)生不理解該電池的工作原理；另一方面，學(xué)生對(duì)于充電與放電時(shí)電極的切換仍存在認(rèn)知障礙。從難度曲線圖（圖1）可以看出，此題對(duì)總分在30分以上的學(xué)生，難度略低，特別是總分為60分左右的學(xué)生，此題的得分率高達(dá)80%。2.3聯(lián)合充電放電實(shí)現(xiàn)消毒脫氯氯化消毒是生產(chǎn)安全用水最常用的方法，而電解鹽水溶液是一項(xiàng)頗具應(yīng)用前景的發(fā)電消毒技術(shù)，但往往會(huì)出現(xiàn)無(wú)法中和殘余游離氯的情況。文獻(xiàn)[15]報(bào)道了一種利用鈉選擇性膜分離陽(yáng)極和陰極的消毒脫氯電池，陰極由Na+還原成金屬Na儲(chǔ)能，陽(yáng)極為Cl-氧化成游離氯進(jìn)行消毒；隨后，殘余游離氯在放電過(guò)程中被還原，實(shí)現(xiàn)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(xué)原理可對(duì)海水（主要成分NaCl和H2O，還含有少量微生物）進(jìn)行消毒，并能清除殘留的含氯消毒物質(zhì)（工作原理如圖，其中電極均為惰性電極）。已知：工作時(shí)，先斷開(kāi)K2，閉合K1，一段時(shí)間后，斷開(kāi)K1，閉合K2。下列說(shuō)法不正確的是A．閉合K1后的總反應(yīng)為2Cl-＋2H2O通電（=====）Cl2↑＋H2↑＋2OH-B．閉合K2后，Na+通過(guò)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(zhì)在III室放電被脫除參考答案：A分析解答此題時(shí)，學(xué)生需要根據(jù)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(wèn)題本身，形成個(gè)性化的推理分析方式，思維層次對(duì)應(yīng)拓展抽象（E）水平。在實(shí)際測(cè)評(píng)中，本試題難度（0.13）較大、區(qū)分度（0.2）尚可。在其他三個(gè)錯(cuò)誤選項(xiàng)中，C選項(xiàng)的誤選率為49.87%，其中高分組（前27%）的學(xué)生誤選C率為52.37%，遠(yuǎn)高于低分組（后27%）學(xué)生誤選C率（41.07%），出現(xiàn)這一反常現(xiàn)象可能的原因?yàn)椋焊叻纸M的學(xué)生未能結(jié)合“含Na+的有機(jī)電解液體系”的信息，突破原有的分析電解NaCl溶液電極反應(yīng)的思維局限；在分析既能“產(chǎn)生含氯消毒物質(zhì)”又能“清除殘留含氯消毒物質(zhì)”的工作原理時(shí)，未能抽象出此個(gè)性化問(wèn)題中的守恒關(guān)系，即閉合K1時(shí)，Na+和Cl-得失電子守恒，Na+轉(zhuǎn)化為Na單質(zhì)，Cl-轉(zhuǎn)化為ClO-、HClO和Cl2（記作TC）；此時(shí)溶液中的TC從微生物得電子，部分被還原為Cl-；閉合K2時(shí)，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(shuō)明本題對(duì)于各分?jǐn)?shù)段的學(xué)生均偏難，特別是總分為70～80分的學(xué)生，其得分率低于20%。3思考與總結(jié)綜上分析，高頻考點(diǎn)大體相同，而基于不同情境命制的試題的測(cè)量結(jié)果卻是不同的，雖然與學(xué)生群體以及其所處復(fù)習(xí)階段有關(guān)，但主要還是取決于試題本身對(duì)學(xué)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(guān)試題的考查方式和對(duì)學(xué)生思維層次要求的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1。由上述分析可知，不能思維層次學(xué)生培養(yǎng)的側(cè)重點(diǎn)是有所差異的：基礎(chǔ)較為薄弱的學(xué)生需發(fā)展其M水平思維，此類學(xué)生的認(rèn)知往往是孤立的，所存儲(chǔ)的信息片段只能幫助他們應(yīng)對(duì)熟悉情境中的散點(diǎn)問(wèn)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(chǎng)景中進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，便無(wú)法辨識(shí)出原型，因此，簡(jiǎn)單邏輯推理思維方式的培養(yǎng)對(duì)此類學(xué)生至關(guān)重要，教師需引導(dǎo)此類學(xué)生順利完成從一般到特殊的推導(dǎo)，或透過(guò)特殊現(xiàn)象的外飾看清其本質(zhì)和一般規(guī)律。基礎(chǔ)相對(duì)良好的學(xué)生需固牢其R水平思維，主要包括：由某一思維點(diǎn)發(fā)散其他思維點(diǎn)，如將電解NaCl溶液的過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)榭沙潆姟⒎烹姷倪^(guò)程，基于此思維點(diǎn)可發(fā)散出兩極電解產(chǎn)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(gè)新的思維點(diǎn)；由多個(gè)并列思維點(diǎn)提煉核心觀點(diǎn)，如將“電解產(chǎn)生NaOH”“放電在電極存儲(chǔ)Na+和Cl-”“電解生成Cl2”多步驟工作原理進(jìn)行關(guān)聯(lián)整合，即可提煉出“該方法在實(shí)現(xiàn)氯堿工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)上有效避免了膜的使用”這一核心觀點(diǎn)；找尋多個(gè)思維點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)，如基于膜電解原理與燃料電池原理的聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)了氯堿工業(yè)陽(yáng)極區(qū)與燃料電池正極區(qū)的融合，有助于增進(jìn)對(duì)氧陰極電解技術(shù)在氯堿工業(yè)中應(yīng)用的工作原理的理解。基礎(chǔ)較為強(qiáng)固的學(xué)生需重視其E水平思