電化學(xué)原理與電極反應(yīng)式的書寫

孫雨簫

摘 要：電化學(xué)原理是中學(xué)化學(xué)基本理論中的重要內(nèi)容，是每年各省市高考化學(xué)中的必考點(diǎn)。其中電極反應(yīng)式書寫是電化學(xué)的核心考點(diǎn)，也是易錯(cuò)點(diǎn)。原電池和電解池的電極反應(yīng)本質(zhì)都是氧化還原反應(yīng)，因此電化學(xué)電極反應(yīng)都要遵循氧化還原反應(yīng)的規(guī)律，特別是守恒規(guī)律?；陔娀瘜W(xué)原理和氧化還原反應(yīng)的基礎(chǔ)知識總結(jié)出電化學(xué)電極反應(yīng)式書寫“三步走”策略，能幫助廣大同學(xué)準(zhǔn)確書寫電極反應(yīng)式。

關(guān)鍵詞：電化學(xué)原理；電極反應(yīng)式；氧化還原；守恒規(guī)律

中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）23-0222-02

電化學(xué)理論是近年來高考的命題熱點(diǎn)，對廣大考生而言也是必考必會的知識點(diǎn)。歷年考試中關(guān)于本知識點(diǎn)的分值基本上都在六分到十幾分不等。此外，還會結(jié)合熱化學(xué)等更高級的知識點(diǎn)出題。電化學(xué)的本質(zhì)是氧化還原，因此，對于電化學(xué)知識的把握能夠讓學(xué)生更容易理解電子轉(zhuǎn)移的基本原理，對化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)和體系有一個(gè)深刻的認(rèn)識，從而能有效抓住考試難點(diǎn)，在高考中拿下高分。本文旨在概括解析電化學(xué)的知識點(diǎn)中的重難點(diǎn)內(nèi)容，并介紹“三步走”策略來快速準(zhǔn)確地書寫電化學(xué)電極反應(yīng)式。

1 電化學(xué)原理

中學(xué)電化學(xué)理論中主要涉及的是原電池和電解池，我們需要熟練掌握它們的工作原理。

原電池是把化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能的裝置，通過氧化還原反應(yīng)而產(chǎn)生電流。原電池的構(gòu)成條件包含四個(gè)方面：①自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)（電子的轉(zhuǎn)移）；②電解質(zhì)溶液（電池內(nèi)部連通）；③閉合回路（電池外部連通）；④兩個(gè)活潑性不同的電極。例如教材中提及的銅鋅原電池，其正負(fù)極分別是銅片和鋅板，浸在硫酸鋅溶液中。日常生活中廣泛接觸到的各種干電池，就是基于原電池原理制成的。在放電過程中，負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，正極發(fā)生還原反應(yīng)。電子在外電路中由負(fù)極流向正極，而內(nèi)電路電解液中的陽離子向正極移動(dòng)，陰離子則移向負(fù)極，形成電荷持續(xù)定向遷移。

電解池理論可以和原電池進(jìn)行對比學(xué)習(xí)。電解池是將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的裝置，使電流通過電解質(zhì)溶液而在陰陽兩極發(fā)生氧化還原反應(yīng)，由電源、兩個(gè)電極、電解質(zhì)溶液和閉合回路組成。原電池一般只能由自發(fā)的氧化還原反應(yīng)設(shè)計(jì)而成，而非自發(fā)的氧化還原反應(yīng)有可能在外加電源的情況下被設(shè)計(jì)為電解池。電解的時(shí)候，電子由外電路的陽極流向陰極，電解液中的陽離子向陰極移動(dòng)，陰離子向陽極移動(dòng)。從表1可以更加直觀的看出電解池和原電池的區(qū)別與聯(lián)系。

2 電極反應(yīng)式的書寫

從上面的電化學(xué)原理分析可以看出，原電池和電解池電極反應(yīng)的本質(zhì)都是氧化還原反應(yīng)，因此兩者的電極反應(yīng)均遵循氧化還原反應(yīng)的規(guī)律，尤其是化合價(jià)升高或降低的數(shù)值與得失電子總數(shù)相等?；谇捌谘趸€原反應(yīng)離子方程式的書寫與配平知識點(diǎn)，可以總結(jié)出電化學(xué)電極反應(yīng)式書寫技巧。通常通過如下“三步走”策略可以準(zhǔn)確的書寫電極反應(yīng)式。

（1）標(biāo)變價(jià)，尋物質(zhì)。按照正極（或陰極）氧化劑得電子發(fā)生還原反應(yīng)，負(fù)極（或陽極）還原劑失電子發(fā)生氧化反應(yīng)。標(biāo)明發(fā)生變價(jià)的離子或分子，找到氧化劑和還原劑。

（2）寫產(chǎn)物，平得失。找到上述氧化劑和還原劑在反應(yīng)后的產(chǎn)物，即還原產(chǎn)物和氧化產(chǎn)物。根據(jù)得失電子數(shù)目相等規(guī)律，利用化合價(jià)升降法進(jìn)行配平。

（3）看題意，全配平。通常做完第二步，還存在元素沒有配平的情況。這時(shí)候需要結(jié)合題意，根據(jù)質(zhì)量守恒原則，分析其他存在的物質(zhì)并基于元素守恒規(guī)律進(jìn)行配平。

通過上述“三步走”策略可以準(zhǔn)確的書寫各類電極反應(yīng)式，接下來我們通過具體例題來更加深入的理解和掌握該策略。

2.1 原電池電極反應(yīng)式的書寫

例題1：以甲烷為燃料的燃料電池，其兩極均為鉑電極，電解質(zhì)溶液為KOH溶液，試寫出該燃料電池的負(fù)極反應(yīng)式。

解析：燃料電池電極反應(yīng)產(chǎn)物與電解質(zhì)的酸堿性有關(guān)，本題為是堿性介質(zhì)，故最終生成CO32-和H2O。負(fù)極上甲烷作為還原劑失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，利用“三步走”策略來書寫該燃料電池的電極反應(yīng)式步驟如下：第一步，找出變價(jià)的物質(zhì)為CH4和CO32-；第二步，把上述物質(zhì)分別寫在反應(yīng)物和產(chǎn)物的位置，分析轉(zhuǎn)移電子數(shù)目，其中CH4失去8mole-生成1molCO32-，則可以得到電極反應(yīng)式的雛形：CH4-8e-→CO32-；第三步，全配平，由于電解質(zhì)溶液顯堿性，根據(jù)電荷守恒可確定OH-在反應(yīng)式的左邊，其系數(shù)為10；根據(jù)H原子守恒可確定H2O在反應(yīng)式的右邊，其系數(shù)為7。從而寫出負(fù)極反應(yīng)式為：

CH4+10OH--8e-=CO32-+7H2O

例題2：酸性鋅錳干電池是一種一次性電池，外殼為金屬鋅，中間是碳棒，其周圍是由碳粉、MnO2、ZnCl2和NH4Cl等組成的糊狀填充物。該電池放電過程產(chǎn)生MnOOH。該電池的正極反應(yīng)式為_______________________________，電池反應(yīng)的離子方程式為___________________________。

解析：根據(jù)上述“三步走”策略，分析本題可知，放電時(shí)，負(fù)極Zn作為還原劑失去電子生成氧化產(chǎn)物Zn2+，正極氧化劑MnO2得到電子生成還原產(chǎn)物MnOOH，從而可分別寫出正極和負(fù)極的電極反應(yīng)式，然后在遵循電子守恒的前提下將兩極反應(yīng)式加合可得電池反應(yīng)的離子方程式。

答案：MnO2+e-+H+=MnOOH

Zn+2MnO2+2H+=Zn2++2MnOOH

2.2 電解池電極反應(yīng)式的書寫

例題3：化學(xué)在環(huán)境保護(hù)中起著十分重要的作用。催化反硝化法和電化學(xué)降解法可用于治理水中硝酸鹽的污染電化學(xué)降解NO3-的原理如圖1所示，陰極反應(yīng)式為______。

解析：結(jié)合圖中信息，根據(jù)“三步走”策略解題。第一步，由于電解池陰極發(fā)生還原反應(yīng)，NO3-轉(zhuǎn)化為N2，找到變價(jià)的物質(zhì)為NO3-和N2。第二步，寫明兩者的位置，分析轉(zhuǎn)移電子情況。NO3-中的氮元素得到10個(gè)電子，則可以得到初步的反應(yīng)式：2NO3-+10e-→N2↑；第三步：全配平，根據(jù)電荷守恒規(guī)律可知產(chǎn)物中包含12OH-。由元素守恒（H和O元素）規(guī)律分析出該陰極反應(yīng)需要6H2O參與反應(yīng)。最后寫出電極反應(yīng)式：2NO3-+6H2O+10e-=N2↑+12OH-

可見，在學(xué)習(xí)高中電化學(xué)的過程中，一方面要理解和掌握電化學(xué)理論知識，另一方面要能夠準(zhǔn)確地書寫電極反應(yīng)式。“三步走”策略通過判斷電極的正負(fù)極（或陰陽極），確定電極反應(yīng)物和產(chǎn)物，然后通過電荷守恒和元素守恒規(guī)律配平，能夠輕松地書寫各類電極反應(yīng)式，可以說是同學(xué)們必須掌握的電極反應(yīng)式書寫方法。

參考文獻(xiàn)

[1]曹志兵.談電極反應(yīng)式書寫的有效策略[J].中學(xué)化學(xué)，2013，（4）：26-27.

[2]盧殿珍，馬龍.電化學(xué)知識概述[J].數(shù)理化解題研究：高中版，2017，（7）：90-91.