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      淺談原電池電極反應(yīng)式的書寫

      2017-05-09 10:40孫克俊
      速讀·中旬 2016年12期
      關(guān)鍵詞:反應(yīng)式負(fù)極原電池

      孫克俊

      高中化學(xué)有關(guān)原電池的題型,我們的學(xué)生都很怕,特別是電極反應(yīng)式的書寫,很多學(xué)生都搞暈了,如何較輕松的解決書寫電極反應(yīng)式這一問題,關(guān)鍵還是要掌握書寫電極反應(yīng)式的書寫技巧。

      教師要讓學(xué)生熟悉掌握原電池的原理,即較活潑的金屬發(fā)生氧化反應(yīng),電子從較活潑的金屬(負(fù)極)流向較不活潑的金屬(正極)。這只是針對由活潑性不同的金屬作電極而言,廣義的原電池原理應(yīng)為:還原性較強(qiáng)的物質(zhì)(負(fù)極)發(fā)生氧化反應(yīng),電子從還原性較強(qiáng)的物質(zhì)通過外電路流向氧化性較強(qiáng)的物質(zhì)(正極)。所以,可以利用原電池原理將其它的氧化還原反應(yīng)設(shè)計(jì)成各種不同的電池(如燃料電池等)。根據(jù)原電池原理可得:

      負(fù)極:失電子,發(fā)生氧化反應(yīng),電極材料為還原性較強(qiáng)的物質(zhì)。

      正極:得電子,發(fā)生還原反應(yīng),電極材料為氧化性較強(qiáng)的物質(zhì)或惰性電極。

      要準(zhǔn)確寫電極反應(yīng)式,最主要的是先把握好總的反應(yīng),我們可以通過總反應(yīng)進(jìn)行拆分,結(jié)合反應(yīng)環(huán)境,進(jìn)一步寫出正負(fù)電極的反應(yīng)式,即從總反應(yīng)厘清氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)的物質(zhì)。

      一、有金屬參與的原電池要看哪種金屬更容易與原電池中的電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng),容易反應(yīng)的為負(fù)極

      (1)Mg、Al在酸性(非氧化性酸)環(huán)境中構(gòu)成原電池時(shí),請分別寫出正負(fù)極的反應(yīng)式。解析:在酸性環(huán)境中Mg比Al活潑,活潑金屬做負(fù)極,所以Mg作負(fù)極,其反應(yīng)實(shí)質(zhì)為Mg的析氫反應(yīng),即:負(fù)極:Mg→Mg2++2e-,正極:2H++2e-→H2↑,總反應(yīng)式:Mg+2H+=Mg2++H2↑。

      (2)較活潑金屬也不一定做負(fù)極,要看哪種金屬自發(fā)發(fā)生反應(yīng):如上述Mg、Al若在堿性環(huán)境中構(gòu)成的原電池,請分別寫出正負(fù)極的反應(yīng)式。解析:在堿性環(huán)境中Al卻比Mg更容易與堿溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng),其反實(shí)質(zhì)為Al與堿溶液的反應(yīng),所以為負(fù)極。即:負(fù)極:2Al+8OH-→2[Al(OH)4]-+6e-,正極:6H2O+6e-→3H2↑+6OH-,總反應(yīng)式:2Al+2OH-+6H2O=2AlO2-+3H2↑+4H2O。本來負(fù)極:Al-3e-=Al3+,但Al3+在堿性環(huán)境不能穩(wěn)定存在,會(huì)與OH-(過量)結(jié)合轉(zhuǎn)化為[Al(OH)4]-。

      二、燃料電池電極反應(yīng)式

      燃料電池基本都是可燃性物質(zhì)、氧氣和電解質(zhì)溶液共同組成的原電池,可燃性物質(zhì)與氧氣在不同的電極反應(yīng)的總反應(yīng)方程式基本都是可燃物在氧氣中燃燒。還要考慮到電解質(zhì)溶液是否與燃燒產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng),如果會(huì)反應(yīng),再寫出燃燒產(chǎn)物與電解質(zhì)溶液反應(yīng)的方程式,從而得到總反應(yīng)方程式。這一步對大多數(shù)學(xué)生而言沒什么難度。由于在反應(yīng)中氧氣由0價(jià)變?yōu)?2價(jià),得電子,即O2作氧化劑是正極,接下來我們就可以寫出正極的電極反應(yīng)式:當(dāng)電解質(zhì)溶液為酸性,反應(yīng)過程可以理解為:正極上首先發(fā)生:O2+4e-→2O2-,因?yàn)槭窃谒嵝原h(huán)境中大量存在H+,所以O(shè)2-會(huì)與H+結(jié)合成H20,所以正極反應(yīng)式為:O2+4e-+4H+→2H2O;當(dāng)電解質(zhì)為中性或堿性時(shí),正極反應(yīng)式就應(yīng)只是O2+4e-+2H2O→4OH-,負(fù)極的反應(yīng)式一般不容易直接寫出,我們采取的方法是由總電極方程式減去正極的電極方程式就得到負(fù)極的反應(yīng)式。

      如:由甲醇和氧氣以及強(qiáng)堿作電解質(zhì)溶液的新型手機(jī)電池。

      解析:CH3OH+O2→CO2+H2O……①,CO2在堿性環(huán)境中不存在,會(huì)與OH-反應(yīng)生成CO32-,CO2+2OH-=CO32-+H2O……②,①+②式即為總反應(yīng):2CH3OH+3O2+4OH-=2CO32-+6H2O……③,正極反應(yīng)式為氧氣得電子的反應(yīng):即O2+2H2O+4e-→4OH_……④,因電解質(zhì)溶液為堿性,故正極的產(chǎn)物不會(huì)進(jìn)一步反應(yīng),則負(fù)極的反應(yīng)式為總反應(yīng)方程式減去正極的反應(yīng)式得2CH3OH+3O2+4OH--3O2-6H2O-12e-→2CO32-+6H2O-12OH-,調(diào)整之后得:CH3OH+8OH-→CO32-+6H2O+6e-。

      三、電極產(chǎn)物的判斷

      陰極與電源負(fù)極相連,得電子發(fā)生還原反應(yīng)。其規(guī)律有兩個(gè):一是電極本身不參加反應(yīng);二是電解質(zhì)溶液中氧化性強(qiáng)的陽離子先得電子,如Ag+>Fe3+>Cu2+>H+>Pb2+>Sn2+>Fe2+>Zn2+,要注意到金屬活動(dòng)性順序表中Al及Al前面的金屬離子在溶液中不放電。

      陽極與電源正極相連,失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)。其規(guī)律有兩個(gè):一是若陽極為非惰性電極(除Pt、Au之外的金屬作電極),電極本身失去電子被氧化,電解質(zhì)溶液中的陰離子不參與電極反應(yīng);二是若陽極為惰性電極(Pt、Au或非金屬作電極),電解質(zhì)溶液中還原性強(qiáng)的陰離子失去電子被氧化,如S2->I->Br->Cl->OH->含氧酸根。

      四、電極反應(yīng)的書寫

      由活潑性不同的金屬(或一種是非金屬單質(zhì))構(gòu)成的原電池的電極反應(yīng)式比較簡單,較好書寫,其它種類的氧化還原反應(yīng)而設(shè)計(jì)的電池,書寫電極反應(yīng)式比較難,通過多年實(shí)踐,總結(jié)歸納有這么幾個(gè)步驟:①要分析氧化還原反應(yīng)實(shí)質(zhì),確定氧化劑、還原劑及得失電子數(shù)目;②搞清電解質(zhì)溶液(介質(zhì)),比如有些原電池的負(fù)極與電解質(zhì)溶液中離子發(fā)生反應(yīng),那么正極就生成相應(yīng)離子;③兩電極反應(yīng)式進(jìn)行合并,消去兩邊相同的離子,得到總的氧化還原反應(yīng)的方程式。我們要靈活運(yùn)用電荷守恒和原子守恒等這些原理。

      例如:宇宙飛船上的氫氧燃料電池,電池反應(yīng)總方程式為:2H2+O2=2H2O,請寫出電解質(zhì)溶液為鹽酸時(shí)的電極反應(yīng)式,并指出各電極和介質(zhì)溶液的pH的變化,若電解質(zhì)溶液為KOH時(shí)又如何?

      分析:在負(fù)極氫氣失去電子,發(fā)生氧化反應(yīng);在正極氧氣得到電子,發(fā)生還原反應(yīng)。若消耗H+,則pH增大;若消耗OH-,則pH減?。蝗羯蒓H-,則pH增大;若生成H+,則pH減小。

      若稀釋酸溶液,則pH增大;若稀釋堿溶液,則pH減小。

      解:若電解質(zhì)為鹽酸時(shí):負(fù)極:2H2-4e-=4H+,pH變?。ㄉ蒆+,pH變?。?,正極:O2+4H++4e-=2H2O,pH變大(消耗H+,pH變大),結(jié)論:溶液被稀釋,pH變大。

      若電解質(zhì)為KOH時(shí):負(fù)極:2H2-4e-+4OH-=4H2O,pH變?。ㄏ腛H-,則pH減?。?,正極:O2+2H2O+4e-=4OH-,pH變大(生成OH-,則pH增大),結(jié)論:溶液被稀釋,pH變小。

      再如:鉛蓄電池的電極分別是Pb、PbO2,電解質(zhì)是某濃度的硫酸溶液,電池的反應(yīng)方程式為:PbO2+Pb+2H2SO4=2PbSO4+2H2O。請分別寫出其電極反應(yīng)式。請寫出放電時(shí)的電極反應(yīng)。分析:在負(fù)極Pb失去電子,發(fā)生氧化反應(yīng);在正極PbO2得到電子,發(fā)生還原反應(yīng)。

      解:負(fù)極:Pb+SO42--2e-=PbSO4,正極:PbO2+4H++SO42-+2e-=PbSO4+2H2O。總之:原電池書寫時(shí),要記清負(fù)極是失電子,發(fā)生氧化反應(yīng)。而正極是得電子,發(fā)生還原反應(yīng)??偡磻?yīng)式(電池反應(yīng))=正極反應(yīng)式+負(fù)極反應(yīng)式,對于可逆電池,一定要看清楚“充電、放電”的方向。放電的過程應(yīng)用原電池原理,充電的過程卻要應(yīng)用電解池原理。

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