例談“高考復(fù)習(xí)中電極方程式書寫”的難點(diǎn)突破

周錦

回顧近幾年各地高考試卷中的有關(guān)電化學(xué)的考題，可以看出電化學(xué)作為高中化學(xué)知識(shí)中的一個(gè)重難點(diǎn)，是一個(gè)出現(xiàn)頻率達(dá)到百分百的考點(diǎn)。這類考題往往設(shè)置的背景新穎，采用目前比較先進(jìn)的原電池或者電解池技術(shù)作為考題背景。學(xué)生在面對(duì)這些考題時(shí)面臨的困難很多，耗時(shí)長(zhǎng)，得分低。其中又以電極方程式的書寫失分最多。本文從電化學(xué)原理出發(fā)，結(jié)合一些新型電化學(xué)裝置，歸納出電極方程式書寫的三步法，幫助學(xué)生快速準(zhǔn)確地書寫出各類電化學(xué)裝置中的電極方程式。

一、背景知識(shí)

學(xué)生在學(xué)習(xí)“三步法”書寫電極方程式之前，應(yīng)首先掌握電化學(xué)的基本原理以及氧化還原反應(yīng)的一般規(guī)律。所需電化學(xué)知識(shí)為：兩極的得失電子情況；溶液中的離子移動(dòng)方向；電路中電子及電流的方向。氧化還原反應(yīng)知識(shí)為：失電子價(jià)態(tài)升高，得電子價(jià)態(tài)降低；一些常用元素的化合價(jià)判斷。學(xué)生只需掌握以上知識(shí)，就可以開始學(xué)習(xí)“三步法”書寫電極方程式。所以，這種方法的突出優(yōu)點(diǎn)在于起點(diǎn)低，效率高。

二、“三步法”書寫電極方程式的具體步驟

第一步：找物質(zhì)

在電化學(xué)裝置中，存在一些一般規(guī)律。

例如，在確定了正負(fù)極或者陰陽極后，則一定存在負(fù)極（陽極）失電子，元素價(jià)態(tài)升高；正極（陰極）得電子，元素價(jià)態(tài)降低。因此，無論何種電極，電極方程式必然是氧化還原反應(yīng)。所以找物質(zhì)首先關(guān)注的是裝置中兩極發(fā)生元素化合價(jià)升降的物質(zhì)。負(fù)極（陽極）去找元素化合價(jià)升高的物質(zhì)；正極（陰極）去找元素化合價(jià)降低的物質(zhì)。反之，也可以通過找物質(zhì)，進(jìn)而確定電極類型，幫助分析裝置原理。

第二步：配電子

將找到的物質(zhì)書寫在等號(hào)兩側(cè)（注意不同電極元素價(jià)態(tài)的升降），結(jié)合原子守恒規(guī)律，先配平兩側(cè)發(fā)生元素價(jià)態(tài)升降的原子個(gè)數(shù)，再根據(jù)原子個(gè)數(shù)及價(jià)態(tài)升降數(shù)配上得失電子數(shù)。

第三步：看環(huán)境

此時(shí)，若等號(hào)兩側(cè)已經(jīng)達(dá)到元素守恒和電荷守恒，則表示電極方程式已經(jīng)書寫完畢。例如銅鋅硫酸原電池中的電極方程式。

正極：2H++2e-H2

負(fù)極：Zn-2e-Zn2+

若未達(dá)到上述守恒關(guān)系，則需要從裝置環(huán)境中去分析參與電極反應(yīng)的其他物質(zhì)，來配平電極方程式中的元素守恒和電荷守恒關(guān)系。常見的分析方向有看電解液的酸堿性；看是否形成沉淀或弱電解質(zhì)等。若是電極反應(yīng)方程式前后相差的元素為H和O，則常與溶液的酸堿性有關(guān)。需要在電極方程式前后根據(jù)電荷守恒添加H+，OH-或者H2O。若是電極反應(yīng)生成了沉淀或是弱電解質(zhì)，則往往只需添加相應(yīng)離子即可。如：

Pb-2e-+SO2-4PbSO4↓

三、例題解析

在具體應(yīng)用中，從各種類型的典型例題分析，更可以看出“三步法”書寫電極方程式的優(yōu)點(diǎn)所在。

例1（帶裝置圖的）：電解尿素[CO（NH2）2]的堿性溶液制氫的裝置示意圖如圖1（電解池中隔膜僅阻止氣體通過，a、b極均為惰性電極）。下列說法正確的是（ ）。

圖1A.電解時(shí)，b極是陰極放出H2，發(fā)生氧化反應(yīng)

B.溶液中OH- 逐漸向b極移動(dòng)

C.電解時(shí)，a極的電極反應(yīng)式為：

CO（NH2）2+8OH--6e-

CO2-3+N2↑+6H2O

D.若在b極產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)狀況下224 mL氫氣，則消耗尿素2 g

解析著重分析選項(xiàng)C是否正確。

第一步：找物質(zhì)

從裝置圖看到，進(jìn)入裝置的物質(zhì)為KOH及尿素，因此在a電極上發(fā)生的反應(yīng)應(yīng)為尿素中的氮元素失電子形成氮?dú)狻?/p>

即電極反應(yīng)為：

CO（NH2）2N2

第二步：配電子

從反應(yīng)前后看，氮元素已經(jīng)守恒。則根據(jù)價(jià)態(tài)變化，配上電子數(shù)。

即：CO（NH2）2-6e-N2

第三步：看環(huán)境

此時(shí)從方程式上看，左右兩側(cè)既沒有達(dá)到元素原子守恒，也沒有達(dá)到電荷守恒。所以，需要進(jìn)一步對(duì)方程式進(jìn)行補(bǔ)充。首先，根據(jù)元素原子守恒，反應(yīng)產(chǎn)物應(yīng)還有一個(gè)CO2-3。其次，從裝置看，電解液應(yīng)為堿性，所以左右兩側(cè)可以根據(jù)電荷數(shù)加上OH-和H2O。而左側(cè)為尿素失六電子，所帶電荷數(shù)為+6。右側(cè)為-2，所以，應(yīng)將OH-加入左側(cè)參與反應(yīng)，并配上系數(shù)8，達(dá)到左右兩側(cè)電荷守恒的目的。水加入右側(cè)，為產(chǎn)物，配上系數(shù)6，使得電極方程式滿足元素原子守恒和電荷守恒關(guān)系，得出該電極方程式：

CO（NH2）2+8OH--6e-

CO2-3+N2↑+6H2O

例2（電解質(zhì)為熔融鹽的）：NO2、O2和熔融NaNO3可制作燃料電池，其原理見圖2，該電池在使用過程中石墨I(xiàn)電極上生成氧化物Y，則需要石墨I(xiàn)電極上發(fā)生的電極方程式為 。

圖2解析因氧氣一極只能得電子，所以，通入NO2一極失電子為負(fù)極。

第一步：找物質(zhì)

從圖中看，進(jìn)入的是NO2，氮元素價(jià)態(tài)為+4價(jià)。出來的物質(zhì)Y為氧化物，但此氧化物必然是氮的氧化物，且氮元素價(jià)態(tài)應(yīng)為氮元素的最高價(jià)態(tài)+5價(jià)。所以，得出：

NO2N2O5

第二步：配電子

首先配平N原子，在NO2前配上系數(shù)2，再配上失電子數(shù)-2e-。得出：

2NO2-2e- N2O5

第三步：看環(huán)境

此時(shí)左右兩側(cè)氧元素未守恒，電荷未守恒（左側(cè)帶2個(gè)單位正電荷，右側(cè)為零）。左側(cè)需要含氧微粒參與反應(yīng)，且所帶電荷應(yīng)為負(fù)。因此，裝置環(huán)境中有硝酸根符合要求，且需要2個(gè)硝酸根。

由此最終得出：

NO2-e-+NO-3N2O5

例3（工業(yè)介紹題）：工業(yè)上常以鐵為陽極，石墨棒為陰極，在堿性電解液中電解來制備高鐵酸鉀（K2FeO4）。試寫出陽極的電極方程式： 。

解析第一步：找物質(zhì)

根據(jù)題目敘述可得電極反應(yīng)的反應(yīng)物是鐵，產(chǎn)物是高鐵酸鉀。由此可得：

FeFeO2-4

第二步：配電子

從反應(yīng)前后鐵的價(jià)態(tài)看，鐵原子失去6個(gè)電子形成高鐵酸根。則：

Fe-6e-FeO2-4

第三步：看環(huán)境

此時(shí)，方程式左右兩側(cè)電荷不平衡，相差8個(gè)單位（左側(cè)帶6個(gè)單位正電荷，右側(cè)帶2個(gè)單位負(fù)電荷）。元素不守恒，左側(cè)差氧元素。根據(jù)反應(yīng)環(huán)境為堿性，可得出氫氧根離子參加了反應(yīng)，產(chǎn)物除了高鐵酸根外還應(yīng)有水生成。即可得出完整的電極方程式：

Fe-6e-+8OH-FeO2-4+4H2O

例4（已知電化學(xué)總方程式）高鐵電池是一種新型可充電電池，與普通高能電池相比，該電池能長(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+8H2O放電充電

3Zn（OH）2+2Fe（OH）3+4KOH

寫出電池的正極電極方程式： 。

解析第一步：找物質(zhì)

根據(jù)原電池原理及總方程式分析，正極應(yīng)是得電子，元素化合價(jià)降低的反應(yīng)。所以，首先找到元素價(jià)態(tài)降低的反應(yīng)物和產(chǎn)物。由此可得：

FeO2-4Fe（OH）3

第二步：配電子

從反應(yīng)前后鐵的價(jià)態(tài)看，F(xiàn)eO2-4中鐵元素得到3個(gè)電子使價(jià)態(tài)降低三價(jià)，最終形成氫氧化鐵。則：

FeO2-4+3e-Fe（OH）3

第三步：看環(huán)境

此時(shí)，方程式左右兩側(cè)電荷不平衡，相差5個(gè)單位，且左側(cè)所帶電荷為負(fù)。元素不守恒，左側(cè)差氫元素。再根據(jù)反應(yīng)環(huán)境為堿性，可得出水分子參加了反應(yīng)，產(chǎn)物除了高鐵酸根外還應(yīng)有氫氧根離子生成。即可得出完整的正極電極方程式：

FeO2-4+3e-+4H2OFe（OH）3+5OH-

四、總結(jié)與啟示

化學(xué)學(xué)科的新高考主體思想“立足基礎(chǔ)，考查能力”，試題“以能力測(cè)試為主導(dǎo)”進(jìn)行設(shè)計(jì)，考查學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力，電化學(xué)作為高考中的核心考點(diǎn)更是在考題上注重學(xué)生知識(shí)運(yùn)用的能力。面對(duì)電化學(xué)考題的千變?nèi)f化，學(xué)生只有掌握了電化學(xué)的基本原理以及氧化還原反應(yīng)的規(guī)律，才能做到以不變應(yīng)萬變。而“三步法”讓我們找到了解決此類問題的一條便捷之路。因?yàn)?，“三步法”除了能幫助學(xué)生更快更準(zhǔn)確的書寫出電極方程式，也可以幫助學(xué)生更好的分析各類電化學(xué)裝置。

（收稿日期：2016-03-15）