新型原电池电极反应式书写方法

新型原电池电极反应式书写方法

杨霄燕

云南省昆明市东川区高级中学 654100

摘要：新型原电池电极反应式书写是高考难点，本文归纳总结了新型原电池电极反应式的书写方法。

关键词：新型原电池 电极反应式

北京时间2019年10月9日下午5点45分，瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布，将2019年度诺贝尔化学奖授予美国得州大学奥斯汀分校John B Goodenough教授、纽约州立大学宾汉姆顿分校M.stanley Whittlingham教授和日本化学家Akira Yoshino，以表彰其在锂离子电池的发展方面作出的贡献，那么锂离子电池将在2021年高考中成为热点。今天要讲的是新型原电池电极反应式书写。孔子曰：“学而不思则罔，思而不学则殆”，老师先分析例题，然后学生自己归纳总结方法，并加以练习。

例 1.2013年3月我国科学家报道了如图所示的水溶液锂离子电池体系，总反应为Li_1-xMn₂O₄+xLi= LiMn₂O₄。下列叙述错误的是

A．a为电池的正极

B．放电时，正极电极反应为

Li_1-xMn₂O₄+xLi ⁺+xe^- = LiMn₂O₄

C．放电时，a极锂的化合价发生变化

D．放电时，溶液中的Li⁺从b向a迁移

^【分析】根据题目给的装置图判断，电极b是原电池的负极，这一极较容易写出，故电极反应式为Li-e^- =Li⁺，电极a是原电池的正极，根据得失电子守恒原则，利用总反应与上述的一极反应相减，即得另一个电极的反应式，即Li_1-xMn₂O₄+xLi ⁺+xe^- = LiMn₂O₄ (正极)。

综上所述， A、B正确； C、放电时，a极锰的化合价发生变化，Li的化合价没有变化，C错误；D、放电时，溶液中的Li⁺从负极b向正极a迁移，D正确，所以^{答案选C。}

总结一、可以利用“加减法”书写新型化学电源电极反应式

若已知电池反应的总反应式，可先写出较易书写的一极的电极反应式，然后在电子守恒的基础上，总反应式减去较易写出的一极的电极反应式，即得到较难写出的另一极的电极反应式。

例2.下图是在航天用高压氢镍电池基础上发展起来的一种金属氢化物镍电池(MH－Ni电池)。下列有关说法不正确的是

A．放电时正极反应为：NiOOH＋H₂O＋e^－=Ni(OH)₂＋OH^－

B．电池的电解液可为KOH溶液

C．充电时负极反应为：MH＋OH^－=M＋H₂O＋e^－

D．MH是一类储氢材料，其氢密度越大，电池的能量密度越高

【分析】这个题目中并没有给出总反应式，但选项A、C中出现了方程式，我们可以利用这两个式子推断出总反应式。根据题意，A选项考查放电时正极，正极得电子，发生还原反应，A中给出的电极反应式镍元素由+3价变为+2价，发生还原反应，先暂时认为正确；C选项考查充电时的负极，充电时负极作阴极，得电子，发生还原反应，但选项C中给出的电极反应式却是失去电子，故C选项错误。C选项中的电极反应式应为放电时负极反应式，放电正负极电极反应式相加，得到放电时总反应式MH+NiOOH=M+Ni(OH)₂。式中M为金属合金，MH为吸附了氢原子的储氢合金。

^总结二、可以利用“题目中已知的反应式”书写新型化学电源电极反应式。

例3. 绿色电源“二甲醚—氧气燃料电池”的工作原理如下图所示。

①氧气应从c处通入，电极Y为__________极，发生的电极反应式为______________________________________；

②二甲醚(CH₃)₂O应从b处加入，电极X上发生的电极反应式为______________________________________________；

③电池在放电过程中，电极X周围溶液的pH__________(填“增大”“减小”或“不变”)。

【分析】这道题考点是燃料电池的电极反应式书写。该反应是在酸性条件下进行的，先写出总反应(CH₃)₂O+ 3O₂=2CO₂+3H₂O，根据H⁺移动方向，判断电极Y是正极，c口通入氧气，电极反应式为O₂＋4H^＋＋4e^－===2H₂O，电极X是负极，根据得失电子守恒原则，电池负极反应式＝电池反应的总反应式－电池正极反应式，推出负极电极反应式(CH₃)₂O－12e^－＋3H₂O===2CO₂＋12H^＋，X周围产生H^＋，故电极X周围溶液的pH减小。

总结三、燃料电池电极反应式的书写

第一步：写出电池的总反应式

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和后的反应。如甲烷燃料电池(电解质为NaOH溶液)的反应式为

CH₄＋2O₂===CO₂＋2H₂O　① CO₂＋2NaOH===Na₂CO₃＋H₂O　②

①式＋②式，得到燃料电池总反应式CH₄＋2O₂＋2NaOH===Na₂CO

₃＋3H₂O。

第二步：先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是O₂，电解质溶液不同，其电极反应式不同，可根据氧化还原反应缺项配平原则和电荷守恒来配平，有以下四种情况：

(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O^2－)环境下电极反应式：O₂＋4e^－===2O^2－；

(4)熔融碳酸盐(如熔融Na₂CO₃)环境下电极反应式：O₂＋2CO₂＋4e^－===2CO。

燃料电池电极反应中，酸性溶液中不能生成OH^－，碱性溶液中不能生成H^＋；水溶液中不能生成O^2－，而熔融电解质中O₂被还原为O^2－。

第三步：电池负极反应式＝电池反应的总反应式－电池正极反应式。

例4. 有学者设想以如图所示装置用电化学原理将他们转化为重要化工原料。请回答：

①若A为SO₂，B为O₂，C为H₂SO₄，则负极反应式_____________________________；

②若A为CO₂，B为H₂，C为CH₃OH，则正极反应式_______________________________。

【分析】这道题考点是根据反应物和生成物书写电极反应式。①反应物A是SO₂，B是O₂，负极反应物是SO₂，硫元素化合价+4价，产物是H₂SO₄，硫元素化合价+6价，所以负极反应物失去2e^－，根据缺项配平原则，反应物还有H₂O，故答案是SO₂－2e^－＋2H₂O===4H^＋＋SO，最后用电荷守恒和原子守恒检验是否正确。②反应物是A是CO₂，B是H₂，CO₂是正极，碳元素化合价为+4价，产物是CH₃OH，碳元素化合价是-2价，所以正极反应物得到6e^－，因为是酸性电解质，根据缺项配平原则和电荷守恒原则，答案是CO₂＋6H^＋＋6e^－===CH₃OH＋H₂O。

总结四、根据题意，可以直接书写电极反应式①列物质标得失。依据负极失电子，发生氧化反应，正极得电子，发生还原反应，先写出各极反应物，从题目中判断出电极反应产物，标出得失电子数目。②看环境配守恒。电极反应式要遵守电荷守恒、原子守恒、得失电子守恒原则，结合氧化还原反应缺项配平法则配平，原则是酸性溶液中不能生成OH^－，碱性溶液中不能生成H^＋。③写出正负极反应式后，保证得失电子守恒，相加即可得到总反应式。

“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”。新型原电池电极反应式书写，是高考的难点，通过“讲-总结-练”方法，老师先讲例题，然后让学生自己总结方法，随后让学生自己动手练一练，并请同学起来讲解，学生可以自己讲明白，说明知识是真正掌握了，知识真正被消化了。让学生变成课堂主人，自己突破难点，找到学习化学成就感，享受化学带来的乐趣。

3