电化学中电极反应式的书写技巧

作者:德州传奇扑克下载 | 2020-08-10 11:59

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  电化学中电极反应式的书写技 巧 电化学中电极反应式的书写技巧 电化学中电极反应式的书写不仅是电化学教学的重点和难点,更是高考的热点题型之 一,其中,燃料电池电极反应式以及可充电电池电极反应式的书写又是电极反应式书写中 的难点。下面笔者就如何正确书写电极反应式进行了较为详尽的归纳,旨在“抛砖引玉”。 一、原电池中电极反应式的书写 1、先确定原电池的正负极,列出正负极上的反应物质,并标出相同数目电子的得失。 2、注意负极反应生成的阳离子与电解质溶液中的阴离子是否共存。若不共存,则该 电解质溶液中的阴离子应写入负极反应式;若正极上的反应物质是 O2,且电解质溶液为 中性或碱性,则水必须写入正极反应式中,且 O2 生成 OH-,若电解质溶液为酸性,则 H+ 必须写入正极反应式中,O2 生成水。 3、正负极反应式相加得到电池反应的总反应式。若已知电池反应的总反应式,可先 写出较易书写的书写电极反应式,然后在电子守恒的基础上,总反应式减去较易写出的书 写电极反应式,即得到较难写出的书写电极反应式。 例 1、有人设计以 Pt 和 Zn 为电极材料,埋入人体内作为作为某种心脏病人的心脏起 搏器的能源。它依靠跟人体内体液中含有一定浓度的溶解氧、H+和 Zn2+进行工作,试写 出该电池的两极反应式。 解析:金属铂是相对惰性的,金属锌是相对活泼的,所以锌是负极,Zn 失电子成为 Zn2+,而不是 ZnO 或 Zn(OH)2,因为题目已告诉 H+参与作用。正极上 O2 得电子成为负 二价氧,在 H+作用下肯定不是 O2-、OH-等形式,而只能是产物水,体液内的 H+得电子 生成 H2 似乎不可能。故发生以下电极反应:负极:2Zn-4e-= 2Zn2+,正极:O2 + 4H+ + 4e= 2H2O 。 例 2、用金属铂片插入 KOH 溶液中作电极,在两极上分别通入甲烷和氧气,形成甲 烷—氧气燃料电池,该电池反应的离子方程式为:CH4+2O2+2OH-=CO32-+3H2O,试写出 该电池的两极反应式。 解析:从总反应式看,O2 得电子参与正极反应,在碱性性溶液中,O2 得电子生成 OH-, 故正极反应式为:2O2+4H2O+8e- =8OH-。负极上的反应式则可用总反应式减去正极反应 式(电子守恒)得 CH4+10OH--8e-= CO32-+7H2O。 二、电解池中电极反应式的书写 第 2 页 共 10 页 金属 1、首先看阳极材料,如果阳极是活泼电极(金属活动顺序表 Ag 以前, 活动顺 序由强到弱: 铯最强 然后是稀土、钡、铷、再然后 是钾〉钙〉钠〉镁〉铝〉铍〉锰〉锌〉铁〉钴〉镍〉 锡〉铅〉(氢)〉铜〉汞〉银〉铂〉金。),则应是阳极失电子, 阳极不断溶解,溶液中的阴离子不能失电子。 2、如果阳极是惰性电极(Pt、Au、石墨),则应是电解质溶液中的离子放电,应根 据离子的放电顺序进行书写书写电极反应式。 阳极(惰性电极)发生氧化反应,阴离子失去电子被氧化的顺序为:S2->SO32->I- >Br ->Cl->OH->水电离的 OH->含氧酸根离子>F-。 阴极发生还原反应,阳离子得到电子被还原的顺序为:Ag+>Hg2+>Fe3+>Cu2+>(酸 电离出的 H+)>Pb2+>Sn2+>Fe2+>Zn2+>(水电离出的 H+)>Al3+>Mg2+>Na+>Ca2+ >K+。 (注:在水溶液中 Al3+、Mg2+、Na+、Ca2+、K+这些活泼金属阳离子不被还原,这些 活泼金属的冶炼往往采用电解无水熔融态盐或氧化物而制得)。 例 3、写出用石墨作电极,电解饱和食盐水的书写电极反应式。 解析:由于电极材料为石墨,是惰性电极,不参与电极反应,则书写电极反应式的书 写只考虑溶液中的离子放电顺序即可。移向阳极的阴离子有 Cl-和水电离出的 OH-,但在 阳极上放电的是 Cl-;移向阴极的阳离子有 Na+和水电离出的 H+,但在阴极上放电的是 H+。所以上述电解池的电极反应为: 阳极:2Cl--2e-= Cl2↑,阴极:2H++2e-= H2↑或 2H2O+2e-= H2↑+2OH-。 若将上述石墨电极改成铜作电极,试写出电解饱和食盐水的书写电极反应式。 解析:由于电极材料为 Cu,是活泼电极,铜参与阳极反应,溶液中的阴离子不能失 电子,但阴极反应仍按溶液中的阳离子放电顺序书写。该电解池的电极反应为: 阳极:Cu-2e-= Cu2+,阴极:2H++2e-= H2↑或 2H2O+2e-= H2↑+2OH-。 (注:阳极产生的 Cu2+可与阴极产生的 OH-结合成 Cu(OH)2 沉淀,不会有 Cu2+得电 子情况发生。) 三、燃料电池电极反应式的书写 电极:惰性电极。 燃料包含:H2;烃如:CH4;醇如:C2H5OH 等。 第 3 页 共 10 页 电解质包含:①酸性电解质溶液如:H2SO4 溶液;②碱性电解质溶液如:NaOH 溶液; ③熔融氧化物如:Y2O3 ;④熔融碳酸盐如:K2CO3 等。 第一步:写出电池总反应式 燃料电池的总反应与燃料的燃烧反应一致,若产物能和电解质反应则总反应为加合后 的反应。 如氢氧燃料电池的总反应为:2H2+O2=2H2O;甲烷燃料电池(电解质溶液为 NaOH 溶液)的反应为: CH4+2O2=CO2+2H2O ① CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O ② ①式+②式得燃料电池总反应为:CH4+2O2+2NaOH=Na2CO3+3H2O 第二步:写出电池的正极反应式 根据燃料电池的特点,一般在正极上发生还原反应的物质都是 O2,随着电解质溶液 的不同,其电极反应有所不同,其实,我们只要熟记以下四种情况: (1)酸性电解质溶液环境下电极反应式:O2+4H++4e-=2H2O (2)碱性电解质溶液环境下电极反应式:O2+2H2O+4e-=4OH(3)固体电解质(高温下能传导 O2-)环境下电极反应式:O2+4e-=2O2- (4)熔融碳酸盐(如:熔融 K2CO3 )环境下电极反应式:O2 +2CO2+4e-=2CO 2? 3 。 第三步:根据电池总反应式和正极反应式写出电池的负极反应式 电池的总反应和正、负极反应之间有如下关系: 电池的总反应式=电池正极反应式+电池负极反应式 故根据第一、二步写出的反应,有:电池的总反应式-电池正极反应式=电池负极反应 式,注意在将两个反应式相减时,要约去正极的反应物 O2。 以甲烷燃料电池为例来分析在不同的环境下电极反应式的书写方法: 1、酸性条件 燃料电池总反应:CH4+2O2=CO2+2H2O ① 燃料电池正极反应:O2+4H++4e-=2H2O ② ①-②×2,得燃料电池负极反应:CH4-8e-+2H2O=CO2+8H+ 2、碱性条件 燃料电池总反应:CH4+2O2+2NaOH=Na2CO3+3H2O ① 第 4 页 共 10 页 燃料电池正极反应:O2+2H2O+4e-=4OH- ② ①-②×2,得燃料电池负极反应:CH4+10OH--8e-=CO 2 3 ? +7H2O 3、固体电解质(高温下能传导 O2-) 燃料电池总反应:CH4+2O2=CO2+2H2O ① 燃料电池正极反应:O2+4e-=2O2- ② ①-②×2,得燃料电池负极反应:CH4+4O2--8e-=CO2+2H2O 4,熔融碳酸盐(如:熔融 K2CO3 )环境下 电池总反应:CH4+2O2=CO2+2H2O。正极电极反应式:O2+2CO2+4e-=2CO 2 3 ? 。 电池总反应-正极电极反应式得负极反应式:CH4+4CO 2 3 ? -8e-=5CO2+2H2O 四、可充电电池电极反应式的书写及应用 (一).解可充电电池试题必备知识 1.对可充电电池充电和放电两过程认识:放电是原电池反应,充电是电解池反应。 要能根据题给总反应式,写出原电池总反应式和电解池总反应式。 2.对可充电电池电极极性和材料的判断:判断电池放电时电极极性和材料,可先标 出放电(原电池)总反应式电子转移的方向和数目,失去电子的一极为负极,该物质即为 负极材料;得到电子的一极为正极,该物质即为正极材料。若判断电池充电时电极极性和 材料,方法同前,失去电子的一极为阳极,该物质即为阳极材料;得到电子的一极为阴极, 该物质即为阴极材料。 3.可充电电池电极反应式的书写方法: 书写可充电电池电极反应式,一般都是先书写放电的电极反应式。书写放电的电极反 应式时,一般要遵守三步:第一,先标出原电池总反应式电子转移的方向和数目,指出参 与负极和正极反应的物质;第二,写出一个比较容易书写的电极反应式(书写时一定要注 意电极产物是否与电解质溶液共存);第三,在电子守恒的基础上,总反应式减去写出的 电极反应式即得另一电极反应式。 充电的电极反应与放电的电极反应过程相反,充电的阳极反应为放电正极反应的逆过 程,充电的阴极反应为放电负极反应的逆过程。 4.对可充电电池某电极是发生氧化还是还原反应及某元素被氧化还是被还原的 判断: 第 5 页 共 10 页 根据电极反应式进行分析,放电(原电池)的负极及充电(电解池)的阳极均失去电 子,发生了氧化反应,其变价元素被氧化;放电(原电池)的正极及充电(电解池)的阴 极均得到电子,发生了还原反应,其变价元素被还原。 5.对溶液中离子的移动方向判断:放电时,阴离子移向负极,阳离子移向正极;充 电时,阴离子移向阳极,阳离子移向阴极。 6.可充电电池充电时与电源的连接:可充电电池用完后充电时,原电池的负极与外 电源的负极相连,原电池的正极与外电源的正极相连。 7.有关电化学的计算:有关电化学的计算都必须利用电子守恒,要注意各电极转移 的电子数均相等。这类计算通常有计算电极的增重或较少量、溶液的 PH、溶液的离子浓 度、电子转移的数目等。 (二).可充电电池试题的解题策略 综观历年高考试题可发现,解可充电电池试题的关键在于能否正确书写电极反应式。 书写电极反应式的关键是能否正确书写放电时的电极反应式。要正确书写放电时的电极反 应式,既要弄清得失电子的物质,还要特别注意电极产物是否与电解质溶液共存,要写出 实际存在的电极反应式。然后根据原电池的负极反应与电解池的阳极反应、原电池的正极 反应与电解池的阴极反应互为逆反应,即可快速写出充电时的电极反应式。各电极反应式 顺利写出以后,即可正确解题。 (三).有关可充电电池高考试题题型分析 1.可充电电池电极极性和材料判断 例 4(2001 年广东化学卷第 2 题)镍镉(Ni-Cd)可充电电池在现代生活中有广泛 放 应用,它的充放电反应按下式进行:Cd+2NiO(OH)+2H2O Cd(OH)2+2Ni(OH)2。 由此可知,该电池放电时的负极材料是( ) 电 A.Cd(OH)2 B.Ni(OH)2 C.Cd D.NiO(OH) 充 解析:要理解镍镉电池放电和充电的过程。放电是原电池反应,根据题给条件知放电 电 (原电池)时的总反应式为:Cd+2NiO(OH)+2H2O=Cd(OH)2+2Ni(OH)2。标出原电池 总反应式电子转移的方向和数目指出,即可知道参与负极反应的物质: 2e- Cd+2NiO(OH)+2H2O=Cd(OH)2+2Ni(OH)2。 从上式可知,Cd 可作负极材料,参与负极反应。 第 6 页 共 10 页 故应选 C。 点评:此类试题考查可充电电池电极极性和材料判断,首先要准确判断充电、放电分 别表示什么反应(原电池反应还是电解池反应),并写出充电、放电的总反应式,然后在 总反应式上标出电子转移的方向和数目,即可正确判断可充电电池电极极性和材料。 2.可充电电池电极反应式的书写和判断 例 5(05 江苏化学卷第 14 题)高铁电池是一种新型可充电电池,与普通高能电池相 比,该电池长时间保持稳定的放电电压。高铁电池的总反应为 3Zn+2K2FeO4+8H2O 放 3Zn(OH)2+2Fe(OH)3+4KOH,下列叙述不正确的是( ) 电 A.放电时负极反应为:Zn-2e-+2OH-=Zn(OH)2 B.充电时阳极反应为:Fe(OH)3-3e-+5OH-=FeO42-+4H2O 充C.放电时每转移 3mol 电子,正极有 1mol K2FeO4 被氧化 电 D.放电时正极附近溶液的碱性增强 解析:高铁电池放电作用是原电池的功能,其总反应式为:3Zn+2K2FeO4+8H2O= 3Zn(OH)2+2Fe(OH)3+4KOH,根据上述书写电极反应式的方法可知,负极反应为:Zn -2e-+2OH-=Zn(OH)2,正极反应为:FeO42-+4H2O +3e-= Fe(OH)3+5OH-,A 正确;充 电就是发生电解池反应,其总反应式为:3Zn(OH)2+2Fe(OH)3+4KOH=3Zn+2K2FeO4 +8H2O,根据上述书写电极反应式的方法可知,阳极反应为:Fe(OH)3+5OH--3e-= FeO42-+4H2O,B 正确。放电时每转移 3mol 电子,正极有 1mol K2FeO4 被还原为 Fe(OH)3, 而不是被氧化,C 错误。根据正极反应式 FeO42-+4H2O +3e-= Fe(OH)3+5OH-知,放电 时生成 OH-,故正极附近溶液的碱性增强。故本题应选 C。 点评:本题主要考查电极反应式的书写、电解质溶液的酸碱性变化、及氧化还原反应 等知识,侧重考查考生对原电池和电解池原理的理解及分析问题的能力。 3.可充电电池电极发生氧化、还原反应及元素被氧化、被还原判断 例 6(2006 年广东化学卷第 16 题)某可充电的锂离子电池以 LiMn2O4 为正极,嵌入 锂的碳材料为负极,含 Li+导电固体为电解质。放电时的电池反应为: Li+LiMn2O4=Li2Mn2O4。下列说法正确的是( ) A.放电时,LiMn2O4 发生氧化反应 B.放电时,正极反应为:Li++LiMn2O4+e-=Li2Mn2O4 C.充电时,LiMn2O4 发生氧化反应 D.充电时,阳极反应为:Li++e-=Li 第 7 页 共 10 页 解析:放电时作为电源来用,根据放电时的电池反应知,负极反应式为:Li-e-=Li+, 正极反应式为:Li++LiMn2O4+e-=Li2Mn2O4,B 正确,但 LiMn2O4 发生还原反应,A 错误。 充电时,阴极反应式为:Li++e-=Li,D 错误,阳极反应式为:Li2Mn2O4-e-= Li++LiMn2O4, 故应是 Li2Mn2O4 发生氧化反应,而不是 LiMn2O4,C 错误。本题应选 B。 点评:本题主要考查电化学知识和氧化还原反应的有关知识,虽然新型电池增加了试 题的陌生度,但考查原电池及电解池的原理不变,这是解答本类试题的关键。 4.可充电电池离子的移动方向判断及总反应式的书写 例 7(2006 年江苏化学卷第 14 题)锂离子电池已成为新一代实用化的蓄电池,该电 池具有能量密度大、电压高的特性。锂离子电池放电时的电极反应式为: 负极反应:C6Li-xe-=C6Li1-x+xLi+(C6Li 表示锂原子嵌入石墨形成的复合材料) 正极反应:Li1-xMO2+xLi++xe-=LiMO2(LiMO2 表示含锂的过渡金属氧化物) 下列有关说法正确的是( ) A. 锂离子电池充电时电池反应为 C6Li+Li1-xMO2=LiMO2+C6Li1-x B. 电池反应中锂、锌、银、铅各失 1mol 电子,金属锂所消耗的质量最小 C. 锂离子电池放电时电池内部 Li+向负极移动 D. 锂离子电池充电时阴极反应为 C6Li1-x+xLi++xe—=C6Li 解析:将放电的两电极反应式在电子守恒的基础上相加即得放电时的总反应式:C6Li +Li1-xMO2=LiMO2+C6Li1-x,充电时的总反应式应为放电总反应式的逆反应,故 A 错 误;在锂、锌、银、铅金属中,锂的摩尔质量最小,所以各失去 1mol 电子,消耗金属锂 的质量最小,B 正确。电池工作时,阴离子向负极移动,阳离子向正极移动,C 错误。充 电时的阴极反应与放电时的负极反应互为逆反应,故 D 正确。本题应选 BD。 点评:本题以锂离子电池为背景材料,全面考查了蓄电池的反应原理、电极反应、离 子流向等知识,要求考生能将所学知识灵活迁移运用。 5.可充电电池考点的综合应用 例 8(2006 年重庆理综卷第 27 题)铅蓄电池是典型的可充型电池,它的正负极格板 是惰性材料,电池总反应式为: 放电 Pb+PbO2+2H2SO4 充电 2PbSO4+2H2O 请回答下列问题(不考虑氢、氧的氧化还原): ⑴放电时:正极的电极反应式是 ; 第 8 页 共 10 页 电解液中 H2SO4 的浓度将变 加 g。 ;当外电路通过 1mol 电子时,理论上负极板的质量增 ⑵在完全放电耗尽 PbO2 和 Pb 时,若按右图连接,电解一段时间后,则在 A 电极上 生成 、B 电极上生成 ,此时铅蓄电池的正负极的极性将 。 解析:⑴解析:因为放电为原电池反应:Pb+PbO2+2H2SO4 =2PbSO4+2H2O。Pb 失 电子发生负极反应,产生的 Pb2+在 H2SO4 溶液中结合 SO42-生成难溶于水的 PbSO4,故其 负极反应式为:Pb+SO42--2e-=PbSO4。由电子守恒可知,其正极反应式为总式减去负极 反应式:PbO2+ SO42-+4H++2e-= PbSO4+2H2O。 充电为电解池反应,其电极反应式书写是这样的,阴极反应式为原电池负极反应式的 逆反应,即 PbSO4+2e-=Pb+SO42-;阳极反应式为原电池正极反应式的逆反应,即 PbSO4+2H2O-2e-= PbO2+ SO42-+4H+。根据总反应式 H2SO4 的浓度会不断减小,所以应 定期补充 H2SO4。根据负极反应:Pb+SO42--2e-=PbSO4,可知,每转移 2 mol 电子, 负极板增加 1mol 的质量,因为负极板由 Pb 变为 PbSO4,故外电路通过 1mol 电子时,理 论上负极板的质量增加 48g。 ⑵当外加电源后,铅蓄电池变成了电解池,A 极为阴极,电极反应式为: PbSO4+2e-=Pb+SO42-,B 极为阳极,电极反应式为:PbSO4+2H2O-2e-= PbO2+4H++SO42-。这样,A 电极上生成 Pb,B 电极上生成 PbO2,此时铅蓄电池的正 负极的极性将对换。 答案:⑴PbO2+2e-+4H++SO42-=PbSO4+2H2O 小 48 ⑵Pb PbO2 对换 点评:本题关于电化学,正确书写电极反应式是解决本类问题的关键。在书写过程中 要注意,电极产物是否与电解质溶液共存,不共存要参与电极反应,如本题中的与 Pb2+ 与 SO42-不共存,要发生反应生成 PbSO4。 五、特殊情况电极反应式的书写 在书写电极反应式时,一定要注意一些特殊情况。 1、注意溶液中的离子浓度的改变会引起离子放电顺序的改变 溶液中的离子浓度改变,有时可导致离子放电顺序的改变。 例 9、在给某镀件镀锌时,电镀液是饱和 ZnCl2 溶液,试写出该电镀池的电极反应式 第 9 页 共 10 页 解析:在饱和 ZnCl2 溶液中,Zn2+的浓度远大于水电离出来的 H+的浓度,所以阴极 应是 Zn2+放电,而不是 H+放电。其电极反应式为:阳极:Zn-2e-= Zn2+;阴极:Zn2++2e-= Zn。 2、注意电解质溶液的改变会引起电极正负的改变 在原电池中,一般较活泼金属作负极,但当电解质溶液发生改变时,较活泼金属就不 一定作负极了。 例 10、将铜片和铝片用导线相连,分别同时插入稀 H2SO4 和浓 HNO3 中,写出两池 的电极反应式。 解析:在稀 H2SO4 作电解质溶液的原电池中,较活泼的铝被氧化作负极,铜作正极。 其电极反应为: 负极(Al):2Al-6e-=2Al3+;正极(Cu):6H++6e-= 3H2↑。 在浓 HNO3 作电解质溶液的原电池中,因为 Al 在浓 HNO3 中钝化,较不活泼的铜作 负极,其电极反应为:负极(Cu):Cu-2e-= Cu2+;正极(Al):2NO3-+4H++2e-=2 NO2↑+2H2O。 但随着反应的进行,浓 HNO3 逐渐变稀,正极电极反应又有:NO3-+4H++3e-= NO↑+2H2O。 例 11、镁铝强碱溶液的原电池(电极材料:镁片和铝片,电解质溶液:氢氧化钠溶 液) 解析:Al 为负极,Mg 为正极 1、找出该原电池反应的方程式:2Al+2H2O+2NaOH=2NaAlO2+3H2↑ 2、找出负极:Al 3、分解负极行为: ① 首先,Al 失去电子:Al-3e-=Al3+,②考虑金属离子在电 解质中的行为:Al3++4OH-=AlO2-+2H2O,则,负极反应为①与②的加合: Al-3e-+4OH-=AlO2-+2H2O 4、正极反应由总反应减负极反应可得正极(Mg):6H2O+6e- =3H2 ↑+6OH- 第 10 页 共 10 页


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