例析原電池原理的考查方式

謝改雯

一、考查所給裝置是否原電池

解決這類題型必須清楚構(gòu)成原電池的條件：（1）有兩種活動性不同的金屬作電極（或一種惰性電極，如石墨電極、鉑電極。），例如：Zn-Cu，Cu-Ag，Zn-石墨，Cu-Pt均可以是組成原電池的兩個電極的材料;（2）電極材料均插入電解質(zhì)溶液中;（3）兩極相連與電解質(zhì)溶液共同構(gòu)成閉合回路。要構(gòu)成一個原電池，必須滿足這樣的三個條件，缺一不可，缺少其中的任意一個條件均不能構(gòu)成原電池，如對表1中各種裝置的判斷。

表1

歸納總結(jié)在判斷一個裝置是否原電池時，應(yīng)該注意這樣三點：（1）不要計較電極的形狀和大小;（2）不要計較閉合電路的形成方式，可以有導線，也可以不用導線，只要讓兩個電極互相連通就行;（3）也不必考慮電解質(zhì)的成分，可以是一種溶質(zhì)，也可以是多種溶質(zhì)的電解質(zhì)溶液;可以是強電解質(zhì)溶液，也可以是弱電解質(zhì)溶液。

二、考查電極反應(yīng)式的書寫

表2

表2列出了幾種裝置電極反應(yīng)式的書寫，一般說來，簡單的原電池負極的電極反應(yīng)一般是負極金屬本身失電子變成金屬陽離子：

R-ne-Rn+，比較容易寫出;正極上的反應(yīng)相對復雜一些，需要判斷出溶液中的哪種微粒在正極板上得電子，這取決于溶液中各種微粒得電子能力的相對大小，這是正確寫出正極上電極反應(yīng)式的關(guān)鍵。常見的有這樣三種情況，（1）酸性溶液中，H+得電子，發(fā)生析出氫氣的反應(yīng)，可以看作金屬的析氫腐蝕;（2）在弱酸性、中性溶液中，通常溶液中的O2得電子，可以看作是負極發(fā)生吸氧反應(yīng);（3）當溶液中有金屬活動順序表中H后面的金屬陽離子時，通常該金屬陽離子得電子，如Cu2+、Fe3+、Ag+等。

這是一些簡單原電池的電極反應(yīng)式的書寫。但是對于一些實用電池的電極反應(yīng)式的書寫，則要認真思考。

例1鉛蓄電池是化學電源，其電極材料分別是Pb和PbO2，電解質(zhì)溶液為稀硫酸。工作時，電池的總反應(yīng)為PbO2+Pb+2H2SO42PbSO4+2H2O，其中PbSO4不溶于水也不溶于稀硫酸。根據(jù)上述情況判斷：（1）蓄電池的負極是，其電極反應(yīng)式為。

（2）蓄電池的正極是，其電極反應(yīng)式為。

（3）蓄電池工作時，其中電解質(zhì)溶液的pH（填“增大”、“減小”或“不變”）。

解析從電池的總反應(yīng)，可以看出Pb的化合價升高、失去了電子，因而作負極。這時，有些學生可能會將電極反應(yīng)式寫作Pb-2e-Pb2+。這里需要特別提醒注意的是：因為PbSO4不溶于水，不溶于稀硫酸，所以生成的Pb2+并不能存在于電解質(zhì)溶液中，必須與溶液中的SO2-4繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)生成PbSO4（Pb2++SO2-4PbSO4），所以，負極周圍發(fā)生的電極反應(yīng)為：Pb-2e-+SO2-4PbSO4。

同理，從總反應(yīng)上看，得電子的物質(zhì)是PbO2，所以正極是PbO2，首先發(fā)生的變化應(yīng)該是PbO2+2e-Pb2++2O2-，在水溶液中，O2-是不會存在的，它有兩個去向：在酸性溶液中與氫離子結(jié)合生成水，即2O2-+4H+2H2O;在中性或堿性條件下與水結(jié)合生成OH-，即2O2-+2H2O4OH-。這里顯然是前一種情況，也就是說，在正極PbO2及其周圍發(fā)生了兩個連續(xù)的變化：PbO2+2e-Pb2++2O2-和2O2-+4H+2H2O，兩個連續(xù)發(fā)生的反應(yīng)的反應(yīng)式相加的結(jié)果就是正極上的電極反應(yīng)式：PbO2+2e-+4H++SO2-4PbSO4+2H2O。

由于鉛蓄電池在工作過程中硫酸被消耗，濃度降低，所以電解質(zhì)溶液的pH會增大。

歸納總結(jié)書寫實用電池的電極反應(yīng)式時，要注意三個問題：（1）兩極得失電子數(shù)要相等;（2）電極反應(yīng)不單純是電極自身的反應(yīng)，而是這個電極及其周圍的區(qū)域發(fā)生的反應(yīng)，也就是說一定要考慮電解質(zhì)溶液對電極反應(yīng)的影響;（3）當已知電池的總反應(yīng)時，如果能夠判斷出某一極的電極反應(yīng)，則可以利用兩極反應(yīng)之和等于電池的總反應(yīng)這一重要關(guān)系，推斷并寫出另一電極上的反應(yīng)式。

三、考查推斷反應(yīng)現(xiàn)象

圖1例2如圖1所示，將一個鐵片和石墨片用導線連接后，放在一張濾紙上并壓緊，使三者充分接觸， 并不斷向濾紙上滴加飽和食鹽水和酚酞的混合液，一段時間后。

（1）先變紅的區(qū)域在 ? ? ? 附近，該電極是 ? ?極。

（2）寫出兩極上的電極反應(yīng)式 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 。

解析從原電池的構(gòu)成條件不難發(fā)現(xiàn)，鐵片、石墨、導線、食鹽水構(gòu)成了一個原電池裝置，其中鐵片為負極，石墨為正極。負極上的電極反應(yīng)為：2Fe-4e-2Fe2-，正極上的電極反應(yīng)為：O2+2H2O+4e-4OH-，于是先變紅的區(qū)域為石墨片附近，該電極為正極。

歸納總結(jié)解決這類問題時注意：若要分析原電池在工作過程中出現(xiàn)的現(xiàn)象，必須先分析原電池的兩極、以及電解質(zhì)溶液中所發(fā)生的反應(yīng)，由反應(yīng)結(jié)果去推斷反應(yīng)的現(xiàn)象。

四、考查條件對化學反應(yīng)速率的影響

例3為了探究金屬腐蝕的條件和快慢，某課外學習小組用不同金屬絲將三根大小相同的普通鐵釘分別固定在圖2所示的三個裝置內(nèi)，并將這些裝置在相同的環(huán)境中放置一段時間，鐵釘腐蝕最嚴重的是 ? ? ?（填a、b或c），鐵釘幾乎未被腐蝕的是 ? （填a、b或c）。

圖2

解析電化學腐蝕是造成鋼鐵腐蝕的主要原因。電化學腐蝕的機理是構(gòu)成原電池。乍一看，三個裝置中，鐵釘都沒有與液體接觸，都沒有形成原電池。實際上，只有鐵釘c由于濃硫酸的強吸水性而處于干燥的環(huán)境，所以沒有形成原電池而幾乎不會被腐蝕。鐵釘a、b處于酸性潮濕的環(huán)境中，表面上會形成一層酸性液膜，這層液膜與鐵和碳能形成無數(shù)微小原電池而被腐蝕。同時，鐵釘b還與銅絲形成另一個宏觀上的原電池，腐蝕就更快，所以，腐蝕最嚴重的是鐵釘b，幾乎未被腐蝕的是鐵釘c。

五、考查按要求設(shè)計原電池

例4某原電池的總反應(yīng)方程式是：

Zn+Cu2+Zn2++Cu

該原電池組成是（ ? ）。

電解質(zhì)溶液正極負極

ACuCl2溶液ZnMg

BCuCl2溶液CuZn

CZnCl2溶液ZnCu

DZnCl2溶液CuZn

解析從給出的總反應(yīng)可以看出：Zn化合價升高，失去電子，所以Zn一定作負極，然后只要找比Zn活動差的金屬電極或惰性電極作正極都可以。得電子的是Cu2+，則電解質(zhì)溶液中必須含有Cu2+，硫酸銅、氯化銅、硝酸銅溶液都可以。所以這題的答案應(yīng)該是BD。

歸納總結(jié)在解決這類習題時，必須要抓住電池的總反應(yīng)中化合價的變化作為出發(fā)點來進行分析和設(shè)計。

（收稿日期：2015-06-10）