【高考试题讨论！】学术探索情境的高考试题应遵从原文献？

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学术探索情境的高考试题应遵从原文献

——谈2021年北京高考化学第15题

文吉槐 1谭文 2杨志义 3

（1. 自贡市蜀光中学 四川自贡 643000；2. 成都市双流区立格实验学校 四川成都 610218；3. 聊城市第一实验学校 山东聊城 252000）

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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

火币pro官网下载。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？

1 试题原文及解析

（2021•北京）环氧乙烷（简称EO）是一种重要的工业原料和消毒剂

火币pro官网下载。由乙烯经电解制备EO的原理示意图如图。

展开全文

（1）①阳极室产生Cl 2 后发生的反应有： 、CH 2 ＝CH 2 +HClO→HOCH 2 CH 2 Cl

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②结合电极反应式说明生成溶液a的原理

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（2）一定条件下，反应物按一定流速通过该装置

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电解效率η和选择性S的定义：

①若η（EO）＝100%，则溶液b的溶质为

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②当乙烯完全消耗时，测得η（EO）≈70%，S（EO）≈97%

火币pro官网下载。推测η（EO）≈70%的原因：

Ⅰ.阳极有H 2 O放电

Ⅱ.阳极有乙烯放电

Ⅲ.阳极室流出液中含有Cl 2 和HClO

ⅰ.检验电解产物，推测Ⅰ不成立

火币pro官网下载。需要检验的物质是 。

ⅱ.假设没有生成EO的乙烯全部在阳极放电生成CO 2 ，则η（CO 2 ）≈ %

火币pro官网下载。经检验阳极放电产物没有CO 2 。

ⅲ.实验证实推测Ⅲ成立，所用试剂及现象是

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可选试剂：AgNO 3 溶液、KI溶液、淀粉溶液、品红溶液

分析：根据试题信息，电解法制备环氧乙烷（EO）所用原料为CH 2 =CH 2 和KCl溶液，阳极室通入CH 2 =CH 2 和KCl溶液，阴极室通入KCl溶液

火币pro官网下载。反应原理如下：阳极室，Cl －失电子生成Cl 2 ，Cl 2 与水反应生成HCl和HClO，HClO再将CH 2 =CH 2 氧化为HOCH 2 CH 2 Cl。阴极室，H 2 O得电子，生成H 2 和OH －。将阳极生成的HOCH 2 CH 2 Cl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。

参考答案：

(1)①Cl 2 +H 2 O= HCl+ HClO ②阴极发生反应：2H 2 O+2e －=H 2 ↑ + 2OH －生成OH －

火币pro官网下载，K + 通过阳离子交换膜从阳极迁移到阴极，形成KOH和KCl的混合溶液

(2)① KCl ②O 2 13 KI 溶液和淀粉溶液

火币pro官网下载，溶液变蓝

2 文献简述

2020年6月12日Science杂志刊登了加拿大多伦多大学的 Edward H. Sargent课题组文章—— Chloride-mediated selective electrosynthesis of ethylene and propylene oxides at high current density ［1］

火币pro官网下载。该研究介绍了一种氯离子介导的电化学合成方法，能够将乙烯高效、清洁、选择性地转化为环氧乙烷，在高电流密度（1 A/cm 2 ）下，法拉第效率达到70%左右，产物的选择性达到97%左右。其电解原理如图1所示。（笔者注：原文不仅研究了乙烯制备环氧乙烷，还研究了丙烯制备环氧丙烷，因此图中-R代表H或CH 3 ）

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

火币pro官网下载。电化学反应的具体过程如下：

阳极（Anode）：

2Cl －→ Cl 2 +2e － (1)

Cl 2 +H 2 O ⇌ HCl+HClO (2)

C 2 H 4 +HClO → HOCH 2 CH 2 Cl (3)

阴极(Cathode)：

2H 2 O+2e －→ H 2 + 2OH －(4)

混合步骤(Mix step)：

HOCH 2 CH 2 Cl + OH －→ C 2 H 4 O + Cl －+ H 2 O (5)

HCl + OH －→ Cl －+ H 2 O (6)

（笔者注：原文献中HCl没有拆成离子）

总反应（Overall）：

C 2 H 4 + H 2 O → C 2 H 4 O+H 2 (7)

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）

火币pro官网下载。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）。

3 试题与文献的出入

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

火币pro官网下载。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Cl 2 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

火币pro官网下载。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

火币pro官网下载。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CH 2 =CH 2 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的参考答案：“阴极电极反应为：2H 2 O+2e －＝H 2 ↑+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。

4 结束语

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

火币pro官网下载。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。

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参考文献

［1］Wan R L,Lum Y,Ozden A,et al. Science, 368:1228–1233

［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

投稿《化学教育》

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