淺談原電池中電極反應(yīng)方程式的書(shū)寫(xiě)

李太平

摘 要：原電池是高中化學(xué)的重點(diǎn)章節(jié)，而其中電極反應(yīng)方程式的知識(shí)已成為近幾年能力測(cè)評(píng)的重要內(nèi)容之一。原電池與其他的能源相比有許多的優(yōu)點(diǎn)，如能量轉(zhuǎn)換率高，可制成各種形狀，不同容量、電壓的電池及電池組，在現(xiàn)代生活、科研、國(guó)防中都有廣泛的應(yīng)用。正是由于這些原因，高考關(guān)于原電池的考題頻頻出現(xiàn)，電極反應(yīng)方程式的書(shū)寫(xiě)更是考查的重點(diǎn)。原電池可根據(jù)電解質(zhì)狀態(tài)的不同分為不同類(lèi)別。該文從不同類(lèi)型的原電池對(duì)電極式反應(yīng)的書(shū)寫(xiě)、步驟及應(yīng)注意的問(wèn)題等方面做以歸納小結(jié)。

關(guān)鍵詞：原電池 電極反應(yīng)式 電解質(zhì)材料 書(shū)寫(xiě)方法

中圖分類(lèi)號(hào)：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）01（a）-0206-01

原電池的電解質(zhì)材料可分為水性（酸性、中性或堿性）電解質(zhì)、熔融態(tài)電解質(zhì)和固體（氧化物或離子交換膜）電解質(zhì)三種。下面就結(jié)合具體例子分別說(shuō)明這三種情況下電極反應(yīng)方程式的書(shū)寫(xiě)方法。

1 原電池正負(fù)極的判斷

對(duì)于絕大多數(shù)原電池可以根據(jù)兩極材料判斷：一般活潑金屬為負(fù)極，活潑性較弱的金屬或能導(dǎo)電的非金屬為正極。而對(duì)于一些特殊的原電池需要根據(jù)電解質(zhì)溶液來(lái)判斷電極：能與電解質(zhì)溶液反應(yīng)的電極為負(fù)極，不能與電解質(zhì)溶液反應(yīng)的為正極。例如：鎂、鋁為電極，氫氧化鈉溶液為電解質(zhì)溶液，雖然鎂比鋁活潑，但是由于鎂不與氫氧化鈉溶液反應(yīng)，鋁能與氫氧化鈉溶液反應(yīng)，所以鋁為負(fù)極、鎂為正極。還可以通過(guò)氧化還原反應(yīng)判斷：失去電子發(fā)生氧化的是負(fù)極，得到電子發(fā)生還原反應(yīng)的是正極。

2 水性電解質(zhì)中的電極反應(yīng)

對(duì)于水性電解質(zhì)，要注意電解質(zhì)溶液的酸堿性。在正負(fù)極上發(fā)生的電極反應(yīng)不是孤立的，它往往與電解質(zhì)溶液緊密聯(lián)系。如氫-氧燃料電池就分酸式和堿式兩種，在酸性溶液中的電極反應(yīng)：

負(fù)極：2H2-4e-=== 4H+

正極：O2+4H++4e-=== 2H2O

如果是在堿性溶液中，則不可能有H+出現(xiàn)，同樣在酸性溶液中，也不能出現(xiàn)OH-。當(dāng)負(fù)極氣體為CH4、CH3OH等燃料時(shí)，電池以堿性溶液作為電解質(zhì)，此時(shí)碳元素是以CO32-形式存在的，而不是放出CO2。

若是金屬在負(fù)極參與反應(yīng)的原電池，寫(xiě)電極反應(yīng)式時(shí)要注意在負(fù)極產(chǎn)生的金屬陽(yáng)離子能否和溶液中的OH-反應(yīng)，判斷的依據(jù)就是看該金屬的氫氧化物是否能溶。如堿性鎳-鎘電池，該電池以Cd和NiOOH作電極材料，NaOH作電解質(zhì)溶液。

負(fù)極：Cd+2OH--2e-=== Cd（OH）2

正極：2NiOOH+2H2O+2e-===2Ni（OH）2+2OH-

總反應(yīng)式為：Cd+2NiOOH+2H2O === Cd（OH）2+2Ni（OH）2

再如可用于電動(dòng)汽車(chē)的鋁-空氣燃料電池，通常以NaOH溶液為電解液，鋁合金為負(fù)極，空氣電極為正極。

負(fù)極：Al+4OH--3e-===AlO2-+2H2O

正極：O2+4e-+2H2O === 4OH-

由于電解質(zhì)溶液顯堿性，負(fù)極反應(yīng)應(yīng)該是鋁失去電子變?yōu)殇X離子，在氫氧化鈉的溶液中鋁離子繼續(xù)與過(guò)量的堿反應(yīng)生成偏鋁酸根。同時(shí)可以寫(xiě)出該反應(yīng)的總反應(yīng)方程式：4Al+3O2+4OH-===4AlO2-+ 2H2O，由此看出反應(yīng)消耗OH-，溶液pH降低。

而同樣是鋁作負(fù)極，中性溶液作為電解質(zhì)時(shí)，負(fù)極反應(yīng)則又有不同。當(dāng)電解質(zhì)銀器日久表面生成黑色Ag2S，可將流銀器置于盛食鹽水的鋁制容器中，又能恢復(fù)銀白。H2O中的OH-和H+分別參與了兩極的反應(yīng)。

負(fù)極：Al-3e-+3OH- === Al（OH）3↓

正極：Ag2S+2e-+2H+ === 2Ag+H2S↑

總反應(yīng)為：

2Al+3Ag2S+6H2O===2Al（OH）3↓+6Ag↓+3H2S↑（H2O的電離）

3 熔融電解質(zhì)中的電極反應(yīng)

熔融鹽燃料電池具有高的發(fā)電效率，常在高溫（600℃～700℃）環(huán)境下使用，具有效率高（高于40%）、噪音低、無(wú)污染、燃料多樣化（氫氣、煤氣、天然氣和生物燃料等）、余熱利用價(jià)值高和電池構(gòu)造材料價(jià)廉等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而在現(xiàn)今社會(huì)生產(chǎn)中受到重視。

可用Li2CO3和Na2CO3的熔融鹽混合物作電解質(zhì)，CO為陽(yáng)極染氣，空氣與CO2的混合氣為陰極助燃?xì)?，制得?50℃下工作的燃料電池。由于電解質(zhì)為熔融狀態(tài)，O2得電子后結(jié)合CO2生成CO32-。因此該電池的電極反應(yīng)式為：

正極：O2+2CO2+4e- === 2CO32-（持續(xù)補(bǔ)充CO2氣體）

負(fù)極：2CO+2CO32--4e- === 4CO2

由于陽(yáng)極氣和陰極氣反應(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)式為：2CO+O2===2CO2

4 固體電解質(zhì)中的電極反應(yīng)

固體電解質(zhì)是離子遷移速度較高的固態(tài)物質(zhì)，因?yàn)槭枪腆w，具有一定的形狀和強(qiáng)度。對(duì)于多數(shù)固體電解質(zhì)而言，只有在較高溫度下，才能達(dá)到較高的電導(dǎo)率，因此固體電解質(zhì)的電化學(xué)實(shí)際上是高溫電化學(xué)。

ZrO2具有很好地耐高溫性能以及化學(xué)穩(wěn)定性，可用于制作燃料電池，一個(gè)電極通入空氣；另一電極通入汽油蒸氣。其中固體電解質(zhì)是摻雜了Y2O3（Y：釔）的ZrO2（Zr：鋯）固體。這種固態(tài)電解質(zhì)在高溫下允許O2-通過(guò)。以丁烷（C4H10）代表汽油。電解質(zhì)晶體不參加反應(yīng)，原電池放電時(shí)，丁烷（C4H10）與氧氣發(fā)生氧化還原反應(yīng)。電解質(zhì)晶體傳導(dǎo)的是O2-，因此氧氣得到電子后生成的O2-可直接存在于電解質(zhì)之中，并繼續(xù)參與負(fù)極發(fā)生的反應(yīng)。固體電解質(zhì)里O2-的移動(dòng)方向是從正極移向負(fù)極，負(fù)極丁烷向外電路釋放電子。電極反應(yīng)式應(yīng)表示為：

正極：O2+4e- === 2O2-

負(fù)極：2C4H10-52e-+26O2- ===8CO2+10H2O

總反應(yīng)：2C4H10+13O2=== 8CO2+10H2O

基于以上的分析討論，不難發(fā)現(xiàn)，對(duì)于不同類(lèi)型的原電池，書(shū)寫(xiě)電極反應(yīng)所要注意的點(diǎn)也不同。因此以對(duì)電解質(zhì)分類(lèi)的方法來(lái)講授電極反應(yīng)方程式進(jìn)行狀況，可以在一定程度上使課程更加科學(xué)化、條理化。

參考文獻(xiàn)

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