时间：2022-09-14 04:33:30
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一、原电池
原电池是化学能转变为电能的装置.从理论上看，任何一个氧化还原反应都发生电子转移，如果能够设法使转移的电子在导线中定向移动，就成为原电池.有些原电池是一次性的，如普通的干电池，当电池中所发生的反应在通电情况下又能逆向进行，这个电池又可重复使用，称为二次电池或蓄电池，如铅蓄电池和手机中的充电电池.原电池由三部分构成，两个不同的电极，电解质溶液（或熔融液）和导线（或直接接触）.对于一个电池我们首先关注的是使用时电路中电流的方向，规定电流由正极流向负极，电子则由负极流到正极.因此原电池的负极发生失电子的氧化反应，正极发生得电子的还原反应，以两种不同的金属为电极时，活泼金属为负极，较不活泼的金属为正极.个别例外，如Mg-Al-NaOH电池，高考不做要求.
一个使用着的电池必然构成电流的回路.下面我们从化学的视角看电池中内电路的变化，由于电子从外电路流向正极，所以在正极上聚集了负电荷，溶液中的阳离子流向正极，与此相反，溶液中的阴离子流向负极，所以从离子移动方向来看，在原电池中，正极又是阴极，负极又是阳极.正、负极和阴、阳极的称谓是从不同角度来划分的，所以这句话表面上“不通顺”，但结论上是正确的，对解相关试题十分有用.
例1 （2013年江苏-9）Mg-H2O2电池可用于驱动无人驾驶的潜航器.该电池以海水为电解质溶液.示意图如下.该电池工作时，下列说法正确的是（ ）.
A.Mg电极是该电池的正极
B.H2O2在石墨电极上发生氧化反应
C.石墨电极附近溶液的pH增大
D.溶液中Cl-向正极移动
解析 根据前面的分析，Mg电极应是原电池的负极，发生氧化反应，故选项A、B均错误.石墨电极为正极，发生还原反应H2O2+2e-2OH-，电极附近溶液的pH增大，C项正确，最后一项，溶液中Cl-应向阳极移动，而原电池的正极从电解质溶液的角度来看出是阴极，故D项错，本题应选C.
二、电解池
电解池与原电池恰好相反，在通直流电的条件下发生了氧化还原反应，是电能转化为化学能的装置.对于一个电解池我们更关心的是池内发生什么反应，电极上生成什么物质，所以电解池中的电极根据阴、阳离子的移动方向，划分为阴极和阳极，阳离子移向阴极并在阴极上得电子发生还原反应，因此阴极与电源的负极相连；阴离子移向阳极并在阳极上失电子发生氧化反应，失去的电子通过外电路回到电源的正极.简单地说，与电池正极相连的极是阳极，与电池负极相连的是阴极，阳极上发生氧化反应，阴极上发生还原反应.
例2 （2013年北京-9）用石墨电极电解CuCl2溶液（见右图）.下列分析正确的是（ ）.
A.a端是直流电源的负极
B.通电使CuCl2发生电离
C.阳极上发生反应：Cu2++2e-Cu
D.通电一段时间后，在阴极附近观察到黄绿色气体
解析 电解过程中阳离子移向阴极，阴极与电源负极相连，故A正确.电解与电离是两个不同的概念，电解质只要溶于水就发生电离，而电解是在电流的作用下发生的氧化还原反应，B项错.阳极上应发生失电子的氧化反应，C项错.通电过程中Cl-移向阳极并放电生成氯气，D也错，本题应选A.
三、电极反应与总反应
电极上发生什么反应，写出电极反应式和总反应式是高考电化学部分的重点.无论是原电池还是电解池电极上发生的反应都是“半反应”，总反应才是完整的氧化还原反应.判断电极反应，只需记住“阳极氧化”即可，由阳极氧化，可知阴极还原，对原电池，电极分正、负，但从内电路来看，正极是阴极，负极是阳极，则“阳极氧化”的判断依据同样适用.
原电池的负极或电解池的阳极如果是非惰性的金属电极，则电极本身发生氧化，电解质溶液中的阴离子不放电.原电池或电解池的总反应是两个电极反应的总和，总反应式也是两个电极反应式的加合，在加合过程中需调整化学计量数使氧化和还原过程中转移电子数相等，以保持得失电子守恒.如果在电解质溶液中还存在其它相关反应，那么这个反应也应包括在总反应方程式中，总之，通过加合可得总反应式，通过相减可得某一电极反应式.
例3 （2013年浙江-11）电解装置如图所示，电解槽内装有KI淀粉溶液，中间用阴离子交换膜隔开.在一定的电压下通电，发现左侧溶液变蓝色，一段时间后蓝色逐渐变浅.
已知：3I2+6OH-IO+5I-+3H2O
下列说法不正确的是（ ）.
A.右侧发生的电极反应式：
2H2O+2e-H2+2OH-
B.电解结束时，右侧溶液中含有IO-3
C.电解槽内发生反应的总化学方程式：
KI+3H2O通电KIO3+3H2
D.如果用阳离子交换膜代替阴离子交换膜，电解槽内发生的总化学反应不变
解析 左侧变蓝，说明左侧生成I2，电极反应式为2I--2e-=I2……①，则左侧Pt电极为阳极，右侧为阴极，发生2H2O+2e-H2+2OH-……②，A项正确.阴极生成的OH-穿过交换膜向阳极移动，由“蓝色变浅”知又发生了题干中的已知反应3I2+6OH-IO-3+5I-+3H2O……③生成IO-3，电极结束时IO-3可通过阴离子交换膜扩散至右侧，故选项B正确.由①×3+②×3+③可得总反应式，C项也正确.若换用阳离子交换膜，则OH-不能通过交换膜抵达左侧，反应③不能发生，电解槽中总反应肯定也会发生变化，D项错误，应选D.
四、新型电池
近些年来，高考时电化学的考查常采用信息给予题的形式，以新型电池为载体，这类试题情景新、陌生度高，要求考生有较高的心理素质和较强的自学能力.事实上，这类试题的考点依然是电极名称、电极反应和总反应等基础知识，大部分试题起点虽高，落点并不高，只要认真审题，明确题意就不难作答.复习时应重在巩固基础知识和提高能力上，不可以也不应该采用扩大知识面，罗列各种新型电池的方法，因为高考命题贵在创新，不会照搬往年的试题.
例4 （2013年安徽-10）热激活电池可用作火箭、导弹的工作电源.一种热激电池的基本结构如图所示，其中作为电解质的无水LiCl-KCl混合物熔融后，电池即可瞬间输出电能.该反应的总反应为PbSO4+2LiCl+CaCaCl2+Li2SO4+Pb，下列有关说法正确的是（ ）.
A.正极反应式：
Ca+2Cl--2e-CaCl2
B.放电过程中，Li+向负极移动
C.每转移0.1mol电子，理论上生成20.7 g Pb
一、知识体系构建
1.原电池、电解池、电镀池的比较
原电池电解池电镀池
定义把化学能转化为电能的装置把电能转化为化学能的装置应用电解原理在某些金属表面镀上一薄层其他金属或合金的装置
装置举例
形成条件①有两个活泼性不同的电极。
②有电解质溶液。
③电极间形成闭合回路（或在溶液中接触）
①有外加电源及与之相连的两个电极。
②有电解质溶液(或熔化的电解质)。
③形成闭合回路
①镀层金属接电源正极，待镀金属接电源负极。
②电镀液必须含有镀层金属离子（电镀过程中浓度不变）
电极名称负极：较活泼的金属（电子流出的极）
正极：较不活泼的金属（或能导电的非金属）（电子流入的极）
阳极：与电源正极相连的电极
阴极：与电源负极相连的电极名称与电解池相同，但有限制条件：阳极――镀层金属，阴极――待镀金属
电极反应负极：氧化反应
正极：还原反应
阳极：氧化反应
阴极：还原反应
阳极：金属电极失电子溶解
阴极：电镀液中的金属阳离子得电子
电子流向
负极导线正极
电源负极导线阴极
电源正极导线阳极
与电解池相同
（1）同一原电池的正、负极的电极反应中得、失电子数相等；（2）同一电解池的阴、阳极的电极反应中得、失电子数相等；（3）串联电路中的各个电极反应得、失电子数相等。这三个相等，既是写电极反应式的依据之一，也是进行电化学计算的依据之一。
2.原电池的常见类型
根据电极材料活泼性和反应情况的不同，可将原电池分成不同类型。
（1）在金属―金属构成的原电池中，相对活泼的金属一般作负极，被氧化，生成金属阳离子；相对不活泼的金属一般作正极，溶液中的阳离子被还原（一般被还原为单质）。
例如，电池ZnH2SO4Cu的反应式：
负极 Zn-2e-Zn2+
正极 2H++2e-H2
总反应 Zn+2H+Zn2++H2
（2）在金属―非金属构成的原电池中，非金属电极（如石墨），一般只起导电作用，故作正极；金属电极作负极。
例如，电池FeH2SO4C的反应式：
负极 Fe-2e-Fe2+
正极 2H++2e-H2
总反应 Fe+2H+Fe2++H2
（3）在金属―金属氧化物构成的原电池中，金属氧化物中的金属元素已是最高（或较高）价态，难被氧化，故作正极，并直接参与还原反应；金属电极作负极。
例如，电池ZnKOHAg2O（银锌纽扣电池）的反应式：
负极 Zn+2OH--2e-ZnO+H2O
正极 Ag2O+H2O+2e-2Ag+2OH-
总反应 Zn+Ag2OZnO+2Ag
（4）用两个惰性电极作为电极的燃料电池，通有还原性气体的电极为负极，通有氧化性气体的电极为正极。如氢氧燃料电池，其电极为可吸附气体的惰性电极，如铂电极、活性炭等，两极分别通入H2和O2，以40%的KOH溶液为电解质溶液，反应式为：
负极 2H2+4OH--4e-4H2O
正极 O2+2H2O+4e-4OH-
总反应 2H2+O22H2O
3.金属的腐蚀和防护
（1）金属的腐蚀
金属的腐蚀分化学腐蚀和电化学腐蚀两种。
化学腐蚀电化学腐蚀
定义金属与接触到的物质直接发生化学反应而引起的腐蚀不纯的金属与电解质溶液接触时发生原电池反应而引起的腐蚀
条件金属与非电解质等直接接触不纯的金属或合金与电解质溶液接触
电子得失金属直接把电子转移给有氧化性的物质其中的活泼金属将电子间接转移给氧化性较强的物质
现象无电流产生有微弱的电流产生
本质金属被氧化的过程较活泼金属被氧化的过程
实例金属与O2、Cl2等物质直接反应钢铁在潮湿的空气中被腐蚀
相互关系化学腐蚀与电化学腐蚀往往同时发生，但电化学腐蚀更为普遍，危害也更严重
（2）钢铁的电化学腐蚀原理
钢铁长时间在干燥空气中不易腐蚀，但在潮湿的空气里易被腐蚀。原因是钢铁表面会吸附一层水膜，这层水膜中含有少量的H+、OH-，还溶解了少量的CO2、O2等，即在钢铁表面形成了一层电解质溶液，铁和碳构成了微原电池。
①吸氧腐蚀：此时电解质溶液酸性较弱，呈中性或碱性。
负极 2Fe-4e-2Fe2+
正极 2H2O+O2+4e-4OH-
总反应 2H2O+O2+2Fe2Fe(OH)2
在空气中，4Fe(OH)2+2H2O+O24Fe(OH)3，Fe(OH)3失水而成铁锈Fe2O3•xH2O。
②析氢腐蚀：此时电解质溶液的酸性较强。
负极 Fe-2e-Fe2+
正极 2H++2e-H2
总反应 Fe+2H+Fe2++H2
一般情况下，钢铁的腐蚀以吸氧腐蚀为主，吸氧腐蚀和析氢腐蚀的主要区别在于正极反应。
（3）金属的防护
金属的腐蚀主要是电化学腐蚀中的吸氧腐蚀，只要减少形成原电池三个条件中的一个，就可防止原电池反应的发生。
①内因：改变金属内部结构。
②外因：采用适当方法将金属与介质（主要指电解质溶液）隔离，如喷漆、涂油、电镀、表面钝化等。
③电化学保护法：如船体外壳嵌锌，将钢铁外壳与锌人为的构成原电池，腐蚀锌，保护船体。或外加电源，使被保护的金属与电源的负极相连，成为阴极而被保护。
二、复习方法指导
通过氧化还原反应，实现化学能和电能的相互转化，这就是电化学的基本原理。要复习好这部分内容，应注意以下问题。
1.联系氧化还原反应
能自发进行的氧化还原反应在理论上都能设计成原电池，电解是非自发的氧化还原反应；将氧化还原反应方程式拆成氧化反应和还原反应的两个半反应就是电极反应，原电池的负极和电解池的阳极都发生氧化反应（负阳氧：谐音“沸羊羊”）；离子氧化性和还原性的强弱决定了电解时溶液中离子的放电顺序；电子得失守恒规律是进行电化学计算的基本依据。
2.对比容易混淆的知识
准确理解概念是学好化学的基础，本章有很多容易混淆的概念，需要对比复习。除了前面对比过的“三池”（原电池、电解池和电镀池）、化学腐蚀和电化学腐蚀、析氢腐蚀和吸氧腐蚀外，还有很多可以进行对比的知识点。例如，氢氧燃料电池在不同性质的电解质条件下电极方程式的写法，电解池在惰性电极下和非惰性电极下的放电规律，原电池和电解池的电极判断和电极反应类型，等等。只有不断进行对比，才可以澄清学习中的模糊认知，加深对知识的理解。
3.归纳重要规律或方法
善于总结一些实用的解题规律或方法，对于提高复习的效率至关重要。
（1）原电池、电解池和电镀池的判断规律
①若无外接电源，则可能是原电池，然后依据原电池的形成条件判定，主要思路是“三看”：
先看电极，两种活泼性不同的金属（或其中一种是非金属导体）作电极。
再看溶液，在电解质溶液中能自发地发生氧化还原反应。
后看回路，用导线连接的两电极与电解质溶液接触并形成闭合回路。
②若有外接电源，两极插入电解质溶液中，则可能是电解池或电镀池，若阳极金属与电解质溶液中的金属离子相同则为电镀池。
③若为无明显外接电源的串联电路，则利用题中信息，能找出发生自发氧化还原反应的装置为原电池。
（2）酸、碱、盐溶液的电解规律
用惰性电极电解酸、碱、盐的溶液时，可按下列步骤进行分析。
通电之前找离子：分析电解质溶液中有关物质的电离过程（包括电解质和水的电离），找出溶液中存在的所有离子。
通电之后四判断：
①判断离子的移动方向，阴离子移向阳极，阳离子移向阴极。
②判断离子的放电能力。
阳极――金属阳极＞S2-＞I-＞Br-＞Cl-＞OH-＞含氧酸根＞F-；
阴极――Ag+＞Hg2+＞Fe3+＞Cu2+＞H+＞Pb2+＞…。
③判断电极反应，书写电极反应式和总反应式。
④判断电解结果，两极现象、水的电离平衡结果、离子浓度、溶液的酸碱性、pH变化等。
酸、碱、盐溶液的电解规律
类型电极反应特点实例电解对象电解质浓度 pH电解质溶液复原
电解水型阴极：2H++2e-H2
阳极：4OH--4e-2H2O+O2NaOH水增大增大加水
H2SO4水增大减小加水
Na2SO4水增大不变加水
分解电解质型电解质电离出的阴、阳离子分别在两极放电HCl电解质减小增大通HCl
CuCl2电解质减小-加CuCl2
放氢生碱型阴极：H2O电离出的H+得电子，放出H2生成碱
阳极：电解质的阴离子放电NaCl电解质和水 生成新电解质增大通入HCl
放氧生酸型阴极：电解质的阳离子放电
阳极：H2O电离出的OH-失电子，放出O2生成酸CuSO4电解质和水 生成新电解质减小加CuO
（3）原电池电极反应式的书写方法
①列物质，标得失：按照负极发生氧化反应、正极发生还原反应，判断出电极反应产物，标出得失电子的数量。
②看环境，配守恒：电极产物在电解质溶液的环境中，应能稳定存在，如碱性介质中生成的H+应让其结合OH-生成水。电极反应式要根据电荷守恒、质量守恒、电子守恒等加以配平。
③两式加，验总式：将两电极反应式相加，与总反应的离子方程式对照验证。
（4）可充电电池的判断方法
二次电池放电时相当于原电池，负极发生氧化反应，正极发生还原反应；充电时相当于电解池，放电时的正极变为电解池的阳极，与外电源正极相连，负极变为阴极，与外电源负极相连。
（5）金属腐蚀的快慢规律
①在同一电解质溶液中，金属腐蚀的快慢顺序：电解原理引起的腐蚀＞原电池原理引起的腐蚀＞化学腐蚀＞有防腐措施的腐蚀。
②同一金属在不同介质中腐蚀由快到慢的顺序：强电解质溶液＞弱电解质溶液＞非电解质溶液。
③对于活动性不同的两种金属，活动性差别越大，氧化还原反应速率越快，活泼金属腐蚀速率越快。
④对于同一电解质溶液，电解质溶液浓度越大，金属腐蚀越快（钝化除外）。
⑤纯度越高的金属，腐蚀的速率越慢（纯金属几乎不被腐蚀）。
⑥不纯的金属或合金，在潮湿的空气中腐蚀的速率远大于在干燥、隔绝空气条件下的腐蚀。
（6）电解计算的方法
有关电解的计算通常是求电解后某产物的质量、气体的体积、某元素的化合价以及溶液的pH、物质的量浓度等。解答此类题的方法有两种：一是根据电解方程式或电极反应式列比例式求解；二是利用各电极、线路中转移的电子数目守恒列等式求解。利用电子守恒较为简便，但需注意灵活运用。
三、易错知识辨析
1.原电池的电极和电极反应
（1）从不同的角度分析，对原电池的电极类型可以有不同的理解：负极是较活泼的金属，发生氧化反应的一极，电子丰富的一极，电子流出的一极，电流流入的一极，被腐蚀的一极；正极相应是较不活泼的金属，发生还原反应的一极，电子贫乏的一极，电子流入的一极，电流流出的一极，被保护的一极。
（2）原电池正、负极的判断基础是自发进行的氧化还原反应，如果给出一个方程式判断正、负极，可以直接根据化合价的升降来判断。不管原电池的类型如何，不管电极是否参与反应，发生氧化反应的一极总是负极，发生还原反应的一极总是正极。把握了这一点，便可以做到以不变应万变。
（3）判断电极时，不能简单地依据金属的活泼性来判断，要看反应的具体情况。例如，Al在强碱性溶液中比Mg更易失电子，Al作负极，Mg作正极；Fe、Al在浓硝酸中钝化后，比Cu等金属更难失电子，Cu等金属作负极，Fe、Al作正极。
（4）燃料电池和普通电池不同，必须使用辅助电极，电极本身不参与反应，所采用的燃料一般为H2、CH4、CH3OH、CO等，助燃剂一般为O2（或空气）。
（5）原电池中正、负极的电极反应式作为一种特殊的离子方程式，对于强、弱电解质的书写形式，没有严格的规定，但必须遵循原子守恒和电荷守恒规律。
2.电解原理及其应用
（1）用惰性电极电解饱和食盐水时，Na+和水电离出的H+移向阴极，H+发生还原反应生成H2：2H++2e-H2，破坏了水的电离平衡（H2OH++OH-），导致阴极附近溶液中的c(OH-)＞c(H+)，溶液显碱性。由此可见，电解前如果向溶液中滴入酚酞试液，电解时阴极附近的溶液先变红。
（2）电解后要恢复原电解质溶液的浓度，需加适量的某物质。该物质可以是阴极与阳极产物的化合物，如用惰性电极电解CuSO4溶液，要恢复原溶液的浓度，可向电解后的溶液中加入CuO，也可以加入CuCO3，但不能加入Cu(OH)2，因为Cu(OH)2与生成的H2SO4反应后使水量增加。
（3）粗铜中往往含有锌、铁、镍、银、金等多种金属杂质，当含杂质的铜在阳极不断溶解时，金属活动性位于铜之前的金属杂质，如锌、铁、镍等也会同时失去电子，但是它们的阳离子比铜离子难以还原，所以它们并不能在阴极析出，而只能以离子的形式留在电解液里；金属活动性位于铜之后的银、金等杂质，因为失去电子的能力比铜弱，难以在阳极失去电子变成阳离子而溶解，所以当阳极的铜失去电子变成阳离子溶解之后，它们便以金属单质的形式沉积在电解槽底，形成阳极泥。由此可知，电解精炼时，阳极溶解铜的量大于阴极析出铜的量。
（4）可充电电池放电时作原电池，充电时作电解池，两池的电极反应式正好相反，即电解池的阴极反应式对应于原电池的负极反应的逆反应式，电解池的阳极反应式对应于原电池正极反应的逆反应式，但电解池反应与原电池反应并不是相应的可逆反应。
四、考情分析预测
高考对电化学知识的考查，常见题型是选择和填空。这部分的考点主要集中在如下几个方面：（1）原电池、电解池、电镀池的电极名称及电极反应式；（2）新型电池的电极反应以及工作原理；（3）根据电解时的电极变化，判断电极材料、电解质的种类或如何使电解质溶液复原；（4）有关电解产物的判断和计算；（5）金属的电化学腐蚀原理与防护；（6）电化学知识在能源、环保、物质制备等方面的综合应用。
受试卷含量的限制，化学考试越来越重视试题的综合性。电化学内容是进行综合命题的重要素材，与之相关的综合题预计在今后的高考中会有更多的体现。其常见综合形式有：将原电池和电解池结合在一起，综合考查化学反应中的能量变化和氧化还原反应等知识；将电化学内容与无机推断或化学实验等进行综合；以环境问题、物质制备、新能源、新科技等为载体，考查电化学知识在生产、生活中的应用。
五、考试热点例析
1.判断装置的类型
例1.某化学兴趣小组的同学用下图所示装置研究电化学的问题。当闭合该装置中的电键时，观察到电流计的指针发生了偏转。下列有关说法不正确的是（ ）
A.甲装置是原电池，乙装置是电解池
B.当甲中产生0.1mol气体时，乙中析出固体的质量为6.4g
C.实验一段时间后，甲溶液的pH增大，乙溶液的pH减小
D.将乙中的C电极换成铜电极，则乙装置可变成电镀装置
解析：Zn、Cu电极和稀硫酸溶液可构成原电池，其中Zn是负极，Cu是正极；乙装置是电解池，C为阴极，Pt为阳极。当甲中产生0.1molH2时，电路中通过0.2mol电子，乙中电解得到0.1molCu，质量为6.4g。实验一段时间后，甲溶液中的c(H+)减小，pH增大；乙溶液中的c(H+)增大，pH减小。乙中的C电极是阴极，将其换成铜电极，该装置不是电镀装置。
答案：D
2.判断电极和电极反应
例2.如图，E为沾有Na2SO4溶液的滤纸，并加入几滴酚酞。A、B分别为Pt片，压在滤纸两端，R、S为电池的电极。M、N是多微孔Ni的电极材料，它在碱溶液中可以视为惰性电极。G为电流计，K为开关。C、D和电解池中都充满浓KOH溶液。若在滤纸中央点上一滴紫色的KMnO4溶液，K打开，接通电源一段时间后，C、D中有气体产生。
（1）R为 （填“正”或“负”）极。
（2）A附近溶液的现象是 ，B附近发生的电极反应式为 。
（3）滤纸上的紫色点向哪方移动： （填“A”或“B”）。
（4）当C、D里的气体产生到一定量时，切断外电源并接通开关K，经过一段时间，C、D中气体逐渐减少，C中的电极为 （填“正”或“负”）极，电极反应式为 。
解析：电解KOH溶液就是电解水，两极分别产生H2和O2，因为相同条件下产生H2的体积是O2体积的两倍，所以C管中收集到的是H2，D管中收集到的是O2。
（1）H2是在阴极产生的，所以M是阴极，与之相连的R是电源的负极。
（2）B是电解池的阳极，A是电解池的阴极。电解Na2SO4溶液也是电解水，电解时H+移动到A极得电子被还原为H2，破坏了A极附近水的电离平衡，导致A极附近溶液显碱性，使酚酞试液变红。B极OH-被氧化，放出O2。
（3）KMnO4中，紫红色的MnO-4向阳极移动。
（4）当C、D里的气体产生到一定量时，切断外电源并接通开关K，此时装置变为燃料电池。经过一段时间，C、D中气体逐渐减少，H2和O2反应生成水，在碱性条件下，C中H2发生氧化反应。
答案：（1）负 （2）溶液变红 4OH--4e-2H2O+O2 （3）B （4）负 2H2+4OH--4e-4H2O
3.书写电极方程式
例3.燃料电池是一种效率高的新型电池，请根据要求回答下列问题。
（1）某种氢氧燃料电池的电解液为KOH溶液，该电池的正极反应式为 。
（2）一种燃料电池中发生化学反应：在酸性溶液中甲醇与氧作用生成水和二氧化碳。该电池负极发生的电极方程式为 。
（3）某燃料电池以CO为燃料，以空气为氧化剂，以熔融态K2CO3为电解质。写出该燃料电池的总反应式、正极和负极的电极反应式： 。
（4）最近，科学家制造出一种使用固体电解质的燃料电池，其效率很高。一个电极通入空气，另一个电极通入汽油蒸汽。其中固体电解质是掺杂了Y2O3（Y：钇）的ZrO2（Zr：锆）固体，它在高温下能传导O2-（其中氧化反应发生完全）。
①以丁烷代表汽油，这类电池放电时，发生反应的化学方程式是 。
②这类电池正极的电极反应式是 ，负极的电极反应式是 ，向外电路输出电子的电极是 。
③放电时，固体电解质里的O2-向 （填“正”或“负”）极移动。
解析：燃料电池的电极只起导电作用，一般不参与电极反应。在负极上发生反应的气体一定是可燃性气体（H2、CH4、CO、CH3OH等），失电子发生氧化反应；在正极上发生反应的气体是O2或空气，得电子发生还原反应。书写电极反应式时，一定要注意电解质的性质：电解质溶液的酸碱性、固体电解质能传导的离子的种类等。
（1）因为该电池的电解液为KOH溶液，所以在正极O2被还原应生成OH-。
（2）原电池的负极发生氧化反应，该燃料电池负极通入的气体应是CH3OH，电池的总反应式为2CH3OH+3O24H2O+2CO2；酸性条件下的正极反应式为O2+4e-+4H+2H2O，即3O2+12e-+12H+6H2O，将总反应式减去正极反应式消去O2即得负极反应式。
（3）该电池的总反应式为CO+12O2CO2，因为电解质为熔融态K2CO3，所以电池中是K+和CO2-3导电，正极反应式为CO2+12O2+2e-CO2-3，用总反应式减去正极的电极反应式得到负极的电极反应式：CO+CO2-3-2e-2CO2。
（4）在固体电解质燃料电池中，电解质在高温下能传导O2-，所以O2被还原的产物为O2-，正极反应式为13O2+52e-26O2-；用总反应式减去正极反应式即得负极反应式。不管是哪种电池，负极总是向外电路输出电子的一极，阴离子向负极移动。
答案：（1）O2+2H2O+4e-4OH- （2）CH3OH+H2O-6e-CO2+6H+ （3）正极：CO2+12O2+2e-CO2-3 负极：CO+CO2-3-2e-2CO2 总反应式：CO+12O2CO2 （4）①2C4H10+13O28CO2+10H2O ②13O2+52e-26O2- 2C4H10+26O2--52e-8CO2+10H2O 负 ③负
4.分析新型电池
例4.研究人员最近发现了一种“水”电池，这种电池能利用淡水与海水之间含盐量的差别进行发电，在海水中电池的总反应可表示为5MnO2+2Ag+2NaClNa2Mn5O10+2AgCl。下列“水”电池在海水中放电时的有关说法正确的是（ ）
A.正极反应式：Ag+Cl--e-AgCl
B.每生成1molNa2Mn5O10转移2mol电子
C.Na+不断向“水”电池的负极移动
D.AgCl是还原产物
解析：由电池的总反应式可知，放电时银失去电子，被氧化得到氧化产物，即银作负极，产物AgCl是氧化产物，A、D都不正确；在原电池中，阳离子在正极得电子发生还原反应，所以阳离子向电池的正极移动，C错误；每生成1molNa2Mn5O10时消耗2molAg，转移2mol电子，B项正确。
答案：B
5.二次电池的充放电
例5.Li―SO2电池具有输出功率高和低温性能好等特点。其电解质是LiBr，溶剂是碳酸丙烯酯和乙腈，电池反应式为2Li+2SO2放电充电Li2S2O4，下列说法正确的是（ ）
A.该电池反应为可逆反应
B.放电时，Li+向负极移动
C.充电时，阴极反应式为Li++e-Li
D.该电池的电解质溶液可以换成LiBr的水溶液
解析：该电池的放电反应和充电反应分别是在不同条件下发生的反应，不是可逆反应；放电时是原电池，Li+向正极移动；充电时是电解池，阴极发生还原反应，反应式为Li++e-Li；Li是较活泼金属，能与水发生反应，因此电池的电解质溶液不能换成LiBr的水溶液。
答案：C
6.电镀和电冶原理
例6.以KCl和ZnCl2的混合液为电镀液，在铁制品上镀锌，下列说法正确的是（ ）
A.未通电前上述镀锌装置可构成原电池，电镀过程是该原电池的充电过程
B.因部分电能转化为热能，电镀时通过的电量与锌的析出量无确定关系
C.电镀时保持电流恒定，升高温度不改变电解反应速率
D.镀锌层破损后对铁制品会失去保护作用
解析：在铁上镀锌时，铁作阴极，锌作阳极；未通电前可构成原电池，此时锌作负极失去电子，铁作正极，而电镀时锌仍然失电子，A项错误。在氧化还原反应中必须满足得失电子守恒规律，因此电镀时通过的电量与锌的析出量有确定关系，B项错误。电镀时保持电流恒定，则导线中通过的电子速率是不变的，升高温度不能改变电解反应速率，C项正确。镀锌层破损后，由于锌比铁活泼，所以即使发生电化学腐蚀也是锌失去电子而保护了铁，D项错误。
答案：C
7.电化学实验探究
例7.某实验小组利用饱和食盐水、导线、直流电源（用“”或“”表示）、烧杯、灵敏电流计（用“”表示）和两个电极棒（分别是M、N）进行电化学实验设计和探究。
甲同学安装好仪器，接好直流电源通电几分钟，发现M处溶液逐渐变浅绿色，过一段时间，溶液变得浑浊且逐渐出现红棕色。
乙同学所用的仪器和甲同学的看上去相同，但接好直流电源通电几秒钟，却闻到一股刺鼻的气味，马上停止通电。
丙同学安装好仪器，线路闭合几秒钟后，却没有明显现象产生，他又很快接入灵敏电流计，发现电流计的指针发生了偏转。
请根据上述同学的实验现象回答以下问题。
（1）M电极棒材料是 ，N电极棒材料是 （写化学式）。
（2）在下列虚框内完成对应三位同学的装置图。
（3）按下表要求写出乙、丙两位同学实验过程中涉及的反应方程式。
要求乙丙
M电极方程式①④
N电极方程式②⑤
总反应方程式离子方程式③：化学方程式⑥：
（4）用化学方程式解释，甲同学实验时M处溶液出现浑浊后转为红棕色的原因： 。
（5）丙同学为了保护M电极不被腐蚀，他可以将N电极棒更换为 （写化学式）。为验证该防护方法有效，他又做下列对比实验：接通电路2分钟后，分别在M电极区滴入几滴NaOH溶液，发现没有更换N电极棒的烧杯中的现象是 。他还可选用的检验试剂是 。
解析：本题综合考查原电池、电解池、金属的腐蚀与防护等知识，根据实验现象正确判断电极类型和电极反应是解题的关键。
（1）从甲同学的实验现象看，M电极是铁，电解时铁被氧化，即M电极是阳极；乙同学的实验中得到的气体是Cl2，被氧化的是Cl-，则阳极N是惰性电极。
（2）甲实验中M电极作阳极，连在直流电源的正极上；乙实验中M电极作阴极，连在直流电源的负极上；丙实验不是电解，但实验中产生了电流，所以丙装置是原电池，接入电流表即可。
（3）乙实验是用惰性电极电解饱和食盐水，丙实验的反应原理相当于是铁的吸氧腐蚀。
（4）甲实验中发生电极反应：Fe-2e-Fe2+（阳极），2H++2e-H2（阴极），总反应式为Fe+2H2O电解Fe(OH)2+H2。Fe(OH)2很不稳定，易被空气中的氧气氧化为红褐色的Fe(OH)3：4Fe(OH)2+O2+2H2O4Fe(OH)3。
（5）要使M电极不被腐蚀，应将N电极换成比铁活泼的金属。没有更换N电极棒的烧杯中，Fe被氧化为Fe2+，只要加入能与Fe2+反应且产生明显实验现象的物质，都能达到检验出Fe2+的要求。
答案：（1）Fe C（或Pt等惰性电极） （2） （3）①2H++2e-H2 ②2Cl--2e-Cl2 ③2Cl-+2H2O电解Cl2+H2+2OH- ④Fe-2e-Fe2+ ⑤O2+2H2O+4e-4OH- ⑥2Fe+O2+2H2O2Fe(OH)2 （4）4Fe(OH)2+O2+2H2O4Fe(OH)3 （5）Zn（合理即可） 溶液中产生白色沉淀，沉淀随即变成灰绿色，最后变成红褐色 酸性KMnO4溶液（或KSCN溶液和氯水）
8.电化学知识综合运用
例8.电浮选凝聚法是工业上采用的一种污水处理方法：保持污水的pH在5.0～6.0之间，通过电解生成Fe(OH)3沉淀。Fe(OH)3有吸附性，可吸附污物而沉积下来，具有净化水的作用。阴极产生的气泡把污水中的悬浮物带到水面形成浮渣层，刮去（或撇掉）浮渣层，即起到浮选净化的作用。某科研小组用电浮选凝聚法处理污水，设计装置图如下：
（1）实验时若污水中离子浓度较小，导电能力较差，产生气泡速率缓慢，无法使悬浮物形成浮渣。此时，应向污水中加入适量的 。
a.H2SO4b.BaSO4
c.Na2SO4d.NaOH
e.CH3CH2OH
（2）电解池阳极的电极反应分别是① ，②4OH--4e-2H2O+O2。
（3）电极反应①和②的生成物反应得到Fe(OH)3沉淀的离子方程式是 。
（4）熔融盐燃料电池是以熔融碳酸盐为电解质，以CH4为燃料，空气为氧化剂，稀土金属材料为电极。已知负极的电极反应式是CH4+4CO2-3-8e-5CO2+2H2O。
①正极的电极反应式是 。
②为了使该燃料电池长时间稳定运行，电池的电解质组成应保持稳定。为此，电池工作时必须有部分A物质参加循环。则A物质是 （用化学式表示）。
（5）实验过程中，若在阴极产生了44.8L（标准状况）气体，则熔融盐燃料电池消耗CH4（标准状况） L。
解析：（1）酸与电极发生反应，NaOH溶液与电极铝发生反应，BaSO4难溶于水，乙醇是非电解质，都不宜加入。加入Na2SO4可增强溶液的导电能力，电解Na2SO4溶液即是电解水。
（2）阳极是铁，电解时铁被氧化为Fe2+；阴极水电离产生的H+放电生成H2和OH-。
（3）Fe2+与OH-反应生成的Fe(OH)2沉淀被氧气氧化为Fe(OH)3。
（4）此燃料电池的总反应式为CH4+2O2CO2+2H2O，用总反应式减去负极反应式即得正极反应式。参加循环的A物质是CO2。
一、备考前提――梳理基本问题
每一类的化学试题都有一些基本的问题，梳理并熟悉其中的基本问题是解答试题的前提。我们通过研究电化学试题发现其中的最基本问题主要有如下四类。
第一类：判断正极、负极、阴极、阳极
判断电池中的正极、负极和判断电解池中的阴极、阳极，是电化学试题中最重要的基本问题。一般有以下一些判断依据：
（1）根据反应物的还原性、氧化性判断。电池的负极上是还原剂发生还原反应，正极上是氧化剂发生还原反应。（2）根据反应产物判断。电解池中，阴极上发生还原反应生成还原产物，阳极上发生氧反应生成氧化产物。电池中也可以根据反应产物判断，负极上发生氧化反应生成氧化产物，正极上发生还原反应生成还原产物。（3）根据装置图中标示的电子流动方向判断。这时要注意分清是“电流方向”还是“电子移动方向”，不要大意失荆州。也可以根据装置图中离子迁移方向或透过离子交换膜的离子种类和方向来判断正负极、阴阳极。（4）根据相连接电池（或电解池）判断。在电池与电解池相连接的装置中，可根据外电源的负极、正极判断电解池中的阴极或阳极
第二类：书写（或判断）电极反应式
电化学的试题，必定要书写电极反应式，因为电极反应式是分析电池、电解池的基础。考生复习电化学内容时，在熟记书写电极反应式的基本规则基础上，要提高书写驮拥缂反应式的书写能力。
根据反应物（氧化剂、还原剂）书写电极反应式。从本质上看，电极反应式跟氧化剂、还原剂、氧化产物、还原产物有如下联系：
阳极（包括电池中负极）：还原剂-ne- =氧化产物；阴极（包括电池中正极）：氧化剂+ ne- =还原产物。
根据氧化还原反应的方程式书写电极反应式时，若是先判断清楚其中的氧化剂、还原剂、氧化产物、还原产物，就不会写错。另外，同一电池（或同一电解池）中的两个电极反应式，相加后可以得到总反应的化学方程式。
（2）蓄电池中，可根据充电时电极反应式书写放电时的电极反应式，或根据放电时的电极反应式书写充电时的电极反应式。
（3）掌握水溶液（酸性、碱性、中性）中的电极反应式配平技巧。在酸性溶液中，不要在电极反应式中出现OH-离子，要用H2O、H+来配平；在碱性溶液中，不要在电极反应式中出现H+离子，要用H2O、OH-来配平；在中性溶液中，一般不在反应物中出现H+离子或OH-离子，但可根据情况在产物中出现OH-离子或H+离子。
（4）根据题给信息，书写并配非水体系中的电极反应。如，在固体氧化物作电解质时，可以用O2-离子来配平，在熔融碳酸盐作电解质时可以用CO2、CO32-等粒子来配平。
第三类：判断电子、离子移动方向
电池、电解池工作时，在电极上的氧化反应、还原反应的带动下，电极和外电路上必定有电子定向移动，内部的电解质中必定有离子发生定向移动，形成电荷传递的闭合回路，这是电池、电解池工作时的基本特征。在电化学相关的试题中，判断离子定向移动方向是考查频度较高的一类基本问题。解答时要注意以下几点：
（1）电池内部，阴离子要向负极做定向移动，阳离子要向正极定向移动。
（2）除了电极反应带动离子定向移动，在电池、电解池内部还存在由于浓度因素使离子扩散移动，所以不同离子定向移动情况差异较大。一般情况下，在电极上参加反应的离子、电极反应过程新生成的离子，移动比较明显，其他离子移动不一定会有明显移动。如在铜、锌、稀硫酸构成的原电池中，H+、Zn2+离子移动比较明显。
（3）判断离子定向移动时，要注意装置中离子交换膜的影响，特别注意区分各种离子交换膜（如，阴离子交换膜、阳离子交换膜、质子交换膜等）存在时离子移动的特征。
第四类：分析氧化还原反应特征
从本质上看，电池、电解池问题是氧化还原反应的具体表现形式，所以高考试题常常会以电池、电解池为载体来考查氧化还原反应的一些基本特征。常见有：
（1）分析判断电池、电解池中氧化还原反应的能量转化特征。要熟悉电池、电解池中发生氧化还原反应时的能量转化类型；要学会分析同一氧化还原反应，设计不同的电池时，能量转化效率的高低等，一般在有盐桥的原电池中，由于氧化剂跟还原剂不能直接接触反应，化学能转化为电能的效率高。
（2）分析判断相关氧化还原反应的反应条件、电子转移方向和数目、反应现象，也可以考查质量守恒定律、电池材料回收，分析解决这些问题都要分析氧化还原反应特征，运用氧化还原规律。
二、备考策略――跳过解题障碍
研究电化学问题的认识模型可以从三个认识角度来分析：即原理维度、装置维度和任务维度。如下图所示。
解决电化学问题时犯错误的原因主要有以下两个方面：
第一，遇到实际问题找不到有效的认识角度，上图有助于同学们形成分析研究电化学问题的认识角度。如，电极反应式书写、电极产物判断、电解或电池现象预测等都需要从电化学和氧化还原反应原理入手；正负极判断、阴阳极判断、电子和离子迁移方向判断、盐桥及离子交换膜功能分析等，需要将装置维度和原理维度结合起来研究；分析电池或电解池中的相关问题、与设计原电池或设计电解池等，从任务维度上看是完全不同的，后者难度更高，需要在高三总复习中突破。
第二，遇到陌生的、较难的问题时，不能用联系的观点对具体问题进行系统分析。一般来说，解决跟电化学相关的具体问题时，电极反应式是关键，要注意研究电极反应与装置内部导电材料（电解质溶液、固体导体、离子交换膜）之间的联系、电极反应与电极材料之间的联系、电极反应与氧化还原反应的联系、电极反应与导电回路的联系等，弄清了这些联系才有解决复杂问题的基础。
三、提分集训――针对模拟练习
1.新情境下分析型试题
命题者通常会利用新信息来编制新情境试题，考查考生在新情境中分析和解决问题的能力。在生产和研究中，新电池、新电解装置很多，所以每年的高考电化学试题中都会涉及一些平时没见过的新电池、新电解装置，运用已学过的电化学原理解决新电池、新电解池装置的相关问题是平时练习的重点。
【例1】已知H2O2是一种弱酸，在强碱性溶液中主要以HO2-形式 存在。目前研究比较热门的Al-H2O2燃料电池，其原理如下图，电池总反应：2Al+3HO2-+3H2O=2[Al（OH） 4]-+OH-
（1）正极反应式为 。
（2）与普通锌锰干电池相比，消耗相同质量的负极活性物质时，Al-H2O2燃料电池的理论放电量约为普通锌锰干电池的_____倍。
（3）Al电极易被NaOH溶液化学腐蚀，这是该电池目前未能推广使用的原因之一。反应的离子方程式为 。
【解析】这里要求用已学过的原电池原理、氧化还原反应原理来分析陌生的“Al-H2O2燃料电池”，在分析过程中要特别注意题中给出的总反应、电池装置等信息。
（1）电池中正极是氧化剂发生还原反应，分析}目给的总反应式可知起氧化剂作用是HO2-，反应后生成OH-，电极反应式为HO2-+2e-+H2O= 3OH-。
（2）普通锌锰干电池中负极活性物质是Zn，Al-H2O2燃料电池中负极活性物质是Al，65g Zn可放出2 mol e-，27g Al可放出3 mol e-，换算后可知消耗相同质量的锌、铝时，Al-H2O2燃料电池的理论放电量约为普通锌锰干电池的3.6倍。
（3）铝易直接跟氢氧化钠反应，先把反应物和生成物列出来，应用电子守恒定律配平离子方程式，看是否需要加水，加几个水。
【答案】（1）HO2-+2e-+H2O=3OH- （2）3.6
（3）2Al+6H2O+2OH- = 2Al（OH）4-+3H2
2.复杂情境下的综合设计题
试题情境越复杂，解答难度越大。提升解决复杂情境下综合试题是复习中需要突破的难点，复习练习中要在这类试题上多下功夫。
【例2】雾霾含有大量的污染物SO2、NO。工业上变“废”为宝，吸收工业尾气SO2和NO，可获得Na2S2O4和NH4NO3产品的流程图如下（Ce为铈元素）：
（1）装置Ⅰ中的主要离子方程式为 。
（2）含硫微粒（H2SO3、HSO3-和SO32-）存在于SO2与NaOH溶液反应后的溶液中，它们的物质的量分数X（i）与溶液pH 的关系如图所示。
①若是0.1molNaOH反应后的溶液，测得溶液的pH=8时，溶液中个离子由大到小的顺序是 。
②向pH=5的NaHSO3溶液中滴加一定浓度的CaCl2溶液，溶液中出现浑浊，pH降为2，用化学平衡移动原理解释溶液pH降低的原因：
。
（3）写出装置Ⅱ中，酸性条件下的离子方程式：
。[
（4）装置Ⅲ还可以使Ce4+再生，其原理如下图所示。
①生成Ce4+从电解槽的 （填字母序号）口流出。
②写出与阴极的反应式 。
（5）已知进入装置Ⅳ的溶液中，NO2-的浓度为a g・L-1，要使1 m3该溶液中的NO2-完全转化为NH4NO3，需至少向装置Ⅳ中通入标准状况下的O2 L。（用含a代数式表示，计算结果保留整数）
【解析】第（4）小题是在化学原理综合的大背景下考查了电解原理，可看作是给定目的下设计型任务题，即设计一个完成“Ce4+再生，即将Ce3+转化为Ce4+”任务的电解装置。由于Ce3+ Ce4+过程发生的氧化反应，必须在阳极发生，所以原料（含Ce3+离子的溶液）应加在阳极区。电解池中，H+等阳离子由阳极区向阴极区迁移，由此可判断图中左边是阳极区，含Ce3+离子的溶液从b处加入，从a处流出含Ce4+的再生液。
原电池部分 原电池反应都是自发的进行氧化还原反应
1、电极名称：只要是直流电源，电极名称是正、负极（不管是教材中的原电池，还是实际生活中应用的电源）。
2、外电路的电子移动方向：（以Cu-Zn原电池原理为例子理解）从负极出发到正极。导致正极表面有大量的电子（负电荷），而使电解质溶液中的溶液中带正电和的阳离子向正极移动，阴离子向负极移动。原电池内部离子的移动：因是正极表面由负极沿外接导线传递过来的电子，所以电解质中的阳离子受正负电荷吸引只能向正极移动，阴离子向阳极移动。
3、原电池的正、负极的判断与我们常说的金属活泼性没有必然的联系，这里所说“金属活泼性强是“负极”中的“活泼性”，我们应这样理解：电极材料在指定电解质中的活泼性。如：镁、铝单质材料为电极，电解质为NaOH液构成原电池时，就是铝电极做负极；铁、铜材料为电极，浓HNO3为电解液构成原电池时，也不能武断的判断Fe为负极。（原电池的正负极，其实就是：谁提供电子谁就是负极，引伸到燃料电池，就是：充燃料的一极为负极，因燃料是还原剂，提供电子。）
4、原电池的两个电极本身变化：①一个电极消耗，一个不消耗，如：教材上的Cu-Zn稀硫酸原电池。②两个电极都消耗，如：生活中的铅蓄电池。③两个电极都不消耗，如：燃料电池。
5、书写电极反应方程式时：①产物要符合实际，如：电解质是酸的，不能在方程式中有OH-出现；电解质是碱的，不能有H+出现在电极反应方程式中，是CH4燃料电池也不能出现CO2形式。②如果两个电极反应方程式都要求写出时，一般说两个式中的电子数目要相等；大多数原电池是一个电极消耗某粒子，另一极就生成该粒子，但不具代表性，如Cu-Zn原电池就不是。
6、若原电池的电解液是中性或碱性，大都是发生吸氧的电化学腐蚀原理。
电解原理部分 所有因电解发生的反应，是依靠外接电源强制发生的氧化还原反应
1、教材中的电解知识，一般是学习电解相应的电解质的水溶液，制取像NaOH等许多化工原料、精炼必要的一些金属。也有少量工业讨论电解熔融的电解质，如电解法制取自然界不存在的如Na、K、Al、Mg、F2等单质。
2、电解的装置叫电解池，与电源正极相连的一极叫阳极，与电池负极相连的一极叫阴极。
3、两个电极材料的选择一般有两类：惰性电极、活性电极。惰性电极常有石墨电极和铂电极，在电解时电极本身不发生变化，但有可能阴极表面沉积金属会使它增重。除惰性电极外，都是活性电极，在电解的过程中，阳极材料都参与反应，被外接电源的正极夺走电子变成金属阳离子，进入溶液（注意：常见的Fe作阳极材料时，是变成Fe2+离子进入溶液的，不是说电源正既然有很强的夺电子能力，而会变成Fe3+，因为是水溶液，涉及到“电极电势”知识）。
4、电解过程中电解质和溶剂的变化：①仅消耗电解质，如电解氯化铜溶液，阴极析出铜单质，阳极放出氯气（即：活动性较差的金属阳离子的非含氧酸盐） ②电解质和溶剂水都消耗，如：电解硫酸铜溶液，阴极析出铜单质，阳极是水电离出的OH-放电生成氧气（即：活动性较强的金属阳离子的含氧酸盐）③仅消耗溶剂，如电解H2SO4 、NaOH等含氧酸盐、强碱。
5、溶液中离子的移动方向：而电解池的阴极是与外接电源的负极相接的，所以通俗的说就是阴极带负电，只有溶液中的阳离子向它移动，能放电的离子在这里发生反应，阴离子向阳极移动，至发生氧化反应。
关键词：两电极 电化学 CO传感器
0 引言
CO作为大气污染物的主要物质之一，是环境监测控制的重点。随着城市能源结构的调整及变化，城市煤气已进入千家万户，以其清洁、方便的特点迅速普及。但由于使用不当或器具不合格，或其他因素造成泄漏，使得CO泄出后造成人员中毒事故时有发生；燃煤及燃气热水器不充分燃烧造成CO的聚集而导致居家人员中毒伤亡也不少见；在工业领域，CO气体的生产、制造、应用等也需控制其浓度范围；在采矿行业，地下矿井的CO气体也需要检测报警。在环保方面汽车尾气检测CO也日益重视起来。两电极电化学式CO传感器功耗低、体积小、灵敏度高、线性范围宽，并具有抗干扰能力强、重现性好、稳定可靠等优点，是一种广泛适合工业及民用领域的电化学式传感器。
1 传感器的结构
电化学传感器有两电极和三电极结构，主要区别在于有无参比电极。两电极CO传感器没有参比电极，结构简单，易于设计和制造，成本较低适用于低浓度CO的检测和报警；三电极CO传感器引入参比电极，使传感器具有较大的量程和良好的精度，但参比电极的引入增加了制造工序和材料成本，所以三电极CO传感器的价格远高于两电极CO传感器，主要用于工业领域。针对当前我国对廉价民用CO报警器的迫切需求，我们选择了两电极CO传感器的整体设计方案。两电极电化学CO传感器主要由电极、电解液、电解液的保持材料、除去干涉气体的过滤材料、管脚等零部件组成。电化学式传感器的代表性构造
2 主要材料的选择
2.1 电解质 电解质是电化学传感器电极间的导体，是构成电池的重要成分。电化学CO传感器按照电解质状态可分为液体电解质型、半固态电解质型和固体电解质型。由于液体电解质易于泄漏和挥发，严重影响了传感器的使用寿命，所以目前很少使用。半固态电解质是介于液态和固态电解质之间的电解质，是将一种亲水性的多孔材料(或称为灯芯材料)浸泡在硫酸中来形成的，这就要求该材料有很好的耐酸腐蚀性质，如聚苯乙烯磺酸膜、玻璃纤维膜等。而固体电解质型电解质代表了传感器的发展的方向。电化学固态聚合物电解质型CO传感器以聚合物中的官能基来传导离子，由于能在室温下工作，并且聚合物可按照设计需要通过化学反应进行改性，便于加工。经比较，固态聚合物电解质型结构性能更好，更易于制得高性能特别是高寿命的传感器。通过试验研究，我们最终选择了Nafion固态聚合物电解质作为两电极电化学CO传感器的电解质。为了克服Nafion固体电解质电化学传感器在使用时易受外界湿度干扰、影响使用寿命的缺点，在传感器中设计了主要用玻璃纤维作为吸收材料填充少量液体电解质的储存室，使液体电解质不易流动并提供充分的溶胀空间，该结构使传感器内部形成稳定的氛围，可以缓冲外界的变化，从而保证Nafion膜传感器相对稳定的工作状态，这样克服了纯固体电解质易受环境影响的缺点，大大提高了传感器的可靠性。
2.2 过滤材料 传感器的过滤材料能够滤除对电极有毒害作用的污染物，其过滤能力对传感器的使用寿命有重要影响。传统的做法是使用活性炭粉末材料，但是由于活性炭的粗装密度小，少量的活性炭难以起到作用，这也是传统的电化学传感器使用寿命短的主要原因；但是增加活性炭用量，又会使传感器的体积变得臃肿，不利于安装在探测器中。针对这个问题，我们采用了近年来新兴的活性碳纤维材料。因为活性炭纤维其表面遍布微孔，以及可经二次加工，成为不同形态的毡及布状的材料，与传统的颗粒炭相比，具有较快的吸附、脱附的速度和更便利的操作维护等优点，该材料对有机气体及恶臭物质（如正丁基硫醇等）吸附量比粒状活性炭（GAC）大几倍至几十倍，对无机气体也有很好的吸附能力，减小了过滤材料的用量，并且易于集成于传感器中。 转贴于
2.3 电极材料 CO传感器的电极主要材料包括催化剂和基体材料。催化剂能加速气体的反应，电极上载有对CO催化反应活性高的由铂、钌、镍等金属微粒组成的催化剂，这些金属作为电化学反应的催化剂可加速化学反应而本身无变化。在常见国外的CO传感器中，铂由于催化活性高而被广泛使用，本项目也用铂作为指示电极和对电极的催化剂。电极基体材料的选择主要考虑材料的化学惰性，不与电解质和实际应用中可能接触的化学物质反应；同时本传感器中的电极是气体扩散电极，基体材料要制备成多孔结构，所选材料应易于制备多孔薄膜；此外基体材料最好具备憎水性以防止水蒸气在孔洞中凝结影响传感器的正常工作。在上述条件限定下我们最终选择化学惰性极佳、且具憎水性的聚四氟乙烯（PTFE）作为电极的基体材料。
3 内封装工艺
铂丝与电极插脚结合的部位是电解液泄漏的一个原因，该部位易受电解质溶液的腐蚀导致漏液和在传感器内引入其它金属离子而影响使用性能。一般的方法是在电极插脚上用电镀或化学镀方法制备惰性薄膜，或使用导电塑料进行连接，这些方法增加了制备工艺的难度，我们通过简单的内封装工艺解决了这个问题。内封装工艺就是通过在铂丝与电极插脚结合的部位浇注一薄层耐酸树脂，该树脂封装至少6mm的铂丝，实验表明这样的处理能使电解质液无法到达电极插脚端头，有效防止漏液。
4 两电极电化学CO传感器浓度特性曲线
研制的CO传感器灵敏度高，线性好，其输出特性完全能够满足检测仪器的设计要求
通过几年的观察分析，我们发现我校化学工程与工艺（电化学）专业实验教学中主要存在以下几方面的问题。
1.实验内容设置不合理。原有的实验体系已沿用了近十年，有些实验内容如铅酸电池、镉镍电池方面的内容明显落后于现在电化学学科的发展，原有的实验内容已无法满足现在的人才培养需要。近些年，随着电化学领域的不断发展，一些新的实验方法、实验技术及新的电化学体系不断涌现，这些内容代表了电化学学科的发展趋势和发展方向，急需补充到现有实验教学内容中，从而提高实验教学的质量。
2.实验教学方法不利于发挥学生的主观能动性。传统实验教学往往以指导教师的讲授为主，讲授的要点主要根据实验讲义的内容而定。实验讲义上每个实验基本都有完整的实验目的、实验原理、操作步骤和数据分析处理等内容。教师主要讲解实验原理和操作步骤及数据的分析处理，学生根据实验讲义上给出的实验步骤和数据分析方法去完成实验。在整个实验过程中，学生很少有独立思考的空间，他们只能按照实验讲义中给出的实验方案进行实验，也就是说学生变成了实验方案的执行者，而不是实验方案的制订者或参与者，这不利于发挥学生的主观能动性和积极性。
3.实验考核方式不够科学。以往学生实验成绩主要根据实验报告的情况来决定，具体包括两部分：一是实验报告内容的完整性，包括实验目的、实验原理、实验步骤和数据处理等项目是否完整，实验参数是否准确；另一方面是实验的数据是否准确可靠，数据处理方法是否正确。这种考核方式只是根据实验报告提供的信息进行成绩的评定，而对实验过程中学生分析解决问题的能力、实验操作的能力没有进行考虑。这使得成绩的评定缺乏全面性和科学性。
二、专业实验教学过程中的一些改革与探索
针对上述实验教学中存在的问题，我们做了以下几方面的改革与探索。
1.实验内容的改革。实验内容是影响实验教学效果的决定性因素。专业实验教学必须结合专业发展现状，将学科的研究热点和教师的科研成果引入实验教学，这一方面体现在实验技术、实验方法的改进方面，另一方面体现在实验教学内容的更新方面。这样才能使学生在本科实验教学阶段接触到专业前沿领域，了解专业研究热点，掌握专业最新的研究方法和研究成果。将先进的实验内容引入实验教学有利于学生综合素质的提高，为其在今后的工作、学习和深造过程中尽快进入角色奠定坚实的专业基础。实验内容的设立应考虑以下几方面的因素。基本的实验知识和技能的培养，专业发展现状、发展趋势的了解，实验室软硬件的状况，经费情况等。实验内容的设立还应体现我校化学工程与工艺（电化学）专业的特色，即化学电源和表面处理领域的工程化。基于以上几方面的考虑，我校化学工程与工艺（电化学）专业实验包括以下几方面的内容：方波电流法、方波电位法、循环伏安法、线性电位扫描法、电化学阻抗谱等实验内容主要是让学生掌握电化学中的一些基本测试方法；电镀液的赫尔槽实验、电镀液分散能力实验、电镀液电流效率实验是为了让学生掌握电镀中常用的研究方法；旋转圆盘电极实验、微电极实验、电化学石英晶体微天平等实验的目的是让学生掌握电化学领域较先进的一些实验方法；化学电源设计和电镀车间设计方面开设了4个实验，主要目的是让学生接触专业领域的工程化问题，帮助其毕业后能尽快适应企业的生产环境。
一、原电池
我们在电化学教学中，老师应明确告诉学生：原电池反应是自发的氧化还原反应。在满足形成原电池的条件（两电极、电解质溶液、闭合）下，先正确地写出自发的氧化还原反应方程式（原电池反应）并确定氧化剂和还原剂。还原剂一定在负极上反应，氧化剂一定在正极上反应。如果还原剂是金属，则该金属是原电池的负极，且正极与该金属不同，如果还原剂不是金属，则正负电极由其他电极代替且可相同。这样，既可以根据原电池反应判断正负极和书写电极反应，也可以将自发的氧化还原反应设计成原电池。
1.规律
负极：失电子，发生氧化反应（一般是负极本身失电子，除外界不断补充的燃料电池）。
正极：得电子，发生还原反应（一般是溶液中阳离子在正极上得电子，也可能是O2在正极上得电子如吸氧腐蚀或燃料电池，或正极本身得电子）。
2.分类
（1）一般原电池
①两个活泼性不同的电极（金属与金属、金属与石墨碳棒、金属与难溶金属氧化物）；
②电解质溶液，至少能与一个电极发生有电子转移的氧化还原反应，一般是置换反应；
③两电极插入电解质溶液中且用导线连接，且形成闭合回路。
方法点睛：先分析两电极材料相对活泼性，相对活泼的金属作负极，负极失去电子发生氧化反应，形成阳离子进入溶液；较不活泼的金属作正极，溶液中的阳离子按放电强弱顺序在正极上得到电子发生还原反应，析出金属或氢气，正极材料不参与反应。如金属Fe、Cu、稀盐酸构成的原电池中，负极为Fe。
但是具体情况还应具体分析，如金属Fe、Cu、浓硝酸构成的原电池中，由于Fe比Cu活泼，但负极却是Cu（Fe、Al在浓硝酸中钝化，不能继续反应，而Cu可以与浓硝酸反应）。
（2）燃料电池
燃料电池大多数是由可燃性物质（主要是可燃性气体）与氧气及电解质溶液共同组成，虽然可燃性物质与氧气在不同的电极上反应，但总方程式相当于可燃物在氧气中燃烧。因为涉及电解质溶液，所以燃烧产物（一般为CO2）可能还要与电解质溶液反应，再写出燃烧产物与电解质溶液反应的方程式，从而得到总方程式。
（3）盐桥在原电池反应中起到作用
在教学中常常有学生问，原电池中盐桥到底起到什么样的作用。对于此问题，很多老师怕增加学生的学习负担，往往就会简单地告诉学生，盐桥是起到导电作用；盐桥中的阴离子向负极移动，阳离子向正极移动。这样回答的话，学生往往产生另外一个问题：溶液中的阴阳离子可以定向移动而导电，为什么偏偏要把两个半反应分开在不同区域进行，中间加上盐桥呢？其实盐桥除了上面所说的导电作用外，还有个很重要的作用是，避免负极材料直接与正极的电解质溶液反应，这样原电池能持续稳定的放电，从而使原电池具有实用价值。另外盐桥的存在可以平衡两个反应容器内的电荷，使得反应能持续进行。其实上述三者的作用又不是孤立存在，而是相互依赖，相互影响的。
二、电解池
电解池反应是强制的氧化还原反应。在满足形成电解池的条件（电解质溶液导电）下，根据阳离子的氧化性顺序、阳极活性及阴离子的还原性顺序，正确的写出电解池反应并确定氧化剂和还原剂。还原剂一定在阳极上反应，氧化剂一定在阴极上反应。如果还原剂是金属，则该金属是电解池的阳极（阴极任选）；如果还原剂不是金属，则阳极是惰性的。这样，既可以根据电解池反应判断阴、阳极和书写电极反应，也可以将溶液中或离子晶体熔化时不能自发的氧化还原反应设计成电解池反应。但要注意的是，惰性电极电解溶液时最后阶段可能是电解水。
1.规律
阳极：失电子，发生氧化反应（可以是溶液中阴离子在阳极上失电子，也可以是阳极电极材料本身失去电子）。
阴极：得电子，发生还原反应（溶液中阳离子在阴极上得电子）
2.放电顺序
（1）阳极为惰性电极如石墨或Pt时，只需考虑电解质溶液中所有阴离子的放电，电极本身不参与放电。
（2）阳极为活性电极如Fe、Cu、Ag时，则活性电极本身失去电子生成相应的阳离子。
阳极放电顺序：活泼电极>S2->I->Br->Cl->OH->含氧酸根离子>F-
（3）阴极的电极材料本身不参加反应，溶液中所有阳离子的放电顺序：
Ag+>Hg2+>Fe3+>Cu2+>（H+酸）>Pb2+>Sn2+>Fe2+>Zn2+>Al3+>Mg2+>Na+（注意Fe的两种离子和H+的位置）
3.电极反应书写
首先看是否有活泼电极做阳极；然后看溶液中有哪些阴离子和阳离子；最后看哪种离子先放电。
1无掩膜电化学微/纳米加工技术无掩膜电化学微/纳米加工技术是基于微/纳米电极针尖或针尖阵列的扫描探针显微镜(SPM)技术，包括电化学扫描隧道显微镜(EC-STM)和电化学原子力显微镜(EC-AFM)、超短电压脉冲技术(US-VP)、扫描电化学显微镜(SECM)、扫描微电解池(SMEC)等，加工的精度由针尖电极的尺寸决定。无掩膜技术的优点在于所加工的三维结构的尺度和精度可以达到微/纳米级别，缺点是材料去除率低以及加工效率低。
1．1电化学扫描探针显微镜(EC-SPM)电化学扫描隧道显微镜由Kolb课题组于1997年提出。与“蘸水笔”技术很类似，首先在STM探针上沾上带有Cu2+的溶液，再移到金基片上通过电沉积形成铜纳米团簇。此方法的加工精度非常高，团簇的直径一般在亚纳米级别，高度可以控制在几个纳米［7］。然而，由于很多金属的还原电位低于氢析出电位，很难在水溶液中通过电沉积的方法得到纳米团簇或微/纳米结构。最近，厦门大学毛秉伟教授课题组在室温离子液体环境中电沉积得到了活泼金属锌和铁的纳米团簇图案［8-10］。原子力显微镜与电化学联用可以达到类似的结果。虽然单点加工作业效率低，但是由于金属的电沉积速度很快，如果采用阵列SPM探针，可以大幅度提高加工效率。EC-SPM最大的不足在于SPM的扫描行程非常有限，因此加工的尺度范围很小。目前本课题组正在研发大行程(100mm×100mm)的EC-SPM技术。
1．2超短电压脉冲技术Schuster发展了超短电压脉冲技术(USVP)，将微/纳米电极、电极阵列或者带有三维微结构的模板(工具)逼近待加工的导电基底(工件)，然后在针尖与基底之间施以纳秒级电压脉冲。由于电极/溶液界面的时间常数为双电层电容和工具与工件之间溶液的电阻的乘积(τ=RCd)，而后两者与工具和工件之间的距离有关，所以在工件与工具之间施加纳秒级的电势脉冲时，只有距离工具最近的工件部位发生阳极溶解，从而得到尺度可控的微型结构［11］。本质上讲，这种技术具有距离敏感性，加工的精度较高。我国已有研究人员正在开展这种技术的研究［12］。
1．3扫描电化学显微镜扫描电化学显微镜(SECM)是一种以超微电极或纳米电极为探针的扫描探针技术，由一个三维精密定位系统来控制探针电极与被加工基底之间的距离，通过在针尖与基底之间局部区域激发电化学反应，可以获得各种微结构图案。该技术通过电流反馈原理定位微/纳米电极针尖，与STM和AFM相比，虽然空间分辨率有所降低，但是化学反应性能得到增强，大大拓展了微/纳米加工的对象，成为一种重要的微/纳米加工技术。SECM在微/纳米加工中的应用详见文献［13］。
1．4扫描微电解池扫描微电解池(SMEC)是利用毛细管尖端的微液滴与导电工件形成接触，对电极插入到毛细管中与导电的加工基底构成微电解池，并以该微电解池作为扫描探针。由于电化学反应被限制在微液滴中，因此微液滴的尺寸决定了加工的精度［14］。近期的研究结果表明，通过该方法可以制作形状可控的铜纳米线，在微电子元器件的焊接技术中表现出显著的优势［15］。我们课题组采用该方法合成了各种微/纳米晶体或聚合物功能材料，用于构筑电化学功能微器件［16-17］。
2掩膜电化学微/纳米加工技术掩膜微/纳米加工技术包括LIGA技术、EFAB技术、电化学湿印章技术(EC-WETS)和电化学纳米印刷技术。这些加工技术的主要原理都是将电化学反应控制在具有预设微/纳米结构的掩模内。工件通常是导电的，同时也作为电极。LIGA和EFAB技术需要通过光刻在工件上形成微结构，然后通过电沉积方法在其间得到金属微/纳米结构。电化学湿印章技术和电化学纳米压印技术使用的是凝胶或固体电解质模板，模板与工件接触，利用电沉积或刻蚀形的方法形成所需的微/纳米结构。
2．1LIGA技术LIGA(德语Lithographie，Galvanoformung，Abformung的缩写)是一种加工高深宽比微/纳米结构的方法［18-20］。先在导电基底上涂覆一层光刻胶，通过光刻曝光后形成高深宽比的微/纳米结构;然后在含有微/纳米结构的光刻胶模板上电沉积金属，去除光刻胶后得到金属微/纳米结构。获得的金属微/纳米结构还可以进一步作为加工塑料和陶瓷材料工件的模板。LIGA加工的深宽比可以达到10～50，粗糙度小于50nm。该技术使用的X射线曝光光源价格昂贵，而紫外曝光工艺又受相对较低的加工深宽比的制约。另外，如何在有较高深宽比的光刻胶微/纳米结构中实现高质量的电铸也是需要解决的问题。
2．2EFAB技术EFAB(ElectrochemicalFabrication)是由美国南加州大学AdamCohan教授提出的一种微/纳米加工方法［21-23］。EFAB技术首先利用CAD将目标三维微/纳米结构分解成容易通过光刻加工的多层二维微/纳米结构;然后将设计好的微/纳米结构层和牺牲层一层一层地沉积于二维光刻胶模板中;去掉光刻胶模板和牺牲层金属就可以得到所需的微/纳米结构。每一个电铸层都要求高度的平坦化，以确保下一步工艺的质量。化学抛光(CMP)是常用的抛光方法，但是其价格昂贵，大大增加了工艺成本。另外，逐层加工对多层结构之间的精确对准有着很高的要求，任何两层之间的对准错误都将会导致整个微/纳米加工流程失败。2．3电化学湿印章技术Grzybowski提出了一种利用含有刻蚀剂和微结构的凝胶模板来实现导体或半导体材料的化学刻蚀技术［24］。我们课题组采用琼脂糖凝胶模板作为电解质体系，提出了EC-WETS技术，通过电沉积、阳极溶解或化学刻蚀等途径实现微/纳米结构的加工［25］。目前的主要问题是如何控制反应物的侧向扩散，提高反应物在胶体中的扩散速率以及加工的精度。
2．4固体电解质电化学纳米印刷技术AgS2是一种具有银离子传输能力的固态超离子导体电解质，Hsu等制备了AgS2微/纳米结构模板。当银工件表面接触到超离子导体模板时，在工件上施加一定的电压，银工件表面与模板的连接处将会发生银的阳极溶解，银离子在AgS2电解质中迁移，沉积到AgS2模板另一侧的对电极上［26-27］。这种方法的主要缺陷是可以用作模板的固体电解质有限，机械强度差，而且，工件表面溶出的阳离子在固体电解质中的扩散速度慢，加工效率低。
3约束刻蚀剂层技术微/纳米加工技术必须满足以下3点要求:微/纳米级加工尺寸，能加工复杂的三维结构以及实现批量化生产。然而非掩膜技术不适合批量生产，掩模技术又难以生产连续曲面等复杂的三维微结构。我们课题组致力于电化学微/纳米加工领域已有20多年，由田昭武院士提出的具有自主知识产权的约束刻蚀剂层技术(CELT)可以满足对微/纳米加工技术的上述3个基本要求，本节将予以详细介绍。
3．1基本原理约束刻蚀剂层技术是通过一个随后的均相化学反应将电化学、光化学或光电化学产生的刻蚀剂约束至微/纳米级的厚度，从而实现微/纳米精度的加工。约束刻蚀剂层技术主要分为以下3个步骤:①刻蚀剂的生成反应为:RO+neorR+hvO(+ne)(1)其中R为刻蚀剂前驱体，O为刻蚀剂。CELT使用的工具既是光/电化学体系的工作电极又是微/纳米加工的模板，即刻蚀剂通过电化学、光化学、光电化学的方法在模板表面产生。由于刻蚀剂在溶液中的扩散，刻蚀剂的形状和厚度很难控制，这取决于刻蚀剂的扩散性质、模板电极的大小和形状。为了确保加工精度，就必须控制刻蚀剂的扩散仅仅发生在模板电极表面微/纳米级的尺度范围以内。②约束反应为:O+SR+YorOY(2)其中S为工作溶液中的约束剂，Y是约束剂S与刻蚀剂O反应的产物或者光/电化学反应生成的自由基衰变产物。由于约束反应的发生，使刻蚀剂的扩散被限制在模板电极表面微/纳米级的尺度范围以内，约束刻蚀剂层的厚度取决于约束反应的速率或自由基O的寿命。约束刻蚀剂层的理论厚度为［28］:μ=(D/Ks)1/2(3)其中μ为约束刻蚀剂层的厚度，D为刻蚀剂在工作溶液中的扩散系数，Ks为约束反应(式(2))的准一级反应速率常数。当Ks为109s－1时，约束刻蚀剂层的厚度将达到1nm。由于刻蚀剂层被约束在微/纳米尺度范围内，刻蚀剂层保持与加工模板一致的形状。因此，约束刻蚀剂层技术的加工精度取决于约束刻蚀剂层的厚度。③刻蚀反应为:O+MR+P(4)式中M为被加工材料，P为刻蚀产物。当模板电极逐渐逼近工件使约束刻蚀剂层与工件表面接触时，工件表面将与刻蚀剂发生化学刻蚀反应，直到在工件表面生成与模板电极三维微/纳米结构互补的微/纳米结构。
3．2微/纳米加工仪器用于微/纳米加工的CELT仪器主要由电化学工作站、三维微位移控制器、计算机反馈系统三部分构成［29-33］(图1)。电化学工作站用于调控CELT化学反应体系;三维微位移控制器用于模板工具的定位和进给。控温系统和工作液循环系统等附属系统在这里不做展示。计算机用于CELT整体系统的信息发送和反馈，以确保整个微/纳米加工过程协同完成。
3．3化学反应体系的筛选对于CELT而言，首先是要选择合适的化学反应体系。在实验中，我们使用一个柱状微电极作为工具电极来产生针对特定加工材料的刻蚀剂。比如在加工半导体砷化镓时，溴是常用的刻蚀剂，而胱氨酸作为约束剂用以调控刻蚀剂层的厚度［34-39］。整个刻蚀体系的化学反应表示如下:16Br－8Br2+16e(5)5Br2+RSSR+6H2O2RSO3H+10Br－+10H+(6)3Br2+GaAs+3H2O6Br－+AsO3－3+Ga3++6H+(7)用于加工砷化镓的CELT化学体系的循环伏安图见图2(a)［34］。刻蚀剂的生成反应(式(5))是一个可逆的氧化还原反应。由于工作液中胱氨酸(RSSR)与溴的约束反应(式(6))，胱氨酸被氧化为磺酸(RSO3H)，体系的法拉第电流显著增加，这表明约束刻蚀剂层的厚度减小。如图2(c)所示，纳米加工的精度得到良好改善［38］。值得注意的是，约束刻蚀剂层的厚度可以通过改变约束剂的浓度来调节。这对于超光滑表面的加工十分重要，可以根据实际技术要求调整工艺。SECM可以用来探测工具表面刻蚀剂的浓度分布，并且可以用来获取CELT化学反应体系的动力学参数，这对于优化CELT微/纳米加工的技术参数十分重要［40-41］。
3．4复杂三维微结构的CELT加工CELT已被证明可以成功地用于金属、合金、半导体、绝缘体表面复杂三维微结构的加工［42-49］。在三维微结构的加工实验中，使用的是具有互补结构的模板电极。模板材料可以是铂铱合金、硅、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等。在具有三维微结构的硅或PMMA模板上首先沉积一层钛，然后再溅射一层铂，以确保模板在加工过程中的导电性和稳定性。在金属或合金基底上加工三维微结构的关键是在工具电极表面产生氢离子作为刻蚀剂，以氢氧化钠作为约束剂。目前，各种三维微结构已经被成功复制在铜［50-51］、镍［51-52］、铝［53］、钛［54］、镍钛合金［55］、Ti6Al4V［56］、镁合金［57］基底上。对于半导体硅［32，58-62］或砷化镓［34-39］，一般以溴作为刻蚀剂，以胱氨酸为约束剂。图3所示的是采用CELT在n型砷化镓基底上加工出的三维衍射微透镜阵列，这是CELT加工出的首例光学微器件［39］。整个微透镜阵列是一个八相位衍射光学器件，每个小微透镜由8个同心圆以及7个台阶位构成。7个台阶位的总高度是1．3μm，每个台阶的平均高度为187nm。添加剂对提高刻蚀产物的溶解性至关重要，在硅微加工中，通常加入氟化钠以避免硅沉淀。最近，由光电化学或光化学生成自由基刻蚀剂也取得了初步进展，例如二乙胺自由基刻蚀铜［63］。
3．5超光滑表面的CELT加工如果工具模板不是复杂三维结构，而是一个超光滑平面，CELT能否发展成为一种整平技术呢?由于集成电路和超精密光学器件等领域的巨大市场需求，将CELT发展成为一种超光滑表面加工技术具有十分重要的意义。最近，我们采用CELT的基本原理开展了超光滑表面加工的研究工作，该方法有可能代替现有的化学机械抛光技术(CMP)，用于超大规模集成电路中铜互连结构的整平。初步的研究结果表明CELT对铜的整平有着良好的效果(图4)。CELT抛光的关键在于确保约束刻蚀剂层在大面积范围内保持均一的浓度分布。尽管大面积超光滑工具电极的流体力学设计非常必要，但是最简单的方法是使用一个线型工具电极对在加工平台上做旋转运动的工件进行作业。本课题组正在将传统的机械加工作业方式与CELT进行对接，这无疑将在超光滑表面及其微/纳米二级结构的加工领域发挥更加重要的作用［33］。
【关键词】高中化学；电化学；误区；措施
不少学生在理解一些抽象的电化学概念时感到较为困难，不能准确把握其实质，也就无法真正做到理解和正确运用，高中化学教师需要认真研究学生在概念学习的误区类型和成因，并采取有针对性的应对措施，确保学生都能正确把握，做到深化理解，准确应用，促进学生思维能力提升，发展他们的综合能力。
一、高中电化学概念学生学习存在的误区类型分析
（一）学生未能深入理解原电池中电子转移的实质
现在高中学生在学习原电池的有关知识时，最先学习的知识内容是Cu-Zn原电池，由于这些内容相对抽象，不少学生在学习过程中不能深入理解，对概念及其原理理解相对浅显，不能正确地解释氢气在铜棒上产生的原因和原理。相当一部分学生在学习过程中只是记住了结果，并不能准确地理解过程和原理，还有不少学生错误地认为阳离子和阴离子向相对的电极移动，是正负电荷相互吸引所致。
（二）对于原电池的工作原理没有能够正确理解
氢氧燃料电池主要是根据原电池反应的基本原理，选用氢氧作为主要原料而制成的化学电源，不少学生错误地将化学电源认为是电解池，认为该电池发生的氧化还原反应不是自发的化学反应。也有一部分学生的判断是正确的，但是，在电极反应方程式的理解上存在误解，一方面是因为这些知识平时接触的知识相对较少。另一方面，平时学生生活中的各种实际名称和化学学科知识中的定义重合，容易造成概念混淆和误判。
（三）对于电解池中外加电源的功能认识和理解不到位
学生学习原电池工作原理，在老师的引导下和讲解之下，也能理解其反映的基本原理。但是，对电解池外加电源的功用认识模糊，不知道其在整个装置当中的关键作用，由此产生了很多的疑惑和误解。不少学生主观上理解电极带电，可以从电极所携带的正负电荷来判断阴阳离子的运动速度和方向；有些学生认为提供电子是外加电源的主要功用，外加电源导入电子并促进其从负极向阴极流动，这样就可以使电池中的阳极带上正电荷，而阴极就带上了负电荷，阴阳离子本身具有相互吸引的特点，便做定向移动。这是学生对概念先入为主的原因造成的，是以前对概念的认识，造成现在的排斥，这是思维定势的强大惯性，促使学生不能针对新概念的认识和感悟，不能根据实际情况及时转变思维。高中电化学概念与高中物理，电学知识学习和应用同时进行，学生容易将物理学中的电流、电荷、电极等方面的知识直接迁移到化学电池的学习中来，理解和解释其中的原因。
二、纠正学生概念理解和认识应用误区的措施分析
（一）创设适应的认知冲突问题情境，颠覆学生的思维惯性和认知定势
很多时候学生的思维容易受到以往模式的影响，已有思维的惯性容易带给学生更多的影响和制约，让学生在原来的轨道上运行新的知识概念，使问题在现有的轨道上逐步偏离，引发认识的错误和实践的变轨，导致学生不能真确理解一些新的概念。高中化学电化学概念教学引导学生走出理解的误区，就要针对学生实际，创设一些更具冲突性的认知情境，让学生产生加强的思维落差和张力，以此来引发学生扭转思考的方向和路径，从而纠正他们在学习中出现的问题。
例如，学习“原电池原理”的相关教学内容时，教师可以首先向展示铜锌稀硫酸原电池这个最为常见也是最为简单的应用模型，由此可以让学生去思考一个新的问题，如何才能组装一个能够产生电能的模型装置呢？因为，在此之前，他们已经有了电池能导电、氧化还原离子转移、电池等方面的概念和实验操作经验，促使学生对现有的装置进行思考和突破，并预测一些相P的实验装置模型的设计和应用原理。这些概念和思维都会受到以往思维的惯性影响，教师为学生进行实验演示，结果让学生观察与自己的想象大相径庭，由此产生激烈的认知冲突。此时，教师再对学生进行阐释分析，强化学生对新概念的认识和理解，建立一个全新的化学概念和思维模式。
（二）注重概念的深入阐释，防止学生将不同学科领域概念混淆
生活中的各种电器和电源设备都笼统地称之为电池，不同形状，不同用途，不同材质，不同科学原理的电源或者蓄电存储设备，都以此来称谓，学生在理解上容易受到生活现象的误导。原电池的电极反应与电极和电解质本身有着非常密切的关系，在分析理解电极反应时不能抛开电极与电解质这些最为基本的要素。同时对一种事物的认识是一个逐步深入循序渐进的过程，电化学概念的理解也是如此。要抓住概念的本质属性表述语，深入理解概念不同于其它事物的最本质的部分，引导学生逐步深化理解，以此来正确理解，深入领悟。
（三）深入领悟原电池构成条件，领悟电源工作原理
原电池形成必须满足三个条件，一是具有不同的两极，而是电解质溶液，三是浸入溶液中的两极必须用导向加以连接构成一个闭合电路。原电池不仅是一种将化学能转变成电能的装置，也是更好地揭示化学电源工作原理的装置。而普通电池是通过电路产生电势差，形成电场。原电池中点电解溶液中的阴阳极处在内电路中，阴离子只能由高电势向低电势出运动，如锌铜原电池氢离子移向铜片得到电子而生成氢气就是这个原理。
总之，电池和电解池是高中化学教学的重要内容，也是学生学好化学的重要基础，很多学生缺乏这方面的知识基础和实践经验，并且这方面内容相对其他方向的知识较为抽象难懂。教师需要结合学生实际，分析原因并采取有效的措施，减少误区，降低难度，提升学习效率。
【参考文献】
