書寫原電池原理與電極反應(yīng)方程式的策略

孫志強(qiáng)

書寫原電池電極反應(yīng)式是高考的重要考點(diǎn).書寫原電池電極反應(yīng)式是對原電池原理的進(jìn)一步理解，能促進(jìn)學(xué)生對原電池原理的掌握.

一、原電池的原理

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.原電池的廣義原理應(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弱的物質(zhì)（正極）.所以，可以利用原電池原理將其他的氧化還原反應(yīng)設(shè)計(jì)成各種不同的電池（如燃料電池等）.

二、正確判斷原電池的正負(fù)極

高中化學(xué)必修二，第二章化學(xué)反應(yīng)與能量第二節(jié)“化學(xué)能與熱能”（實(shí)驗(yàn)2-4），將鋅片和銅片用導(dǎo)線連接（導(dǎo)線中間接入一個(gè)電流表），平行插入盛有稀硫酸的燒杯中，觀察現(xiàn)象.學(xué)與問：你如何判定裝置的正負(fù)極？由于鋅和銅的活動(dòng)性不同，鋅容易失去電子，被氧化成Zn2+進(jìn)入溶液，電子由鋅片通過導(dǎo)線流向銅片，溶液中的H+從銅片獲得電子被還原成氫原子，氫原子再結(jié)合成分子從銅片上逸出.通過教材對原電池原理的介紹，歸納出判斷原電池正負(fù)極的幾種方法：1.理論上，由發(fā)生的反應(yīng)原理判斷.利用發(fā)生的氧化還原反應(yīng)從電子得失角度判斷原電池的正負(fù)極.失去電子，發(fā)生氧化反應(yīng)的電極為負(fù)極；電解質(zhì)離子從電極獲得電子，發(fā)生還原反應(yīng)的電極為正極.與電極的活動(dòng)性無關(guān).2.根據(jù)實(shí)驗(yàn)測定法確定原電池的正負(fù)極.利用教材中銅鋅稀硫酸原電池原理，連接安培表（檢流計(jì)），觀察指針的偏轉(zhuǎn)方向，偏轉(zhuǎn)一方即為原電池的正極.連接新的原電池裝置，觀察指針的偏轉(zhuǎn)方向，與標(biāo)準(zhǔn)原電池偏轉(zhuǎn)方向相同，即為原電池的正極，另一極為負(fù)極.這種實(shí)驗(yàn)法既能幫助學(xué)生理解原電池的工作原理，又能培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的探究精神和學(xué)科素養(yǎng)的有效途徑.

三、書寫電極反應(yīng)式的注意事項(xiàng)

原電池的正負(fù)極一旦確定，則電極反應(yīng)式也隨之確定.通過原電池發(fā)生的氧化還原反應(yīng)原理，可將其分為氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)兩個(gè)半反應(yīng)，即可得到電極反應(yīng)方程式.但書寫電極反應(yīng)式時(shí)還需注意以下幾點(diǎn)：1.正負(fù)電極反應(yīng)式中的電子得失數(shù)目盡量保持相等.主要是為計(jì)算提供方便.2.充分考慮反應(yīng)環(huán)境及離子共存問題.若生成物離子與電解質(zhì)離子不共存，則該電解質(zhì)溶液中的陰離子也要寫入負(fù)極的電極反應(yīng)式中.

四、書寫原電池電極反應(yīng)方程式的步驟

掌握原電池電極反應(yīng)式的書寫方法是關(guān)鍵，現(xiàn)以CH4-O2-KOH燃料電池為例來說明原電池反應(yīng)電極方程式的書寫步驟.1.寫出原電池的總反應(yīng)化學(xué)方程式，如果是離子反應(yīng)要改寫成離子方程式.本題的原電池的總反應(yīng)為：CH4+2O2+2KOHK2CO3+3H2O.離子方程式為：CH4+2O2+2OH-CO2-3+3H2O.2.根據(jù)總化學(xué)方程式并按照電子得失情況，分成氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)：氧化反應(yīng)：CH4-8e-→CO2-3；還原反應(yīng)：2O2+8e-→4OH-.3.氧化反應(yīng)在負(fù)極發(fā)生，還原反應(yīng)在正極發(fā)生，同時(shí)要注意電解質(zhì)離子的參與.該原電池的電極反應(yīng)為：正極反應(yīng)：2O2+8e-+4H2O→8OH-；負(fù)極反應(yīng)：CH4-8e-+10H-CO2-3+7H2O.另外，我們寫好原電池的電極反應(yīng)式后，還要檢查是否符合質(zhì)量守衡、電荷守衡和電子得失守衡等規(guī)律.

五、加減法書寫原電池的電極反應(yīng)式

不少原電池的電極反應(yīng)式較為復(fù)雜，很多學(xué)生在書寫時(shí)不知道如何下手.這里向大家介紹一種書寫技巧，即用加減法書寫原電池的電極反應(yīng)式.其基本方法為總反應(yīng)方程式減去一電極反應(yīng)式得到另一電極反應(yīng)式.例如，熔融鹽燃料電池具有很高的發(fā)電效率而受到重視.可用Li2CO3和Na2CO3的熔融鹽混合物作電解質(zhì)，在 650℃的環(huán)境下通入CO和空氣進(jìn)行工作.已知負(fù)極電池反應(yīng)式為2CO+2CO2-3-4e-=4CO2.解題過程中直接書寫正極的電極反應(yīng)相當(dāng)困難，而總反應(yīng)式的書寫比較容易，在此不妨打破常規(guī)，進(jìn)行逆向思維.先寫出難度較小的總反應(yīng)式，再根據(jù)題給條件的負(fù)極電極反應(yīng)式得到正極反應(yīng)式.由于負(fù)極和陰極反應(yīng)后生成CO2不和Li2CO3和Na2CO3的熔融鹽混合物反應(yīng)，所以總反應(yīng)式就是2CO+O22CO2.用其減去負(fù)極反應(yīng)式（2CO+2CO2-34CO2+4e-），就能得到正極電極反應(yīng)式為O2+4e-+CO2CO2-3.

總之，具備扎實(shí)的氧化還原反應(yīng)原理知識是正確書寫電極反應(yīng)方程式的基本前提.只有掌握原電池工作原理，利用質(zhì)量守衡、電荷守衡和電子得失守衡定律，以及離子共存等知識，學(xué)生才能正確書寫電極反應(yīng)方程式.