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原电池电极反应式的书写是高中化学学习中的一个重点和难点,对初学者来说常感到无从下手,它又是高考考查的热点,历年高考卷中都有涉及。本人就这几年教学实践,谈几点有关电极反应式书写方法的体会。
一、书写原则
原电池中电极反应属于氧化还原反应,要遵循原子守恒、转移电子守恒及电荷守恒原则。除此之外,还要特别注意以下两点:加和性原则和共存原则。加和性原则:两电极反应式相加,消去电子后得电池总反应式。利用此原则,用电池总反应式减去已知的一电极反应式得另一电极反应方程式,或颠倒相加也可。如后面例题分析中的例4。共存原则:如碱性溶液中CO2不可能存在,也不会有H+参加反应或生成;同样在酸性溶液中,不会有OH-参加反应或生成。根据此原则,同一物质得失电子后在不同的介质环境中所存在的形式不同。(如后面例题分析中的例3)
二、书写步骤
(一)首先确定原电池的正、负极,常见有以下几种情况:
1.由两极的相对活泼性确定:相对活泼性较强(针对电解质溶液而言)的金属为负极(一般地,负极材料与电解质溶液要发生反应),相对活泼性较差的金属或导电的非金属等为正极。但也要具体情况具体分析。(如例4)
2.由电极变化情况确定:若某一电极不断溶解或质量不断减少,该电极发生氧化反应,则此电极为负极;若某一电极上有气体产生、电极的质量不断增加或不变,该电极发生还原反应,则此电极为正极。
3.根据实验现象确定:一般可以根据电极附近指示剂(石蕊、酚酞、湿润的KI-淀粉等)的显色情况来分析推断该电极发生的是氧化反应还是还原反应,是H+还是OH-或I-等放电,从而确定正、负极。一般而言,负极失电子被氧化,应该产生阳离子或消耗阴离子,使溶液中阴离子移向的一级,其pH值一般降低。正极得电子被还原,应该是产生阴离子或消耗阳离子,是溶液中阳离子移向的一极,其pH值一般升高。例如用酚酞作指示剂,溶液变红色的那一极附近溶液的性质为碱性,是H+放电导致c(OH-)>c(H+),H+放电是还原反应,故这一极为正极。
4.如果两极都是惰性电极(一般用于燃料电池),则可以通过定义和总反应式来分析,发生氧化反应的气体(或对应物质)所对应的一极为负极。如碱性溶液中的甲醇燃料电池,其总反应式为:2CH3OH+3O2+4KOH=2K2CO3+6H2O,CH3OH被氧化,则通入甲醇的一极为负极,通入氧气的一极为正极。
5.如果题目给定的是图示装置,可根据电子流动方向或其它提示来分析正、负极。
(二)电极反应式的书写
原电池的正负极确定后,就进行电极反应式的书写,书写电极反应式时还需注意以下几点:
1.两极电极反应式中的电子得失数目(一般)保持相等。
2.看负极反应生成的阳离子与电解质溶液中的阴离子能否共存,若不能共存,则该电解质溶液中的阴离子也要写入负极的电极反应式中。
3.当正极上的反应物质为O2时(吸氧腐蚀),要注意电解质溶液的性质。溶液为碱性时,电极反应式中不能出现H+;溶液为酸性时,电极反应式中不能出现OH-。
4.知道总反应式时,可以先分析此反应中的氧化反应或还原反应(即分析有关元素的化合价变化情况),再写出其离子反应方程式;将各反应式看作数学中的代数式,用总反应式减去较易写出一极(一般为负极)的电极反应式(或颠倒加和),即得另一极的电极反应式。
5.对于可逆电池反应,需要看清楚“充电、放电”的方向,放电过程是原电池原理,充电过程是电解池原理。
二、例题分析
例1.我国首创以铝-空气-海水电池作为能源的新型海水标志灯,以海水为电解质,靠空气中的氧气使铝不断被氧化而产生电流。只要把灯放入海水中数分钟,就会发出耀眼的白光。试写出电源正负极材料名称、电极反应式。
分析:负极本身参加反应被氧化,应该为铝;氧气应得电子被还原,正极必须能导电而本身不参加反应,故应该为惰性电极。
答案:电源负极材料为铝;电源正极材料为石墨等能导电的惰性材料。
负极反应为:4Al-12e-=4Al3+;
正极反应为:3O2+6H2O+12e-=12OH-。
例2.铅蓄电池反应为:Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O。试写出放电时的电极反应式。
解析:因为放电为原电池反应:Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O。
其负极反应式为:Pb+SO42--2e-=PbSO4。
其正极反应式为总式减去负极反应:
PbO2+SO42-+4H++2e-=PbSO4+2H2O。
例3.美国阿波罗宇宙飞船上使用的氢氧燃料电池是一种新型的化学电源。
(1)用KOH作电解质溶液,电极反应产生的水,经冷凝后又可作为宇航员的饮用水,发生的反应为:2H2+O2=2H2O,电极反应式如何书写?
(2)如把KOH改为稀H2SO4作电解质,则电极反应式又如何书写?
(3)如把H2改为甲烷,KOH作电解质,则电极反应式如何书写?如果用稀H2SO4作电解质,则电极反应式如何书写?
分析:电解质溶液为碱性时,书写电极反应式可出现OH-,但不能出现H+;同样,电解质溶液为酸性时,书写电极反应式可出现H+,但不能出现OH-,同时遵循电荷守恒和转移电子守恒。如(1)中,应为H2作负极失电子生成H+,但在KOH环境中H+不能存在,应该与OH-结合成H2O。
故答案:⑴负极:2H2+4OH--4e-=4H2O
正极:O2+2H2O+4e-=4OH-
⑵中若H2SO4作电解液,正极O2得电子后也不能得到OH-,应与H+结合成H2O。
故答案为负极:2H2-4e-=4H+
正极:O2+4H++4e-=2H2O
(3)中若改为CH4,根据燃料电池特点,总反应应为CH4+2O2=CO2+2H2O;CH4应作负极被氧化,O2应得电子被还原。则负极应为CH4失去8e-生成CO2,但在KOH环境中CO2应转化成CO32-再根据电荷守恒在左边加10OH-调平,同时右边生成7H2O。
故答案为负极:CH4+10OH--8e-=CO32-+7H2O
正极:O2+2H2O+4e-=4OH-
同样的道理可知若用稀硫酸作电解液电极反应式应为:
负极:CH4+2H2O-8e-=CO2+8H+
正极:O2+4H++4e-=2H2O
例4.镁棒和铝棒用导线连接后插入NaOH溶液中形成原电池,写出电极反应式。
解析:一般来说,原电池中活泼金属易失电子作负极。但该原电池电解液为NaOH溶液,镁虽活泼,但与NaOH溶液不反应,而铝能与NaOH溶液反应失电子产生氢气,所以负极应为铝。总反应应为:2Al+2OH-+2H2O=2AlO2-+3H2↑正极反应不太好确定,但负极相对来说容易些,我们可以先写出负极反应式,用总反应式减去负极反应式即为正极反应式,或颠倒相加。
负极反应式为:2Al-6e-+8OH-=2AlO2-+4H2O
正极反应式为:2Al+2OH-+2H2O=2AlO2-+3H2↑+2AlO2-+4H2O=2Al-6e-+8OH-
(颠倒相加)
6H2O+6e-=3H2↑+6OH-(正极反应式)
例5.理论上任何一个氧化还原反应均可设计成原电池。试根据反应:Cu+2FeCl3=CuCl2+2FeCl2,设计一个原电池写出电极反应式。
解析:设计电池:铜失电子作负极。Fe3+应在正极得电子应选碳棒等惰性电极作正极。
负极:Cu-2e-=Cu2+
正极:Fe3++e-=Fe2+
一、书写原则
原电池中电极反应属于氧化还原反应,要遵循原子守恒、转移电子守恒及电荷守恒原则。除此之外,还要特别注意以下两点:加和性原则和共存原则。加和性原则:两电极反应式相加,消去电子后得电池总反应式。利用此原则,用电池总反应式减去已知的一电极反应式得另一电极反应方程式,或颠倒相加也可。如后面例题分析中的例4。共存原则:如碱性溶液中CO2不可能存在,也不会有H+参加反应或生成;同样在酸性溶液中,不会有OH-参加反应或生成。根据此原则,同一物质得失电子后在不同的介质环境中所存在的形式不同。(如后面例题分析中的例3)
二、书写步骤
(一)首先确定原电池的正、负极,常见有以下几种情况:
1.由两极的相对活泼性确定:相对活泼性较强(针对电解质溶液而言)的金属为负极(一般地,负极材料与电解质溶液要发生反应),相对活泼性较差的金属或导电的非金属等为正极。但也要具体情况具体分析。(如例4)
2.由电极变化情况确定:若某一电极不断溶解或质量不断减少,该电极发生氧化反应,则此电极为负极;若某一电极上有气体产生、电极的质量不断增加或不变,该电极发生还原反应,则此电极为正极。
3.根据实验现象确定:一般可以根据电极附近指示剂(石蕊、酚酞、湿润的KI-淀粉等)的显色情况来分析推断该电极发生的是氧化反应还是还原反应,是H+还是OH-或I-等放电,从而确定正、负极。一般而言,负极失电子被氧化,应该产生阳离子或消耗阴离子,使溶液中阴离子移向的一级,其pH值一般降低。正极得电子被还原,应该是产生阴离子或消耗阳离子,是溶液中阳离子移向的一极,其pH值一般升高。例如用酚酞作指示剂,溶液变红色的那一极附近溶液的性质为碱性,是H+放电导致c(OH-)>c(H+),H+放电是还原反应,故这一极为正极。
4.如果两极都是惰性电极(一般用于燃料电池),则可以通过定义和总反应式来分析,发生氧化反应的气体(或对应物质)所对应的一极为负极。如碱性溶液中的甲醇燃料电池,其总反应式为:2CH3OH+3O2+4KOH=2K2CO3+6H2O,CH3OH被氧化,则通入甲醇的一极为负极,通入氧气的一极为正极。
5.如果题目给定的是图示装置,可根据电子流动方向或其它提示来分析正、负极。
(二)电极反应式的书写
原电池的正负极确定后,就进行电极反应式的书写,书写电极反应式时还需注意以下几点:
1.两极电极反应式中的电子得失数目(一般)保持相等。
2.看负极反应生成的阳离子与电解质溶液中的阴离子能否共存,若不能共存,则该电解质溶液中的阴离子也要写入负极的电极反应式中。
3.当正极上的反应物质为O2时(吸氧腐蚀),要注意电解质溶液的性质。溶液为碱性时,电极反应式中不能出现H+;溶液为酸性时,电极反应式中不能出现OH-。
4.知道总反应式时,可以先分析此反应中的氧化反应或还原反应(即分析有关元素的化合价变化情况),再写出其离子反应方程式;将各反应式看作数学中的代数式,用总反应式减去较易写出一极(一般为负极)的电极反应式(或颠倒加和),即得另一极的电极反应式。
5.对于可逆电池反应,需要看清楚“充电、放电”的方向,放电过程是原电池原理,充电过程是电解池原理。
二、例题分析
例1.我国首创以铝-空气-海水电池作为能源的新型海水标志灯,以海水为电解质,靠空气中的氧气使铝不断被氧化而产生电流。只要把灯放入海水中数分钟,就会发出耀眼的白光。试写出电源正负极材料名称、电极反应式。
分析:负极本身参加反应被氧化,应该为铝;氧气应得电子被还原,正极必须能导电而本身不参加反应,故应该为惰性电极。
答案:电源负极材料为铝;电源正极材料为石墨等能导电的惰性材料。
负极反应为:4Al-12e-=4Al3+;
正极反应为:3O2+6H2O+12e-=12OH-。
例2.铅蓄电池反应为:Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O。试写出放电时的电极反应式。
解析:因为放电为原电池反应:Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O。
其负极反应式为:Pb+SO42--2e-=PbSO4。
其正极反应式为总式减去负极反应:
PbO2+SO42-+4H++2e-=PbSO4+2H2O。
例3.美国阿波罗宇宙飞船上使用的氢氧燃料电池是一种新型的化学电源。
(1)用KOH作电解质溶液,电极反应产生的水,经冷凝后又可作为宇航员的饮用水,发生的反应为:2H2+O2=2H2O,电极反应式如何书写?
(2)如把KOH改为稀H2SO4作电解质,则电极反应式又如何书写?
(3)如把H2改为甲烷,KOH作电解质,则电极反应式如何书写?如果用稀H2SO4作电解质,则电极反应式如何书写?
分析:电解质溶液为碱性时,书写电极反应式可出现OH-,但不能出现H+;同样,电解质溶液为酸性时,书写电极反应式可出现H+,但不能出现OH-,同时遵循电荷守恒和转移电子守恒。如(1)中,应为H2作负极失电子生成H+,但在KOH环境中H+不能存在,应该与OH-结合成H2O。
故答案:⑴负极:2H2+4OH--4e-=4H2O
正极:O2+2H2O+4e-=4OH-
⑵中若H2SO4作电解液,正极O2得电子后也不能得到OH-,应与H+结合成H2O。
故答案为负极:2H2-4e-=4H+
正极:O2+4H++4e-=2H2O
(3)中若改为CH4,根据燃料电池特点,总反应应为CH4+2O2=CO2+2H2O;CH4应作负极被氧化,O2应得电子被还原。则负极应为CH4失去8e-生成CO2,但在KOH环境中CO2应转化成CO32-再根据电荷守恒在左边加10OH-调平,同时右边生成7H2O。
故答案为负极:CH4+10OH--8e-=CO32-+7H2O
正极:O2+2H2O+4e-=4OH-
同样的道理可知若用稀硫酸作电解液电极反应式应为:
负极:CH4+2H2O-8e-=CO2+8H+
正极:O2+4H++4e-=2H2O
例4.镁棒和铝棒用导线连接后插入NaOH溶液中形成原电池,写出电极反应式。
解析:一般来说,原电池中活泼金属易失电子作负极。但该原电池电解液为NaOH溶液,镁虽活泼,但与NaOH溶液不反应,而铝能与NaOH溶液反应失电子产生氢气,所以负极应为铝。总反应应为:2Al+2OH-+2H2O=2AlO2-+3H2↑正极反应不太好确定,但负极相对来说容易些,我们可以先写出负极反应式,用总反应式减去负极反应式即为正极反应式,或颠倒相加。
负极反应式为:2Al-6e-+8OH-=2AlO2-+4H2O
正极反应式为:2Al+2OH-+2H2O=2AlO2-+3H2↑+2AlO2-+4H2O=2Al-6e-+8OH-
(颠倒相加)
6H2O+6e-=3H2↑+6OH-(正极反应式)
例5.理论上任何一个氧化还原反应均可设计成原电池。试根据反应:Cu+2FeCl3=CuCl2+2FeCl2,设计一个原电池写出电极反应式。
解析:设计电池:铜失电子作负极。Fe3+应在正极得电子应选碳棒等惰性电极作正极。
负极:Cu-2e-=Cu2+
正极:Fe3++e-=Fe2+