淺談原電池電極反應(yīng)式的書寫

孫克俊

高中化學(xué)有關(guān)原電池的題型，我們的學(xué)生都很怕，特別是電極反應(yīng)式的書寫，很多學(xué)生都搞暈了，如何較輕松的解決書寫電極反應(yīng)式這一問題，關(guān)鍵還是要掌握書寫電極反應(yīng)式的書寫技巧。

教師要讓學(xué)生熟悉掌握原電池的原理，即較活潑的金屬發(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，廣義的原電池原理應(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強(qiáng)的物質(zhì)（正極）。所以，可以利用原電池原理將其它的氧化還原反應(yīng)設(shè)計(jì)成各種不同的電池（如燃料電池等）。根據(jù)原電池原理可得：

負(fù)極：失電子，發(fā)生氧化反應(yīng)，電極材料為還原性較強(qiáng)的物質(zhì)。

正極：得電子，發(fā)生還原反應(yīng)，電極材料為氧化性較強(qiáng)的物質(zhì)或惰性電極。

要準(zhǔn)確寫電極反應(yīng)式，最主要的是先把握好總的反應(yīng)，我們可以通過總反應(yīng)進(jìn)行拆分，結(jié)合反應(yīng)環(huán)境，進(jìn)一步寫出正負(fù)電極的反應(yīng)式，即從總反應(yīng)厘清氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)的物質(zhì)。

一、有金屬參與的原電池要看哪種金屬更容易與原電池中的電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，容易反應(yīng)的為負(fù)極

（1）Mg、Al在酸性（非氧化性酸）環(huán)境中構(gòu)成原電池時(shí)，請分別寫出正負(fù)極的反應(yīng)式。解析：在酸性環(huán)境中Mg比Al活潑，活潑金屬做負(fù)極，所以Mg作負(fù)極，其反應(yīng)實(shí)質(zhì)為Mg的析氫反應(yīng)，即：負(fù)極：Mg→Mg2++2e-，正極：2H++2e-→H2↑，總反應(yīng)式：Mg+2H+=Mg2++H2↑。

（2）較活潑金屬也不一定做負(fù)極，要看哪種金屬自發(fā)發(fā)生反應(yīng)：如上述Mg、Al若在堿性環(huán)境中構(gòu)成的原電池，請分別寫出正負(fù)極的反應(yīng)式。解析：在堿性環(huán)境中Al卻比Mg更容易與堿溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其反實(shí)質(zhì)為Al與堿溶液的反應(yīng)，所以為負(fù)極。即：負(fù)極：2Al+8OH-→2[Al（OH）4]-+6e-，正極：6H2O+6e-→3H2↑+6OH-，總反應(yīng)式：2Al+2OH-+6H2O=2AlO2-+3H2↑+4H2O。本來負(fù)極：Al-3e-=Al3+，但Al3+在堿性環(huán)境不能穩(wěn)定存在，會(huì)與OH-（過量）結(jié)合轉(zhuǎn)化為[Al（OH）4]-。

二、燃料電池電極反應(yīng)式

燃料電池基本都是可燃性物質(zhì)、氧氣和電解質(zhì)溶液共同組成的原電池，可燃性物質(zhì)與氧氣在不同的電極反應(yīng)的總反應(yīng)方程式基本都是可燃物在氧氣中燃燒。還要考慮到電解質(zhì)溶液是否與燃燒產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，如果會(huì)反應(yīng)，再寫出燃燒產(chǎn)物與電解質(zhì)溶液反應(yīng)的方程式，從而得到總反應(yīng)方程式。這一步對大多數(shù)學(xué)生而言沒什么難度。由于在反應(yīng)中氧氣由0價(jià)變?yōu)?2價(jià)，得電子，即O2作氧化劑是正極，接下來我們就可以寫出正極的電極反應(yīng)式：當(dāng)電解質(zhì)溶液為酸性，反應(yīng)過程可以理解為：正極上首先發(fā)生：O2+4e-→2O2-，因?yàn)槭窃谒嵝原h(huán)境中大量存在H+，所以O(shè)2-會(huì)與H+結(jié)合成H20，所以正極反應(yīng)式為：O2+4e-+4H+→2H2O；當(dāng)電解質(zhì)為中性或堿性時(shí)，正極反應(yīng)式就應(yīng)只是O2+4e-+2H2O→4OH-，負(fù)極的反應(yīng)式一般不容易直接寫出，我們采取的方法是由總電極方程式減去正極的電極方程式就得到負(fù)極的反應(yīng)式。

如：由甲醇和氧氣以及強(qiáng)堿作電解質(zhì)溶液的新型手機(jī)電池。

解析：CH3OH+O2→CO2+H2O……①，CO2在堿性環(huán)境中不存在，會(huì)與OH-反應(yīng)生成CO32-，CO2+2OH-=CO32-+H2O……②，①+②式即為總反應(yīng)：2CH3OH+3O2+4OH-=2CO32-+6H2O……③，正極反應(yīng)式為氧氣得電子的反應(yīng)：即O2+2H2O+4e-→4OH_……④，因電解質(zhì)溶液為堿性，故正極的產(chǎn)物不會(huì)進(jìn)一步反應(yīng)，則負(fù)極的反應(yīng)式為總反應(yīng)方程式減去正極的反應(yīng)式得2CH3OH+3O2+4OH--3O2-6H2O-12e-→2CO32-+6H2O-12OH-，調(diào)整之后得：CH3OH+8OH-→CO32-+6H2O+6e-。

三、電極產(chǎn)物的判斷

陰極與電源負(fù)極相連，得電子發(fā)生還原反應(yīng)。其規(guī)律有兩個(gè)：一是電極本身不參加反應(yīng)；二是電解質(zhì)溶液中氧化性強(qiáng)的陽離子先得電子，如Ag+>Fe3+>Cu2+>H+>Pb2+>Sn2+>Fe2+>Zn2+，要注意到金屬活動(dòng)性順序表中Al及Al前面的金屬離子在溶液中不放電。

陽極與電源正極相連，失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)。其規(guī)律有兩個(gè)：一是若陽極為非惰性電極（除Pt、Au之外的金屬作電極），電極本身失去電子被氧化，電解質(zhì)溶液中的陰離子不參與電極反應(yīng)；二是若陽極為惰性電極（Pt、Au或非金屬作電極），電解質(zhì)溶液中還原性強(qiáng)的陰離子失去電子被氧化，如S2->I->Br->Cl->OH->含氧酸根。

四、電極反應(yīng)的書寫

由活潑性不同的金屬（或一種是非金屬單質(zhì)）構(gòu)成的原電池的電極反應(yīng)式比較簡單，較好書寫，其它種類的氧化還原反應(yīng)而設(shè)計(jì)的電池，書寫電極反應(yīng)式比較難，通過多年實(shí)踐，總結(jié)歸納有這么幾個(gè)步驟：①要分析氧化還原反應(yīng)實(shí)質(zhì)，確定氧化劑、還原劑及得失電子數(shù)目；②搞清電解質(zhì)溶液（介質(zhì)），比如有些原電池的負(fù)極與電解質(zhì)溶液中離子發(fā)生反應(yīng)，那么正極就生成相應(yīng)離子；③兩電極反應(yīng)式進(jìn)行合并，消去兩邊相同的離子，得到總的氧化還原反應(yīng)的方程式。我們要靈活運(yùn)用電荷守恒和原子守恒等這些原理。

例如：宇宙飛船上的氫氧燃料電池，電池反應(yīng)總方程式為：2H2+O2=2H2O，請寫出電解質(zhì)溶液為鹽酸時(shí)的電極反應(yīng)式，并指出各電極和介質(zhì)溶液的pH的變化，若電解質(zhì)溶液為KOH時(shí)又如何？

分析：在負(fù)極氫氣失去電子，發(fā)生氧化反應(yīng)；在正極氧氣得到電子，發(fā)生還原反應(yīng)。若消耗H+，則pH增大；若消耗OH-，則pH減?。蝗羯蒓H-，則pH增大；若生成H+，則pH減小。

若稀釋酸溶液，則pH增大；若稀釋堿溶液，則pH減小。

解：若電解質(zhì)為鹽酸時(shí)：負(fù)極：2H2-4e-=4H+，pH變?。ㄉ蒆+，pH變?。?，正極：O2+4H++4e-=2H2O，pH變大（消耗H+，pH變大），結(jié)論：溶液被稀釋，pH變大。

若電解質(zhì)為KOH時(shí)：負(fù)極：2H2-4e-+4OH-=4H2O，pH變?。ㄏ腛H-，則pH減?。?，正極：O2+2H2O+4e-=4OH-，pH變大（生成OH-，則pH增大），結(jié)論：溶液被稀釋，pH變小。

再如：鉛蓄電池的電極分別是Pb、PbO2，電解質(zhì)是某濃度的硫酸溶液，電池的反應(yīng)方程式為：PbO2+Pb+2H2SO4=2PbSO4+2H2O。請分別寫出其電極反應(yīng)式。請寫出放電時(shí)的電極反應(yīng)。分析：在負(fù)極Pb失去電子，發(fā)生氧化反應(yīng)；在正極PbO2得到電子，發(fā)生還原反應(yīng)。

解：負(fù)極：Pb+SO42--2e-=PbSO4，正極：PbO2+4H++SO42-+2e-=PbSO4+2H2O。總之：原電池書寫時(shí)，要記清負(fù)極是失電子，發(fā)生氧化反應(yīng)。而正極是得電子，發(fā)生還原反應(yīng)?？偡磻?yīng)式（電池反應(yīng)）=正極反應(yīng)式+負(fù)極反應(yīng)式，對于可逆電池，一定要看清楚“充電、放電”的方向。放電的過程應(yīng)用原電池原理，充電的過程卻要應(yīng)用電解池原理。