【高考试题讨论!】学术探索情境的高考试题应遵从原文献?

2022年10月26日 by 没有评论

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2021年北京高考化学第15题以电解法制备环氧乙烷为背景,综合考查了电化学、有机化学、化学实验等知识。其试题情境来源于国际顶级学术期刊Science 2020年6月,第368卷,6496期文章—— Chloride-mediated selective electrosynthesis of ethylene and propylene oxides at high current density 。经查,试题图片信息与原始文献在“隔膜”这一关键材料上存在出入。结合文献及相关电化学知识分析,试题图片信息中的“阳离子膜”是否为最佳选择呢?

(2021•北京)环氧乙烷(简称EO)是一种重要的工业原料和消毒剂。由乙烯经电解制备EO的原理示意图如图。

②当乙烯完全消耗时,测得η(EO)≈70%,S(EO)≈97%。推测η(EO)≈70%的原因:

ⅱ.假设没有生成EO的乙烯全部在阳极放电生成CO2,则η(CO2)≈%。经检验阳极放电产物没有CO2。

分析:根据试题信息,电解法制备环氧乙烷(EO)所用原料为CH2=CH2和KCl溶液,阳极室通入CH2=CH2和KCl溶液,阴极室通入KCl溶液。反应原理如下:阳极室,Cl-失电子生成Cl2,Cl2与水反应生成HCl和HClO,HClO再将CH2=CH2氧化为HOCH2CH2Cl。阴极室,H2O得电子,生成H2和OH-。将阳极生成的HOCH2CH2Cl与阴极生成的碱(KOH)混合,得到含有EO的溶液,最后分离提纯得到EO。

研究者以氯离子(Cl-)为氧化还原介体,通过电化学合成法制备环氧乙烷。电化学反应的具体过程如下:

氯离子在阳极表面被氧化成氯气(反应1),氯气与水发生歧化反应生成HCl和HClO(反应2),HClO与通入电解液的乙烯反应生成氯乙醇(反应3)。在阴极表面,水得到电子生成氢气和氢氧根离子(反应4)。在电解结束后,将阳极电解液和阴极电解液输出混合,便可将氢氧根离子与氯乙醇反应生成环氧乙烷(反应5),在阴极处生成的氢氧根离子也可以中和阳极电解质中的HCl(反应6)。总的来说,该体系可在常温常压下于单个电解槽中制备环氧乙烷,仅需要乙烯、水、电即可(总反应)。

由文献图片可知,其电解装置中的隔膜为AEM,即阴离子交换膜。而高考题图片显示为阳离子膜。那隔膜种类是否对反应有影响呢?结合原始文献及电化学相关知识分析如下。

若为阳离子膜,Cl-在阳极放电生成Cl2的同时,K+也会从阳极迁移到阴极,导致阳极的离子浓度下降,对电导率产生影响。对此,原文献已有说明:“理论上,阳离子膜能更好防止OH-交换,然而,这将导致电解质(阳极液)电导率的持续下降”。

若为阴离子交换膜,电解时,阴极的Cl-迁移到阳极,为阳极反应提供原料,提高了氯离子的利用率。此外,由于阴极生成了OH-,Cl-移动不会削弱阴极溶液的电导率。理论上,阴极的Cl-和OH-均会迁移到阳极,但是Cl-是原溶液就存在的,OH-是反应生成的,在电解的前阶段Cl-浓度更大,因此以Cl-的迁移为主。原文献显示“电解结束,阴极pH=13.8”,说明OH-的迁移对实验影响是有限的。而少量OH-移动到阳极,可促进反应(2)的正向进行,使HClO浓度增大,有利于CH2=CH2的进一步氧化。我们还可做进一步分析,若为阳离子膜,可能存在阳极的H+移动到阴极,与OH-反应,这样不仅消耗了阴极生成的碱,对混合后的反应产生影响,也降低了阴极的电导率。结合第(1)小题②的参:“阴极电极反应为:2H2O+2e-=H2↑+2OH-,阳极氯离子放电后,钾离子通过阳离子膜进入阴极,生成KOH,从而得到KCl和KOH的混合溶液,即a溶液。”显然,并非隔膜为阳离子膜,才能在阴极得到KOH。阴极的KCl仅仅是电解的原料,其目的是为了得到KOH。而混合液a中含有KCl不仅对后续反应没有作用,也降低了Cl-的利用率。综上,阴离子膜是该电解装置的最佳选择。

2017年版《普通高中化学课程标准》提出了以真实情境为测试载体的命题原则。试题情境的创设应紧密联系学生学习和实际生活,体现科学、技术、社会和环境的发展成果[2]。作为化学学科的前沿成果,学术探索情境类试题近年来频繁出现在高考化学试题中,这类试题还原了知识产生和应用的真实场景,与新课程改革及招生考试制度改革的理念是相契合的。当然,这也对命题者提出了更高的要求。命题者在引用学术文献时,应充分理解原文献研究的内容,遵从原文献的研究过程和结论,实事求是呈现出真实情境。

[2]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准(2017年版).北京:人民教育出版社,2018:78

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