评析一道2013年高考理综化学试题
2022-06-08
摘要：剖析了一道2013年新课标高考理综化学试卷第28（5）小题的命题意图，作了该试题解析，并由此得出了相关的教学启示。
教育期刊网http://www.jyqkw.com/
关键词：高考；试题评析；教学启示
文章编号：1005–6629（2014）1–0074–02 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
题目：2013高考新课标[28.（5）]二甲醚直接燃料电池具有启动快、效率高等优点，其能量密度高于甲醇直接燃料电池（5.93 kW·h·kg-1）。若电解质为酸性，二甲醚直接燃料电池的负极反应为 ，1个二甲醚分子经过电化学氧化，可以产生 个e-的电量；该电池的理论输出电压为1.20 V，能量密度E= （列式计算。能量密度=电池输出电能/燃料质量，l kW·h=3.6×106 J）。
1 命题意图分析
试题考查原电池电极方程式的书写、化学计量在化学实验中的应用以及物理学中的电学知识等等，命题思路新颖，体现了新课标的教学要求，是一道化学学科与物理学科综合的经典案例。目前全国各地的高考理综试卷，绝大部分试卷是将理、化、生简单的拼卷，规定考生在150分钟内完成，没有实质上的综合。从简单的理化生拼卷到实质上的综合，这才是今后全国各地高考理综考试卷发展的必经之路[1]。
电池的能量密度源于化学选修4课本第75页，教材介绍了电池优劣的判断标准：单位质量或单位体积的电池所储存的能量多少，叫能量密度即比能量；单位质量或单位体积的电池所输出功率的多少，叫功率密度即比功率。它们的计算公式分别为：比能量=电压×电流×该状态下所能持续放电的时间/体积（或质量）、比功率=最大放电电流×该状态下所能持续放电的时间/质量（或体积）。
例如5号镍镉电池的额定电压为1.2 V，其容量为800 mAh，则其能量为0.96 Wh（1.2 V×0.8 Ah）。同样尺寸的5号锂-二氧化锰电池的额定电压为3 V，其容量为1200 mAh，则其能量为3.6 Wh。这两种电池的体积是相同的，因此锂-二氧化锰电池的比能量是镍镉电池的3.75倍。
2 试题解析
由题给的直接燃料电池的能量密度的计算公式和甲醇直接燃料电池的能量密度（5.93 kW·h·kg-1）得知，试题中二甲醚直接燃料电池的能量密度的计算只要计算出1 kg二甲醚输出的电能即可。
若电解质为酸性介质如H2SO4溶液，燃烧产物CO2不会被稀H2SO4吸收，二甲醚直接燃料电池的负极发生氧化反应，反应的电极方程式为：CH3OCH3+3H2O-12e-=2CO2+12H+，显然1个二甲醚分子经过电化学氧化，可以产生12个e-的电量；
1 kg二甲醚的物质的量n=1000/46 mol，可以产生的1000/46×12×6.02×1023个e-的电量，1个e-的电量为1.602×10-19 C。
1 kg二甲醚输出的电能：W=UIt=Uq=1.20×1000/46×12×6.02×1023×1.602×10-19 J
=3.02×107 J
=3.02×107/3.6×106（kW·h）
=8.39 kW·h
二甲醚直接燃料电池能量密度或比能量E=8.39 kW·h·kg-1
用同样的方法，通过列式计算求出甲醇直接燃料电池的理论输出电压是多少？
若电解质为酸性，甲醇直接燃料电池的负极电极反应式为：
CH3OH+H2O-6e-=CO2+6H+，1个甲醇分子经过电化学氧化，可以转移6个e-；
1 kg甲醇的物质的量n=1000/32 mol，可以转移的1000/32×6×6.02×1023个e-的电量；
1个e-的电量是1.602×10-19 C，1 kg二甲醚输出的电能：
W=UIt=Uq=U×1000/32×6×6.02×1023×1.602×10-19
=1.808×107 U
=1.808×107/3.6×106 U（kW·h·V-1）
=5.02 U（kW·h·V-1）
E=5.93 kW·h·kg-1=5.02 UkW·h·kg-1·V-1
U=1.18 V
若电解质为NaOH碱性溶液，甲醇直接燃料电池的负极反应为：CH3OH+8OH--6e-=CO3 2-+6H2O，同理也可算出理论输出电压是1.18 V；根据P=W/t，功率可以由电池输出的电能换算得到，求出比功率。
3 教学启示
在人教版教师用书中，几乎没有见到能量密度知识的介绍或拓展内容，教辅资料上几乎看不到关于比能量、比功率等例题或试题，因此在新课标教学和高考复习时容易被师生忽视。
关注社会生产实际已成为中学化学教育的一个鲜明特征，新课程教材中更是将“化学与社会发展”内容列为一个重要的学习内容，因此在高考试题中已经或将要出现相应的以“化学、社会、生活及边缘交叉科学”为情境的试题，笔者认为这是今后高考理综试卷命题的“风向标”。因此，教师应该从新课程中挖掘关于“科学技术与社会发展”的元素，将化学知识的教学内容融入具体社会现象和解决现实社会问题之中，并适时地引导学生去寻找理化生交叉内容的潜在考点。
参考文献：
[1]刘孝元. 2013年全国新课标理综卷I化学试题“稳”“变”“新”[J].中学化学教学参考，2013，（7）：54～56.
教育期刊网http://www.jyqkw.com/
关键词：高考；试题评析；教学启示
文章编号：1005–6629（2014）1–0074–02 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
题目：2013高考新课标[28.（5）]二甲醚直接燃料电池具有启动快、效率高等优点，其能量密度高于甲醇直接燃料电池（5.93 kW·h·kg-1）。若电解质为酸性，二甲醚直接燃料电池的负极反应为 ，1个二甲醚分子经过电化学氧化，可以产生 个e-的电量；该电池的理论输出电压为1.20 V，能量密度E= （列式计算。能量密度=电池输出电能/燃料质量，l kW·h=3.6×106 J）。
1 命题意图分析
试题考查原电池电极方程式的书写、化学计量在化学实验中的应用以及物理学中的电学知识等等，命题思路新颖，体现了新课标的教学要求，是一道化学学科与物理学科综合的经典案例。目前全国各地的高考理综试卷，绝大部分试卷是将理、化、生简单的拼卷，规定考生在150分钟内完成，没有实质上的综合。从简单的理化生拼卷到实质上的综合，这才是今后全国各地高考理综考试卷发展的必经之路[1]。
电池的能量密度源于化学选修4课本第75页，教材介绍了电池优劣的判断标准：单位质量或单位体积的电池所储存的能量多少，叫能量密度即比能量；单位质量或单位体积的电池所输出功率的多少，叫功率密度即比功率。它们的计算公式分别为：比能量=电压×电流×该状态下所能持续放电的时间/体积（或质量）、比功率=最大放电电流×该状态下所能持续放电的时间/质量（或体积）。
例如5号镍镉电池的额定电压为1.2 V，其容量为800 mAh，则其能量为0.96 Wh（1.2 V×0.8 Ah）。同样尺寸的5号锂-二氧化锰电池的额定电压为3 V，其容量为1200 mAh，则其能量为3.6 Wh。这两种电池的体积是相同的，因此锂-二氧化锰电池的比能量是镍镉电池的3.75倍。
2 试题解析
由题给的直接燃料电池的能量密度的计算公式和甲醇直接燃料电池的能量密度（5.93 kW·h·kg-1）得知，试题中二甲醚直接燃料电池的能量密度的计算只要计算出1 kg二甲醚输出的电能即可。
若电解质为酸性介质如H2SO4溶液，燃烧产物CO2不会被稀H2SO4吸收，二甲醚直接燃料电池的负极发生氧化反应，反应的电极方程式为：CH3OCH3+3H2O-12e-=2CO2+12H+，显然1个二甲醚分子经过电化学氧化，可以产生12个e-的电量；
1 kg二甲醚的物质的量n=1000/46 mol，可以产生的1000/46×12×6.02×1023个e-的电量，1个e-的电量为1.602×10-19 C。
1 kg二甲醚输出的电能：W=UIt=Uq=1.20×1000/46×12×6.02×1023×1.602×10-19 J
=3.02×107 J
=3.02×107/3.6×106（kW·h）
=8.39 kW·h
二甲醚直接燃料电池能量密度或比能量E=8.39 kW·h·kg-1
用同样的方法，通过列式计算求出甲醇直接燃料电池的理论输出电压是多少？
若电解质为酸性，甲醇直接燃料电池的负极电极反应式为：
CH3OH+H2O-6e-=CO2+6H+，1个甲醇分子经过电化学氧化，可以转移6个e-；
1 kg甲醇的物质的量n=1000/32 mol，可以转移的1000/32×6×6.02×1023个e-的电量；
1个e-的电量是1.602×10-19 C，1 kg二甲醚输出的电能：
W=UIt=Uq=U×1000/32×6×6.02×1023×1.602×10-19
=1.808×107 U
=1.808×107/3.6×106 U（kW·h·V-1）
=5.02 U（kW·h·V-1）
E=5.93 kW·h·kg-1=5.02 UkW·h·kg-1·V-1
U=1.18 V
若电解质为NaOH碱性溶液，甲醇直接燃料电池的负极反应为：CH3OH+8OH--6e-=CO3 2-+6H2O，同理也可算出理论输出电压是1.18 V；根据P=W/t，功率可以由电池输出的电能换算得到，求出比功率。
3 教学启示
在人教版教师用书中，几乎没有见到能量密度知识的介绍或拓展内容，教辅资料上几乎看不到关于比能量、比功率等例题或试题，因此在新课标教学和高考复习时容易被师生忽视。
关注社会生产实际已成为中学化学教育的一个鲜明特征，新课程教材中更是将“化学与社会发展”内容列为一个重要的学习内容，因此在高考试题中已经或将要出现相应的以“化学、社会、生活及边缘交叉科学”为情境的试题，笔者认为这是今后高考理综试卷命题的“风向标”。因此，教师应该从新课程中挖掘关于“科学技术与社会发展”的元素，将化学知识的教学内容融入具体社会现象和解决现实社会问题之中，并适时地引导学生去寻找理化生交叉内容的潜在考点。
参考文献：
[1]刘孝元. 2013年全国新课标理综卷I化学试题“稳”“变”“新”[J].中学化学教学参考，2013，（7）：54～56.