摘 要: 文章主要针对学生平时练习和考试中易出错的原电池电极反应式书写这一知识点,阐述原电池电极反应式书写的方法和技巧及其中应注意的一些问题,利用具体典例对方法和技巧进行展示。
关键词: 原电池电极反应式 书写 方法和技巧
原电池知识一直是高考考纲中所要求的重点内容,是近年高考的热点,电极反应方程式的书写更是考查的重点,多年来保持了较高的稳定性。从高考和平时的练习检测情况来看,学生对电极反应方程式的书写知识掌握得非常不好,考试失分情况非常严重,电极反应方程式的书写已成为学生学习这部分知识的拦路虎,直接影响考试的成绩。我结合多年的教学经验和对近些年高考原题的研究,谈谈电极反应方程式的书写,仅供参考。
原电池是一个将化学能转变为电能的装置,是将一个能自发进行的氧化还原反应的氧化反应和还原反应分别在原电池的负极和正极上发生,从而在外电路中产生电流的装置。
根据原电池的定义和装置特点,我们可以按照以下的步骤书写原电池的电极反应方程式。
1.判断原电池的正负极
负极:活泼性较强金属的一极;电子流出(或电流流入)的一极;电解质溶液中阴离子移向的一极;电极不断溶解或质量不断减少一极;发生氧化反应的一极。
正极:相对不活泼的金属或其它导体的一极;电子流入(或电流流出)的一极;电解质溶液中阳离子移向的一极;电极上有气体产生、电极的质量不断增加或不变一极;发生还原反应的一极。
备注:(1)利用金属的活泼性强弱判断正负极并不一定都是正确的,如在Mg―Al―NaOH溶液构成的原电池中,负极为Al(但Al活泼性比Mg弱),Al―Cu―浓HNO溶液构成的原电池中,负极为Cu(但Cu活泼性比Al弱)。
(2)如果两个电极都是惰性电极(如石墨电极),则要看两个电极上通入的物质,如燃料电池发生氧化反应的气体(或对应物质)所对应的一极为负极,发生还原反应的气体(或对应物质)所对应的一极为正极如碱性溶液中的甲醇燃料电池,其总反应式为:2CHOH+3O+4KOH=2KCO+6HO,CHOH被氧化,通入甲醇的一极为负极;O被还原,通入氧气的一极为正极。
2.书写原电池的电极反应方程式
原电池的正负电极一旦确定,则相应电极的电极反应式也随之确定,但在书写的时候一定要注意以下几点。
(1)两极电极反应方程式中的电子得失数目(一般)保持相等。
(2)两个电极上产生的物质能否与电解质溶液中的物质继续发生反应,如果电极上产生的物质不与电解质溶液中的物质发生反应,则根据氧化剂、还原剂得失电子的一般规律,直接写出电极反应方程式。如果电极上产生的物质与电解质溶液中的物质发生反应,则一定要注意把电解质溶液中参加反应的物质也要写入电极反应方程式。如电解质溶液呈碱性,电极反应方程式中CO不可能存在,应为CO,也不会有H参加反应或生成;同样酸性溶液,电极反应方程式中CO不可能存在,应为CO,不会有OH参加反应或生成。根据此原则,物质得失电子后在不同的介质环境中所存在的形式不同,总之,电极反应方程式的书写一定要考虑电解质溶液对其影响。
(3)原电池总反应方程式等于两电极反应方程式之和,两极的电极反应方程式有时候往往只有一极可以很容易的写出,对于原电池总反应方程式一般情况下可以很容易写出,这时候可以先写出总反应的化学方程式,再写出其离子反应方程式。在保证总反应方程式和较易写出一极的电极反应方程式电子守恒的情况下,用总反应离子方程式减去较易写出一极的电极反应方程式,即得另一极的电极反应方程式。
接下来我就以典例针对上面几点具体展示一下电极反应方程式书写的方法和技巧。
例1:Ag―Zn高能电池(钮扣电池)由AgO、Zn及KOH溶液组成。总反应为:Zn+AgO+HO=Zn(OH)+2Ag,试分别写出其电极反应方程式。
解析:钮扣电池在放电过程中属于原电池反应,两极电极反应方程式的书写对于学生来说是一个难点,也是学生最感到困惑不解的地方。但只要考虑了电解质溶液参与,准确地把握电解质溶液如何参与的电极反应,那么两极电极反应方程式的书写就可迎刃而解了。
根据原电池原理分析可知:负极失去电子发生氧化反应,则负极反应为:Zn-2e=Zn,电解质溶液为KOH溶液。Zn进入溶液后又与溶液中的OH反应,Zn+ 2OH=Zn(OH),所以负极反应方程式为:Zn-2e+2OH=Zn(OH);正极得到电子发生还原反应,则正极反应为:AgO+2e=2Ag+O,O在中性或碱性环境中也不能单独存在,只能结合HO生成OH,故在中性或碱性条件下O+HO=2OH,所以正极反应方程式为:AgO+2e+HO=2Ag+2OH。
除此之外,我们还可以利用这样一种方法,充分利用原电池总反应方程式等于两电极反应方程式之和,那么正极反应方程式可以用原电池总的反应离子方程式减去负极的电极反应方程式得出,总的反应离子方程式:Zn+AgO+HO=Zn(OH)+2Ag①,负极反应方程式为:Zn-2e+2OH=Zn(OH)②,①-②得出正极反应方程式为:AgO+2e+HO=2Ag+2OH。
例2:(铅蓄电池)铅蓄电池其电极分别是Pb、PbO,电解质是一定浓度的硫酸,工作时的反应方程式为:PbO+Pb+2HSO=2PbSO+2HO试分别写出其电极反应式。
解析:根据原电池原理分析,负极失去电子发生氧化反应,则负极反应为:Pb-2e=Pb,电解质溶液为一定浓度的硫酸,生成的Pb进入电解质溶液中,Pb与溶液中的SO不能共存,要继续反应生成PbSO,即:Pb+SO=PbSO,所以负极反应方程式为:Pb-2e+SO=PbSO;正极得电子发生还原反应,则正极反应为:PbO+2e=Pb+2O,Pb和O进入溶液中,由于电解质溶液是HSO溶液,Pb与溶液中的SO不能共存,要继续反应生成PbSO,O在酸性环境中,不能单独存在,O在酸性环境中优先结合H生成HO,这样在正极继续发生的反应有:Pb+SO=PbSO,4H+2O=2HO;根据以上分析可知正极反应方程式为:PbO+2e+SO+4H=PbSO+2HO。
除此之外,我们还可以利用这样一种方法,充分利用原电池总反应方程式等于两电极反应方程式之和,那么正极反应方程式可以用原电池总的反应离子方程式减去负极的电极反应方程式得出,总的反应离子方程式:Pb+PbO+HSO=2PbSO+2HO①,负极反应方程式为:Pb-2e+SO=PbSO②,①-②得出正极反应方程式为:PbO+2e+SO+4H=PbSO+2HO。(注意:在利用第二种方法的时候,一定要注意两电极反应方程式中得失电子数应相等且与总反应方程式也要相等,此时之间才能相加减。)
例3:甲烷燃料电池的电解质溶液为KOH溶液,试分别写出其电极反应方程式。
解析:燃料电池电极反应方程式的书写过程中,学生往往对电解质溶液对电极反应方程式的影响考虑不到位导致书写错误。甲烷燃料电池的电解质溶液为KOH,甲烷燃烧生成的CO还要与KOH反应生成KCO,所以燃料电池的总反应方程式为:CH+2KOH+2O=KCO+3HO。
根据原电池原理分析,负极失去电子发生氧化反应,由于电解质溶液为KOH,书写电极反应式可出现OH,但不能出现H,则负极反应为:CH-8e+8OH=CO+6HO;CO+2OH=CO+HO,所以负极反应方程式为:CH+10OH+8e=CO+7HO,正极得电子发生还原反应,由于电解质溶液为KOH,书写电极反应式可出现OH,但不能出现H,则正极反应为:O+4e=2O;O+HO=2OH,所以正极反应式为:O+2HO+4e=4OH。
通过上面的解析可以看出,负极电极反应方程式的书写非常麻烦、极易出错,因为正极很容易写出,如果充分利用原电池总反应方程式等于两电极反应方程式之和,则负极书写极易出错的现象就可以避免。
燃料电池的总反应离子方程式为:CH+2OH+2O=CO+3HO①。正极得电子发生还原反应,由于电解质溶液为KOH,O在中性或碱性环境中不能单独存在,只能结合HO生成OH,则正极反应为:O+4e=2O;O+HO=2OH,所以正极反应方程式为:O+2HO+4e=4OH②,①-②得出负极反应方程式为:CH+10OH+8e=CO+7HO。
点评:解决此题的关键是理解原电池的有关概念,注意电解质环境对电极反应的影响,熟悉原电池电极反应方程式的一般书写方法,如果环境换为酸性,或者熔融的碳酸钠,则电极反应式就会发生相应的变化。
总而言之,对于原电池的电极反应式的书写来说,首先最重要的是明白原电池的工作原理,对于有电解质溶液参与的电极反应来说书写较为困难,但只要充分考虑电解质溶液对电极反应的影响,同时注意得失电子守恒及电极反应式书写的方法,则电极反应方程式的书写就可以迎刃而解。
参考文献:
[1]王磊.陈光巨.新世纪教材《化学反应原理》.山东科学技术出版社,2007.
[2]孟凡盛.原电池电极名称的规定和电极反应式的书写方法.中学化学教学参考,2005,(5).
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摘 要: 文章主要针对学生平时练习和考试中易出错的原电池电极反应式书写这一知识点,阐述原电池电极反应式书写的方法和技巧及其中应注意的一些问题,利用具体典例对方法和技巧进行展示。
关键词: 原电池电极反应式 书写 方法和技巧
原电池知识一直是高考考纲中所要求的重点内容,是近年高考的热点,电极反应方程式的书写更是考查的重点,多年来保持了较高的稳定性。从高考和平时的练习检测情况来看,学生对电极反应方程式的书写知识掌握得非常不好,考试失分情况非常严重,电极反应方程式的书写已成为学生学习这部分知识的拦路虎,直接影响考试的成绩。我结合多年的教学经验和对近些年高考原题的研究,谈谈电极反应方程式的书写,仅供参考。
原电池是一个将化学能转变为电能的装置,是将一个能自发进行的氧化还原反应的氧化反应和还原反应分别在原电池的负极和正极上发生,从而在外电路中产生电流的装置。
根据原电池的定义和装置特点,我们可以按照以下的步骤书写原电池的电极反应方程式。
1.判断原电池的正负极
负极:活泼性较强金属的一极;电子流出(或电流流入)的一极;电解质溶液中阴离子移向的一极;电极不断溶解或质量不断减少一极;发生氧化反应的一极。
正极:相对不活泼的金属或其它导体的一极;电子流入(或电流流出)的一极;电解质溶液中阳离子移向的一极;电极上有气体产生、电极的质量不断增加或不变一极;发生还原反应的一极。
备注:(1)利用金属的活泼性强弱判断正负极并不一定都是正确的,如在Mg―Al―NaOH溶液构成的原电池中,负极为Al(但Al活泼性比Mg弱),Al―Cu―浓HNO溶液构成的原电池中,负极为Cu(但Cu活泼性比Al弱)。
(2)如果两个电极都是惰性电极(如石墨电极),则要看两个电极上通入的物质,如燃料电池发生氧化反应的气体(或对应物质)所对应的一极为负极,发生还原反应的气体(或对应物质)所对应的一极为正极如碱性溶液中的甲醇燃料电池,其总反应式为:2CHOH+3O+4KOH=2KCO+6HO,CHOH被氧化,通入甲醇的一极为负极;O被还原,通入氧气的一极为正极。
2.书写原电池的电极反应方程式
原电池的正负电极一旦确定,则相应电极的电极反应式也随之确定,但在书写的时候一定要注意以下几点。
(1)两极电极反应方程式中的电子得失数目(一般)保持相等。
(2)两个电极上产生的物质能否与电解质溶液中的物质继续发生反应,如果电极上产生的物质不与电解质溶液中的物质发生反应,则根据氧化剂、还原剂得失电子的一般规律,直接写出电极反应方程式。如果电极上产生的物质与电解质溶液中的物质发生反应,则一定要注意把电解质溶液中参加反应的物质也要写入电极反应方程式。如电解质溶液呈碱性,电极反应方程式中CO不可能存在,应为CO,也不会有H参加反应或生成;同样酸性溶液,电极反应方程式中CO不可能存在,应为CO,不会有OH参加反应或生成。根据此原则,物质得失电子后在不同的介质环境中所存在的形式不同,总之,电极反应方程式的书写一定要考虑电解质溶液对其影响。
(3)原电池总反应方程式等于两电极反应方程式之和,两极的电极反应方程式有时候往往只有一极可以很容易的写出,对于原电池总反应方程式一般情况下可以很容易写出,这时候可以先写出总反应的化学方程式,再写出其离子反应方程式。在保证总反应方程式和较易写出一极的电极反应方程式电子守恒的情况下,用总反应离子方程式减去较易写出一极的电极反应方程式,即得另一极的电极反应方程式。
接下来我就以典例针对上面几点具体展示一下电极反应方程式书写的方法和技巧。
例1:Ag―Zn高能电池(钮扣电池)由AgO、Zn及KOH溶液组成。总反应为:Zn+AgO+HO=Zn(OH)+2Ag,试分别写出其电极反应方程式。
解析:钮扣电池在放电过程中属于原电池反应,两极电极反应方程式的书写对于学生来说是一个难点,也是学生最感到困惑不解的地方。但只要考虑了电解质溶液参与,准确地把握电解质溶液如何参与的电极反应,那么两极电极反应方程式的书写就可迎刃而解了。
根据原电池原理分析可知:负极失去电子发生氧化反应,则负极反应为:Zn-2e=Zn,电解质溶液为KOH溶液。Zn进入溶液后又与溶液中的OH反应,Zn+ 2OH=Zn(OH),所以负极反应方程式为:Zn-2e+2OH=Zn(OH);正极得到电子发生还原反应,则正极反应为:AgO+2e=2Ag+O,O在中性或碱性环境中也不能单独存在,只能结合HO生成OH,故在中性或碱性条件下O+HO=2OH,所以正极反应方程式为:AgO+2e+HO=2Ag+2OH。
除此之外,我们还可以利用这样一种方法,充分利用原电池总反应方程式等于两电极反应方程式之和,那么正极反应方程式可以用原电池总的反应离子方程式减去负极的电极反应方程式得出,总的反应离子方程式:Zn+AgO+HO=Zn(OH)+2Ag①,负极反应方程式为:Zn-2e+2OH=Zn(OH)②,①-②得出正极反应方程式为:AgO+2e+HO=2Ag+2OH。
例2:(铅蓄电池)铅蓄电池其电极分别是Pb、PbO,电解质是一定浓度的硫酸,工作时的反应方程式为:PbO+Pb+2HSO=2PbSO+2HO试分别写出其电极反应式。
解析:根据原电池原理分析,负极失去电子发生氧化反应,则负极反应为:Pb-2e=Pb,电解质溶液为一定浓度的硫酸,生成的Pb进入电解质溶液中,Pb与溶液中的SO不能共存,要继续反应生成PbSO,即:Pb+SO=PbSO,所以负极反应方程式为:Pb-2e+SO=PbSO;正极得电子发生还原反应,则正极反应为:PbO+2e=Pb+2O,Pb和O进入溶液中,由于电解质溶液是HSO溶液,Pb与溶液中的SO不能共存,要继续反应生成PbSO,O在酸性环境中,不能单独存在,O在酸性环境中优先结合H生成HO,这样在正极继续发生的反应有:Pb+SO=PbSO,4H+2O=2HO;根据以上分析可知正极反应方程式为:PbO+2e+SO+4H=PbSO+2HO。
除此之外,我们还可以利用这样一种方法,充分利用原电池总反应方程式等于两电极反应方程式之和,那么正极反应方程式可以用原电池总的反应离子方程式减去负极的电极反应方程式得出,总的反应离子方程式:Pb+PbO+HSO=2PbSO+2HO①,负极反应方程式为:Pb-2e+SO=PbSO②,①-②得出正极反应方程式为:PbO+2e+SO+4H=PbSO+2HO。(注意:在利用第二种方法的时候,一定要注意两电极反应方程式中得失电子数应相等且与总反应方程式也要相等,此时之间才能相加减。)
例3:甲烷燃料电池的电解质溶液为KOH溶液,试分别写出其电极反应方程式。
解析:燃料电池电极反应方程式的书写过程中,学生往往对电解质溶液对电极反应方程式的影响考虑不到位导致书写错误。甲烷燃料电池的电解质溶液为KOH,甲烷燃烧生成的CO还要与KOH反应生成KCO,所以燃料电池的总反应方程式为:CH+2KOH+2O=KCO+3HO。
根据原电池原理分析,负极失去电子发生氧化反应,由于电解质溶液为KOH,书写电极反应式可出现OH,但不能出现H,则负极反应为:CH-8e+8OH=CO+6HO;CO+2OH=CO+HO,所以负极反应方程式为:CH+10OH+8e=CO+7HO,正极得电子发生还原反应,由于电解质溶液为KOH,书写电极反应式可出现OH,但不能出现H,则正极反应为:O+4e=2O;O+HO=2OH,所以正极反应式为:O+2HO+4e=4OH。
通过上面的解析可以看出,负极电极反应方程式的书写非常麻烦、极易出错,因为正极很容易写出,如果充分利用原电池总反应方程式等于两电极反应方程式之和,则负极书写极易出错的现象就可以避免。
燃料电池的总反应离子方程式为:CH+2OH+2O=CO+3HO①。正极得电子发生还原反应,由于电解质溶液为KOH,O在中性或碱性环境中不能单独存在,只能结合HO生成OH,则正极反应为:O+4e=2O;O+HO=2OH,所以正极反应方程式为:O+2HO+4e=4OH②,①-②得出负极反应方程式为:CH+10OH+8e=CO+7HO。
点评:解决此题的关键是理解原电池的有关概念,注意电解质环境对电极反应的影响,熟悉原电池电极反应方程式的一般书写方法,如果环境换为酸性,或者熔融的碳酸钠,则电极反应式就会发生相应的变化。
总而言之,对于原电池的电极反应式的书写来说,首先最重要的是明白原电池的工作原理,对于有电解质溶液参与的电极反应来说书写较为困难,但只要充分考虑电解质溶液对电极反应的影响,同时注意得失电子守恒及电极反应式书写的方法,则电极反应方程式的书写就可以迎刃而解。
参考文献:
[1]王磊.陈光巨.新世纪教材《化学反应原理》.山东科学技术出版社,2007.
[2]孟凡盛.原电池电极名称的规定和电极反应式的书写方法.中学化学教学参考,2005,(5).
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