利用守恒思想 巧写电极方程

2016-11-30 15:06:46   来源：   撰稿：董啸   摄影摄像：    ;  评论：0 点击：

利用守恒思想   巧写电极方程

陕西省西安市第89中学    710003   董 啸

在近年的高考中，书写原电池电极反应方程式，既是考试的热点，也是考查的难点，如果可以顺利写出原电池的电极反应式，则很多复杂问题（离子浓度变化、pH值变化等）就可以迎刃而解。

我们知道，在方程式中，存在原子守恒、电荷守恒及电子守恒等，如果能充分利用守恒思想，就可以巧妙写出原电池的电极反应式。

一、加减法

如果已知电池的总反应和其中一个电极反应（或可以顺利写出的一个简单的电极反应式），要求写出另一个比较复杂的电极反应式。由于在原电池中，存在原子守恒和电荷守恒，所以原电池的正极反应和负极反应之和等于原电池的总反应，这样我们就可以利用加减计算得出电极反应式。这种利用加减计算书写电极反应式的方法就是守恒法。

具体做法：先分别写出原电池的总反应的离子方程式和简单的电极反应式（必要时乘相应的系数），然后用总反应的离子方程式左侧减去已知的电极反应式（或可以顺利写出的一个简单的电极反应式）左侧，总反应的离子方程式右侧减去已知的电极反应右侧，所得的式子就是要写出的电极反应式。如果某种物质前的符号为负，将其移至等号另一侧，电子始终写在等号左侧。

特别说明：

①在书写电极反应时，一般都是用实际参加反应的微粒来表示，所以在书写电极反应式之前，应将原电池的总反应改写为离子方程式。

②在进行原电池总反应式减去已知的电极反应式之前，应保证总反应式的氧化剂或还原剂的计量系数与已知的电极反应式一致，这样才能相互抵消，使得到的电极反应式中，负极发生氧化反应，正极发生还原反应。

例如，写甲烷、甲醇或乙醇等燃料电池的电极反应式时，正极反应式一般是固定的比较简单。所以，在写电极反应式时，先写出总反应式的离子方程式，再写出正极反应式（必要时乘相应的系数），然后用总反应式减去正极的电极反应，就可以得到较复杂的负极反应式。

例题1．若将2KMnO₄＋16HCl===2KCl＋2MnCl₂＋5Cl₂↑＋8H₂O设计成原电池时，请分别写出正负极反应式。

解析：首先，将原电池的总反应方程式改写为离子方程式为：2MnO₄^—＋16H⁺+10Cl^—==2Mn^2＋＋5Cl₂↑＋8H₂O。从方程式可以看出负极发生的氧化反应比较简单，负极反应式为：10Cl^——10e^—==5Cl₂↑  。用总反应的离子方程式减去负极反应式得出正极反应式为：2MnO₄^—＋16H⁺+10e^—==2Mn^2＋＋8H₂O。

例题2．熔融盐燃料电池具有高的发电效率，因而受到重视，可用Li₂CO₃和Na₂CO₃的熔融盐混合物作电解质，CO为负极燃气，空气与CO₂的混合气体为正极极助燃气，制得在650℃下工作的燃料电池，完成有关的电池反应式：

电池总反应式：_______________。负极反应式：2CO+2CO₃^2--4e^-== 4CO₂ 

正极反应式：_________________。

解析：本题中CO为还原剂，空气中O₂为氧化剂，电池总反应式为：2CO+O₂=2CO₂。用总反应式减去电池负极反应式，就可得到电池正极反应式：O₂+2CO₂+4e^-== 2CO₃^2- 。

例题3．一种新型燃料电池，它以多孔镍板为电极插入KOH溶液中，然后分别向两极通入乙烷和氧气，则有关此电池推断正确的是(　　)

A．通入乙烷的电极为正极

B．参加反应的乙烷与氧气的物质的量之比为7∶2

C．放电一段时间后，KOH的物质的量浓度减少

D．负极反应式为C₂H₆＋6H₂O－14e^－===2CO＋18H^＋

解析：乙烷燃烧的化学方程式为2C₂H₆＋7O₂―→4CO₂＋6H₂O，在该反应中氧气得电子，乙烷失电子，因此通入氧气的电极为正极，而通入乙烷的电极为负极，故A答案错误；由燃料电池总反应可以看出参加反应的乙烷与氧气的物质的量之比应为2∶7，故B答案错误；考虑到该电池是以KOH为电解质溶液的，生成的CO₂会和KOH反应转化成K₂CO₃，反应中消耗KOH，KOH的物质的量浓度减少，故C答案正确；考虑到电解质溶液的影响，该电池的总反应式应为2C₂H₆＋8KOH＋7O₂―→4K₂CO₃＋10H₂O，改写为离子方程式为：2C₂H₆＋8OH^－＋7O₂―→4CO₃^2-＋10H₂O，正极反应式为7O₂＋14H₂O＋28e^－===28OH^－，负极反应式可用总反应式减去正极反应式得到：2C₂H₆＋36OH^－－28e^－===4CO＋24H₂O。另外，由于该电池是以KOH溶液为电解液的，D答案中负极生成的H^＋显然在溶液中是不能存在的，故D答案错误。本题的答案为C。

二、守恒法

若已知原电池的总方程式，未已知任何电极反应式，或者已知原电池的材料和反应产物，没有提供氧化还原反应方程式，只能先写出该电池的总氧化还原反应的离子方程式，然后分析化合价，将氧化还原反应的离子方程式拆分为氧化反应和还原反应，再确定正负极及电极的反应物和生成物，然后根据电子转移数目、电荷守恒、原子守恒配平，其中正极发生还原反应，负极发生氧化反应，从而得出正负电极反应式。这种利用守恒思想书写电极反应式的方法就是守恒法。

具体做法：在书写时，先利用化合价变化分析，找出氧化反应和还原反应，并将分开书写，然后根据电子得失情况，利用H⁺和OH^-配平电荷，最后利用水中的氢原子和氧原子使原子守恒。将氧化还原反应的离子方程式拆分为氧化反应和还原反应，其中正极发生还原反应，负极发生氧化反应。

口诀：离子方程要拆开，电荷原子均守恒；检查电荷定离子；检查原子确定水。

特别说明：

①H⁺、OH^－、H₂O是否参加反应，要根据实际情况具体分析。

②电子带负电荷，得电子为负电荷，失去电子为正电荷。

③在将氧化还原反应的离子方程式拆分为氧化反应和还原反应时，必须保证氧化剂和还原剂的系数与总方程式一致。

④为了保证书写正确，在书写完成后，应将两级的反应式相加，检验是否等于原电池的总方程式。

例题1.（2012年高考理综改编）与MnO₂-Zn电池类似，K₂FeO₄-Zn也可以组成碱性电池，K₂FeO₄在电池中作为正极材料，其电极反应式为             ，该电池总反应的离子方程式为                                  。

解析：由于K₂FeO₄-Zn电池与MnO₂-Zn电池类似，溶液显碱性，所以由分析可知，Zn失去电子变成Zn(OH)₂，负极的电极反应式为：Zn＋2OH^-－2e^- ＝Zn(OH)₂  。FeO₄^2－得到电子变成Fe(OH)₃，我们可以利用守恒法直接写出正极反应式为：FeO₄^2－+3e^－+4H₂O= Fe(OH)₃+5OH^－，然后正负极反应式相加得出电池总反应的离子方程式：2FeO₄^2－+8H₂O+3Zn= 2Fe(OH)₃+ 3Zn(OH)₂+4OH^－。当然，本题也可以先写出反应物和生成物，利用化合价升降法配平离子方程式方程式，然后减去负极的电极反应式，得出正极反应式。

答案：FeO₄^2－+3e^－+4H₂O= Fe(OH)₃+5OH^－； 2FeO₄^2－+8H₂O+3Zn= 2Fe(OH)₃+ 3Zn(OH)₂+4OH^－

例题2．某新型可充电电池，能长时间保持稳定的放电电压。该电池的总反应式为3Zn＋2K₂FeO₄＋8H₂O3Zn(OH)₂＋2Fe(OH)₃＋4KOH，以下说法不正确的是(　　)

A．放电时负极反应式为Zn－2e^－＋2OH^－===Zn(OH)₂

B．放电时正极反应式为FeO＋4H₂O＋3e^－===Fe(OH)₃＋5OH^－

C．放电时每转移3 mol电子，正极有1 mol K₂FeO₄被氧化

D．充电时阳极附近的溶液的碱性减弱

解析：放电时，在碱性条件下，Zn失去电子为电池负极，电极反应可以由总反应式和化合价分析可得：Zn－2e^－＋2OH^－===Zn(OH)₂，故选项A正确；根据放电时总电池反应式中的化合价变化及得失电子情况，可得放电时正极反应式为FeO＋4H₂O＋3e^－===Fe(OH)₃＋5OH^－，故选项B正确；放电时，K₂FeO₄被还原，故选项C错误；充电是放电的逆向反应，所以充电时，阳极消耗OH^－，导致阳极附近的溶液的碱性减弱，故选项D正确。本题答案为C。

例题3．利用NO₂、O₂和熔融的NaNO₃可以制作燃料电池，其原理是：在一个电极通入NO₂，并将产生的气体氧化物和氧气通入另一电极，产生电流。请写出该电池的正极反应、负极反应。

解析：由氧化还原反应原理分析可知，NO₂和O₂的总方程式为 ：4NO₂+ O₂= 2N₂O₅。

由于总方程式和电荷守恒可知，NO₂失去电子后需要结合NO₃^—生成N₂O₅。故，负极的电极反应式为：4NO₂ +4NO₃^—－4e^－=4N₂O₅。

在正极，氧气得电子后与N₂O₅，生成NO₃^—。故，正极的电极反应式为：O₂ +2N₂O₅＋4e^－==4NO₃^—。

答案：负极反应式：4NO₂ +4NO₃^—－4e^－=4N₂O₅；正极反应式：O₂ +2N₂O₅＋4e^－==4NO₃^—。

通讯地址：陕西省西安市第89中学    710003   董 啸

联系电话：15091099026

电子信箱：547123800@qq.com