可充電電池電極反應(yīng)式的書寫及應(yīng)用

趙光海

可充電電池電極反應(yīng)式的書寫及應(yīng)用，不僅是電化學(xué)教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，更是高考的熱點(diǎn)題型之一.下面筆者就如何正確書寫電極反應(yīng)式進(jìn)行了較為詳盡的歸納，旨在“拋磚引玉”.

一、解可充電電池試題必備知識(shí)

1.對(duì)可充電電池充電和放電兩過(guò)程認(rèn)識(shí)：放電是原電池反應(yīng)，充電是電解池反應(yīng).要能根據(jù)題給總反應(yīng)式，寫出原電池總反應(yīng)式和電解池總反應(yīng)式.

2.對(duì)可充電電池電極極性和材料的判斷：判斷電池放電時(shí)電極極性和材料，可先標(biāo)出放電（原電池）總反應(yīng)式電子轉(zhuǎn)移的方向和數(shù)目，失去電子的一極為負(fù)極，該物質(zhì)即為負(fù)極材料；得到電子的一極為正極，該物質(zhì)即為正極材料.若判斷電池充電時(shí)電極極性和材料，方法同前，失去電子的一極為陽(yáng)極，該物質(zhì)即為陽(yáng)極材料；得到電子的一極為陰極，該物質(zhì)即為陰極材料.

3.可充電電池電極反應(yīng)式的書寫方法：書寫可充電電池電極反應(yīng)式，一般都是先書寫放電的電極反應(yīng)式.書寫放電的電極反應(yīng)式時(shí)，一般要遵守三步：第一，先標(biāo)出原電池總反應(yīng)式電子轉(zhuǎn)移的方向和數(shù)目，指出參與負(fù)極和正極反應(yīng)的物質(zhì)；第二，寫出一個(gè)比較容易書寫的電極反應(yīng)式（書寫時(shí)一定要注意電極產(chǎn)物是否與電解質(zhì)溶液共存）；第三，在電子守恒的基礎(chǔ)上，總反應(yīng)式減去寫出的電極反應(yīng)式即得另一電極反應(yīng)式.

充電的電極反應(yīng)與放電的電極反應(yīng)過(guò)程相反，充電的陽(yáng)極反應(yīng)為放電正極反應(yīng)的逆過(guò)程，充電的陰極反應(yīng)為放電負(fù)極反應(yīng)的逆過(guò)程.

4.對(duì)可充電電池某電極是發(fā)生氧化還是還原反應(yīng)及某元素被氧化還是被還原的判斷：可根據(jù)電極反應(yīng)式進(jìn)行分析，放電（原電池）的負(fù)極及充電（電解池）的陽(yáng)極均失去電子，發(fā)生了氧化反應(yīng)，其變價(jià)元素被氧化；放電（原電池）的正極及充電（電解池）的陰極均得到電子，發(fā)生了還原反應(yīng)，其變價(jià)元素被還原.

5.對(duì)溶液中離子的移動(dòng)方向判斷：放電時(shí)，陰離子移向負(fù)極，陽(yáng)離子移向正極；充電時(shí)，陰離子移向陽(yáng)極，陽(yáng)離子移向陰極.

6.可充電電池充電時(shí)與電源的連接：可充電電池用完后充電時(shí)，原電池的負(fù)極與外電源的負(fù)極相連，原電池的正極與外電源的正極相連.

7.有關(guān)電化學(xué)的計(jì)算：有關(guān)電化學(xué)的計(jì)算都必須利用電子守恒，要注意各電極轉(zhuǎn)移的電子數(shù)均相等.這類計(jì)算通常有計(jì)算電極的增重或較少量、溶液的pH、溶液的離子濃度、電子轉(zhuǎn)移的數(shù)目等.

二、可充電電池試題的解題策略

綜觀歷年高考試題可發(fā)現(xiàn)，解可充電電池試題的關(guān)鍵在于能否正確書寫電極反應(yīng)式.書寫電極反應(yīng)式的關(guān)鍵是能否正確書寫放電時(shí)的電極反應(yīng)式.要正確書寫放電時(shí)的電極反應(yīng)式，既要弄清得失電子的物質(zhì)，還要特別注意電極產(chǎn)物是否與電解質(zhì)溶液共存，要寫出實(shí)際存在的電極反應(yīng)式.然后根據(jù)原電池的負(fù)極反應(yīng)與電解池的陽(yáng)極反應(yīng)、原電池的正極反應(yīng)與電解池的陰極反應(yīng)互為逆反應(yīng)，即可快速寫出充電時(shí)的電極反應(yīng)式.各電極反應(yīng)式順利寫出以后，即可正確解題.

三、有關(guān)可充電電池高考試題題型分析

1.可充電電池電極極性和材料判斷

例1鎳鎘（Ni-Cd）可充電電池在現(xiàn)代生活中有廣泛應(yīng)用，它的充放電反應(yīng)按下式進(jìn)行：Cd+2NiO（OH）+2H2O放電充電Cd（OH）2+2Ni（OH）2.由此可知，該電池放電時(shí)的負(fù)極材料是

A.Cd（OH）2B.Ni（OH）2C.CdD.NiO（OH）

解析要理解鎳鎘電池放電和充電的過(guò)程.放電是原電池反應(yīng)，根據(jù)題給條件知放電（原電池）時(shí)的總反應(yīng)式為：Cd+2NiO（OH）+2H2OCd（OH）2+2Ni（OH）2.標(biāo)出原電池總反應(yīng)式電子轉(zhuǎn)移的方向和數(shù)目指出，即可知道參與負(fù)極反應(yīng)的物質(zhì)：

從上式可知，Cd可作負(fù)極材料，參與負(fù)極反應(yīng).故應(yīng)選C.

點(diǎn)評(píng)：此類試題考查可充電電池電極極性和材料判斷，首先要準(zhǔn)確判斷充電、放電分別表示什么反應(yīng)（原電池反應(yīng)還是電解池反應(yīng)），并寫出充電、放電的總反應(yīng)式，然后在總反應(yīng)式上標(biāo)出電子轉(zhuǎn)移的方向和數(shù)目，即可正確判斷可充電電池電極極性和材料.

2.可充電電池電極反應(yīng)式的書寫和判斷

例2高鐵電池是一種新型可充電電池，與普通高能電池相比，該電池長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定的放電電壓.高鐵電池的總反應(yīng)為3Zn+2K2FeO4+8H2O3Zn（OH）2+2Fe（OH）3+4KOH，下列敘述不正確的是

A.放電時(shí)負(fù)極反應(yīng)為：Zn-2e-+2OH-Zn（OH）2

B.充電時(shí)陽(yáng)極反應(yīng)為：Fe（OH）3-3e-+5OH-FeO2-4+4H2O

C.放電時(shí)每轉(zhuǎn)移3 mol電子，正極有1 mol K2FeO4被氧化

D.放電時(shí)正極附近溶液的堿性增強(qiáng)

解析高鐵電池放電作用是原電池的功能，其總反應(yīng)式為：

3Zn+2K2FeO4+8H2O3Zn（OH）2+2Fe（OH）3+4KOH

根據(jù)上述書寫電極反應(yīng)式的方法可知，

負(fù)極反應(yīng)為：Zn-2e-+2OH-Zn（OH）2

正極反應(yīng)為：FeO2-4+4H2O+3e-Fe（OH）3+5OH-

A正確；

充電就是發(fā)生電解池反應(yīng)，其總反應(yīng)式為：

3Zn（OH）2+2Fe（OH）3+4KOH

3Zn+2K2FeO4+8H2O

根據(jù)上述書寫電極反應(yīng)式的方法可知，

陽(yáng)極反應(yīng)為：Fe（OH）3+5OH--3e-FeO2-4+4H2O

B正確.

放電時(shí)每轉(zhuǎn)移3 mol電子，正極有1 mol K2FeO4被還原為Fe（OH）3，而不是被氧化，C錯(cuò)誤.

根據(jù)正極反應(yīng)式

FeO2-4+4H2O +3e-Fe（OH）3+5OH-

知，放電時(shí)生成OH-，故正極附近溶液的堿性增強(qiáng).故本題應(yīng)選C.

點(diǎn)評(píng)本題主要考查電極反應(yīng)式的書寫、電解質(zhì)溶液的酸堿性變化、及氧化還原反應(yīng)等知識(shí)，側(cè)重考查考生對(duì)原電池和電解池原理的理解及分析問(wèn)題的能力.

3.可充電電池電極發(fā)生氧化、還原反應(yīng)及元素被氧化、被還原判斷

例3某可充電的鋰離子電池以LiMn2O4為正極，嵌入鋰的碳材料為負(fù)極，含Li+導(dǎo)電固體為電解質(zhì).放電時(shí)的電池反應(yīng)為：Li+LiMn2O4Li2Mn2O4.下列說(shuō)法正確的是

A.放電時(shí)，LiMn2O4發(fā)生氧化反應(yīng)

B.放電時(shí)，正極反應(yīng)為：Li++LiMn2O4+e-Li2Mn2O4

C.充電時(shí)，LiMn2O4發(fā)生氧化反應(yīng)

D.充電時(shí)，陽(yáng)極反應(yīng)為：Li++e-Li

解析放電時(shí)作為電源來(lái)用，根據(jù)放電時(shí)的電池反應(yīng)知，

負(fù)極反應(yīng)式為：Li-e-Li+

正極反應(yīng)式為：Li++LiMn2O4+e-Li2Mn2O4，

B正確，但LiMn2O4發(fā)生還原反應(yīng)，A錯(cuò)誤.充電時(shí)，

陰極反應(yīng)式為：Li++e-Li，D錯(cuò)誤，

陽(yáng)極反應(yīng)式為：Li2Mn2O4-e-Li++LiMn2O4，

故應(yīng)是Li2Mn2O4發(fā)生氧化反應(yīng)，而不是LiMn2O4，C錯(cuò)誤.本題應(yīng)選B.

點(diǎn)評(píng)本題主要考查電化學(xué)知識(shí)和氧化還原反應(yīng)的有關(guān)知識(shí)，雖然新型電池增加了試題的陌生度，但考查原電池及電解池的原理不變，這是解答本類試題的關(guān)鍵.

4.可充電電池離子的移動(dòng)方向判斷及總反應(yīng)式的書寫

例4鋰離子電池已成為新一代實(shí)用化的蓄電池，該電池具有能量密度大、電壓高的特性.鋰離子電池放電時(shí)的電極反應(yīng)式為：

負(fù)極反應(yīng)：C6Li-xe-C6Li1-x+xLi+

（C6Li表示鋰原子嵌入石墨形成的復(fù)合材料）

正極反應(yīng)：Li1-xMO2+xLi++xe-LiMO2

（LiMO2表示含鋰的過(guò)渡金屬氧化物）

下列有關(guān)說(shuō)法正確的是

A.鋰離子電池充電時(shí)電池反應(yīng)為

C6Li+Li1-xMO2LiMO2+C6Li1-x

B.電池反應(yīng)中鋰、鋅、銀、鉛各失1 mol電子，金屬鋰所消耗的質(zhì)量最小

C.鋰離子電池放電時(shí)電池內(nèi)部Li+向負(fù)極移動(dòng)

D.鋰離子電池充電時(shí)陰極反應(yīng)為

C6Li1-x+xLi++xe-C6Li

解析將放電的兩電極反應(yīng)式在電子守恒的基礎(chǔ)上相加即得放電時(shí)的總反應(yīng)式：

C6Li+Li1-xMO2LiMO2+C6Li1-x

充電時(shí)的總反應(yīng)式應(yīng)為放電總反應(yīng)式的逆反應(yīng)，故A錯(cuò)誤；在鋰、鋅、銀、鉛金屬中，鋰的摩爾質(zhì)量最小，所以各失去1 mol電子，消耗金屬鋰的質(zhì)量最小，B正確.電池工作時(shí)，陰離子向負(fù)極移動(dòng)，陽(yáng)離子向正極移動(dòng)，C錯(cuò)誤.充電時(shí)的陰極反應(yīng)與放電時(shí)的負(fù)極反應(yīng)互為逆反應(yīng)，故D正確.本題應(yīng)選B、D.

點(diǎn)評(píng)本題以鋰離子電池為背景材料，全面考查了蓄電池的反應(yīng)原理、電極反應(yīng)、離子流向等知識(shí)，要求考生能將所學(xué)知識(shí)靈活遷移運(yùn)用.