“兩頭湊”法原電池電極反應(yīng)式書寫探究

張占軍

摘要：原電池是現(xiàn)行高中化學(xué)知識(shí)中重要的組成部分，特別是原電池電極反應(yīng)式的書寫，不僅是學(xué)習(xí)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，還是高考試題的熱點(diǎn)。然而，學(xué)生在學(xué)習(xí)電極反應(yīng)式書寫時(shí)，不知如何下手。本文筆者旨在通過(guò)原電池反應(yīng)原理的探究、常見(jiàn)原電池電極反應(yīng)式的書寫例析，提高學(xué)生書寫原電池電極反應(yīng)式的能力。

關(guān)鍵詞：原電池原理；兩頭湊；電極反應(yīng)式書寫

原電池是把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。原電池設(shè)計(jì)的原理依據(jù)是能自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)。原電池中的氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)分別在兩個(gè)電極上發(fā)生，電子的轉(zhuǎn)移通過(guò)連接兩電極的導(dǎo)線完成。學(xué)生書寫原電池的電極反應(yīng)式要從以下幾個(gè)方面入手。

1.能準(zhǔn)確識(shí)別給出的原電池是哪種常見(jiàn)類型的原電池（后面有總結(jié)），并能用離子反應(yīng)方程式表達(dá)出反應(yīng)原理。

2.既然原電池設(shè)計(jì)的原理依據(jù)是氧化還原反應(yīng)，所以學(xué)生要能用雙線橋熟練準(zhǔn)確地分析一個(gè)氧化還原反應(yīng)，也就是能找到氧化反應(yīng)（還原劑→氧化產(chǎn)物）、還原反應(yīng)（氧化劑→還原產(chǎn)物）這兩個(gè)半反應(yīng)。

3.采用“兩頭湊”的方法寫出電極反應(yīng)式。

下面以Cu—Zn—H2SO4為例，寫出其電極反應(yīng)式。

第一步：該電池的設(shè)計(jì)原理是Zn+2H+=Zn2+H2

第二步：雙線橋分析該反應(yīng)原理

Zn + 2H+ = Zn2+ + H2

還原反應(yīng)

第三步：兩頭湊

先觀察氧化反應(yīng)，在“=”的兩端先寫出還原劑和氧化產(chǎn)物即Zn=Zn2+。分析還原劑單質(zhì)鋅由0價(jià)變成了氧化產(chǎn)物中的+2價(jià)，這個(gè)過(guò)程必須是通過(guò)失去電子才能實(shí)現(xiàn)，因此我們?cè)诘忍?hào)的右端再添上失去的兩個(gè)電子，即Zn-2e-=Zn2+，這樣就得到了負(fù)極的電極反應(yīng)式。同理，正極的電極反應(yīng)式，我們先在等號(hào)的兩端寫出氧化劑和還原產(chǎn)物即2H+=H2。分析氧化劑H+，要想生成H2必須通過(guò)得到兩個(gè)電子才能實(shí)現(xiàn)，因此在等號(hào)的右端再添上得到的兩個(gè)電子即2H++2e-=H2就得到正極的電極反應(yīng)式。書寫電極反應(yīng)式還要注意以下幾點(diǎn)。

1.分清正負(fù)極。發(fā)生氧化反應(yīng)的是負(fù)極，發(fā)生還原反應(yīng)的是正極。

2.電極反應(yīng)式半反應(yīng)，要注意得失電子數(shù)目與離子電荷的平衡。

3.注意介質(zhì)有時(shí)也要參與電極反應(yīng)式，比如H2O，酸性介質(zhì)中H+，堿性介質(zhì)中的OH—。

4.最后兩個(gè)半反應(yīng)合起來(lái)應(yīng)該能得到反應(yīng)原理的離子方程式。這個(gè)可以幫助我們檢查所寫的電極反應(yīng)式是否正確。

掌握常見(jiàn)類型的原電池有助于我們書寫電極反應(yīng)式。筆者經(jīng)過(guò)多年教學(xué)總結(jié)出常見(jiàn)的原電池類型。

1.“置換式”的原電池。顧名思義，是根據(jù)置換反應(yīng)設(shè)計(jì)的原電池。它的結(jié)構(gòu)是①兩個(gè)活潑性不同的電極，可以是金屬與金屬、金屬與石墨、金屬與難溶金屬氧化物組成；②電解質(zhì)溶液，至少要能與一個(gè)電極發(fā)生氧化還原反應(yīng)；③兩電極插入電解質(zhì)溶液中且用導(dǎo)線連接。例如，F(xiàn)e-Cu-CuSO4原電池，它的設(shè)計(jì)依據(jù)就是Fe與CuSO4的置換反應(yīng)，原理是Fe+Cu2+=Fe2++Cu。利用兩頭湊的方法可以得到其電極反應(yīng)式為正極Cu2++2e-=Cu，負(fù)極Fe-2e-= Fe2+。

2.金屬吸氧腐蝕型的原電池。它的結(jié)構(gòu)是：①兩個(gè)活動(dòng)性不同的電極，較活潑的為金屬電極；②兩電極與電解質(zhì)溶液均不反應(yīng)；③形成回路。這類原電池的特點(diǎn)是電極與電解質(zhì)溶液不發(fā)生反應(yīng)，電解質(zhì)溶液只起導(dǎo)電作用。學(xué)生對(duì)這類電池不易識(shí)別，因此感覺(jué)更困惑。這類電池正極一般是O2反應(yīng)，電極反應(yīng)式：O2+2H2O+4e-=4OH-。負(fù)極一般就是金屬直接失去電子變成金屬陽(yáng)離子就可以了。比如，F(xiàn)e-C-NaCl電池，兩極均不與電解質(zhì)反應(yīng)，這個(gè)反應(yīng)的本質(zhì)就是Fe的吸氧腐蝕，負(fù)極的電極反應(yīng)式為：負(fù)極Fe-2e-=Fe2+。

3.燃料電池。它的結(jié)構(gòu)是：①兩個(gè)相同的電極，例如Pt電極。②電解質(zhì)溶液往往是堿性的或者酸性的，且不與電極或者兩極上的物質(zhì)直接反應(yīng)。③形成回路。燃料電池大多是可燃性物質(zhì)與氧氣及電解質(zhì)溶液共同組成的原電池。雖然可燃性物質(zhì)與氧氣在不同的電極反應(yīng)，但其總反應(yīng)方程式是可燃物在氧氣中燃燒。燃料電池要有氧氣參加，且在正極，故燃料電池的正極反應(yīng)式一般只有兩種情況，即酸性情況：O2+4H++4e-=2H2O 堿性情況：O2+2H2O+4e-=4OH-。由于電解質(zhì)溶液往往是堿性或酸性的，也要參與電極反應(yīng)，故負(fù)極電極反應(yīng)式書寫難度較大，但利用“兩頭湊”的方法書寫還是比較容易的。以甲烷—空氣—KOH為例的燃料電池。因?yàn)槭菈A性電池故正極的反應(yīng)式為正極：O2+4e-+2 H2O= 4OH-?！皟深^湊”法分析負(fù)極的電極反應(yīng)式。CH4燃燒會(huì)變成CO2 ，在堿性環(huán)境下CO2會(huì)被吸收轉(zhuǎn)變成CO32-。我們可以先寫出CH4=CO32-分析CH4中-4價(jià)的碳變成了+4價(jià)的碳，必須失去8個(gè)電子才能是現(xiàn)在這個(gè)轉(zhuǎn)變，CH4中+1價(jià)的H要結(jié)合OH-轉(zhuǎn)變成H2O，故最后得到負(fù)極反應(yīng)式為CH4-8e-+ 10OH-=CO32-+7H2O。

在平時(shí)的練習(xí)和考試中，我們還會(huì)遇到一些其他的原電池，但是萬(wàn)變不離其宗——氧化還原反應(yīng)。只要我們抓住這個(gè)根本，吃透上述方法，多多總結(jié)，提高我們的分析能力，原電池書寫電極反應(yīng)式的問(wèn)題便會(huì)迎刃而解。

【責(zé)編 張偉飛】