[电极反应式书写的基本流程] 电极反应式的书写规则
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在倡导“低碳经济、节能高效、科学和谐发展”的社会情景下,能源问题日益受到重视,作为能量转化的主要理论之一――电化学,无疑就成为高考命题的热点。本文试针对电化学原理体现的基本方法――电极反应式,浅谈其书写的基本思路与方法。
一、分析池的类型,明确电极名称
这是正确书写电极反应式的前提,只有明确了池的具体类型,才能准确描述电极名称及电极反应式的书写。严格意义上讲,池有两类,即原电池与电解池。原电池反应与电解池反应互为相反过程,但不可逆。原电池属于放电反应,是自发的氧化还原反应;电解池属于充电反应,是非自发的氧化还原反应。原电池的电极名称分别是正极、负极;电解池的电极名称分别是阴极、阳极。判断池的类型主要是看外电路上是否有电源,若有,则为电解池,否则为原电池;有时也可通过关键词语“放电”或“充电”来判断,放电的为原电池,充电的为电解池。但有时题中不明显,则需要根据元素化合物知识分析氧化还原反应能否自发才能明确。
例1、如图1所示,甲中电极材料是铝、铜,乙中电极材料是铜、铂。当线路接通时,甲、乙分别是什么装置?
分析:甲中铝能与电解质溶液硫酸铜反应,而乙中的铜、铂均不能与电解质溶液硫酸反应,故甲装置为原电池、乙装置为电解池。
二、看清题设要求,快速判断电极
在许多电化学问题中,并不一定要求将电极反应式都书写出来,因此只有快速正确地判断出两极,才能写出符合要求的电极反应式,否则就易出现错误。
1.原电池正、负两极的判断
原电池一般是由正负电极、电解液、闭合电路来组成的。工作时,电解质溶液为内电路;电子经外电路从负极流向正极,故还原剂在负极上失电子,发生氧化反应;氧化剂在正极上得电子,发生还原反应。
例2、铜锌原电池(如图2)工作时,下列叙述正确的是()。
A. 正极反应为:Zn-2e-=Zn2+
B. 铜锌两电极都变细
C. 在外电路中,电子从负极流向正极
D. 盐桥中的K+移向ZnSO4溶液
分析:本题解答的关键是判断出正负极。根据图示可知Zn为负极、铜为正极,故锌失去电子变细,铜离子在铜电极上得电子析出铜导致铜电极变粗;在外电路中,电子从负极流向正极;内电路盐桥中的K+移向正极区中的CuSO4溶液。答案为C。
由上例可知,正、负电极的判断方法有:(1)从电极材料的性质角度分析:一般来说,易与电解质溶液反应的电极为负极,不(或难)反应的电极为正极。如镁、铝电极在稀硫酸溶液中构成原电池,尽管镁、铝都能与稀硫酸反应,但镁更容易,故镁为负极;若镁、铝电极在氢氧化钠溶液中形成原电池,由于铝能与氢氧化钠溶液发生反应,而镁不能,故铝为负极、镁为正极。(2)从外电路的电子流向分析:电子流出的一极为负极,电子流入的一极为正极。(3)从电解液中的离子移向分析:阳离子移近的一极为正极,阴离子移近的一极为负极。(4)从电极反应的类型分析:发生氧化反应的一极为负极,发生还原反应的一极为正极。(5)从反应现象分析。如,电极质量增加时,即溶液中的阳离子在该电极得电子析出,故该电极为正极;否则,该电极为负极。再如,若电极上有气体放出时,则通常是溶液中的氢离子得电子产生氢气,故该电极为正极。
2.电解池阴、阳两极的判断
电解池反应一般由电源、阴阳两极、电解液、闭合电路来组成。工作时,电解质溶液为外电路;阳极上发生氧化反应,失电子,故还原剂在阳极上反应;阴极上发生还原反应,得电子,故氧化剂在阴极上反应。
例3、Cu2O是一种半导体材料,基于绿色化学理念设计的制取Cu2O的电解池示意图如图3所示,电解总反应:2Cu+H2O=Cu2O+H2↑。下列说法正确的是( )。
A.石墨电极上产生氢气
B.铜电极发生还原反应
C.直流电源的b端为负极
D.溶液中的氢氧根离子移向石墨电极
分析:本题解答的关键是阴阳极的判断。依据元素化合价的变化不难判断出总反应中的铜为还原剂,故Cu作阳极、石墨作阴极,进而知电源b端为正极、a端为负极;电解质溶液中的H+移向阴极,并得电子产生H2。答案为A。
由上例可知,阴、阳极判断方法有:(1)从外加电源的两极分析:与电源正极相连的一极是阳极,与电源负极相连的一极是阴极。(2)从导线的电子流向分析:流出电子的一极为阳极,流入电子的一极为阴极。(3)从电解液中离子的移向分析:阳离子移近的一极为阴极,阴离子移近的一极为阳极。(4)从电极反应类型分析:发生氧化反应的一极是阳极,发生还原反应的一极是阴极。(5)从反应现象分析:如质量增加的电极为阴极(溶液中的阳离子在该电极得电子析出),否则为阳极,等等。
三、分析反应原理,注意影响因素
无论是原电池反应还是电解池反应,只要善于从化合价角度分析,就不难找出氧化剂与还原产物、还原剂与氧化产物。在原电池中,产物的实际存在形式往往又受溶液酸碱性的影响,但元素的价态不会发生改变。如常见的燃料电池中,无论是酸式还是碱式,氧气都是氧化剂,得电子变为-2价氧离子,电解液若为酸溶液时,O2-以H2O形式存在;若为中性或碱性时,O2-以OH-形式存在;若为熔融的氧化物时以O2-存在;若为熔融的碳酸盐时O2-以CO32-形式存在,等等。在电解池中,由于阳极材料的活性不同而导致氧化反应的不同,若阳极为活性时则电极本身优先失电子变为阳离子;若阳极为(石墨、金、铂等)惰性时则溶液中的阴离子才有放电机会,其放电顺序一般为S2- >SO32-> I- > Br- > Cl- > OH- >含氧酸根离子> F-(OH-以后的都不在水溶液中放电) 。
四、遵循两个守恒,规范书写
电极反应是氧化剂与还原剂分别发生的反应,故氧化剂与还原剂是不能同时出现在同一电极反应式的。在明确氧化剂与还原产物(或还原剂与氧化产物)的前提下,依据元素化合价的变化值推出得或失电子数目,然后根据电荷守恒添加电解质溶液中的离子种类,最后再根据原子守恒配平其他原子即可。
例4、高铁电池是一种新型可充电电池,与普通高能电池相比,该电池能长时间保持稳定的放电电压。高铁电池的总反应式为:
3Zn(OH)2 + 2Fe(OH)3 + 4KOH3Zn + 2K2FeO4 + 8H2O
下列叙述不正确的是()。
A.放电时负极反应为:Zn-2e-+2OH-=Zn(OH)2
B.充电时阳极反应为:Fe(OH)3-3e-+5OH-=FeO42-+4H2O
C.放电时每转移3 mol电子,正极有1mol K2FeO4被氧化
D.放电时正极附近溶液的碱性增强
分析:本题是原电池与电解池相融合,主要考查电极反应式的书写知识。根据“放电”“充电” 知逆反应为原电池反应、正反应为电解池反应。放电时,由价态变化可知正极上发生FeO42-+3e-→Fe(OH)3,然后根据电解液呈碱性及遵循电荷守恒可得FeO42-+3e-→Fe(OH)3+5OH-,最后根据原子守恒可得FeO42-+3e-+4H2O=Fe(OH)3+5OH-。同理放电时可知负极上的反应为Zn-2e-+2OH-=Zn(OH)2。答案为C。
例5、如图4所示装置,两玻璃管中盛满滴有酚酞溶液的氯化钠饱和溶液,C(Ⅰ)、C(Ⅱ)为多孔石墨电极。接通S1后,C(Ⅰ)附近溶液变红,两玻璃管中有气体生成,此时C(Ⅰ)的电极反应式为____,C(II)的电极反应式是_____。一段时间后(两玻璃管中液面未脱离电极),断开S1、接通S2,电流表的指针发生偏转,此时C(II)的电极反应式是_____。
评析:石墨电极属于惰性电极,当接通S1时则该装置为电解池,根据“C(Ⅰ)附近溶液变红,两玻璃管中有气体生成”可推知C(Ⅰ)附近呈红色原因是水电离出的氢离子放电所致,所以C(Ⅰ)极为阴极,其电极反应式为2H++2e-=H2;C(II)极为阳极,其电极反应式为2Cl--2e-=Cl2。当断开S1、接通S2时,则该装置为原电池,氯气为氧化剂,故C(II)极为正极,其电极反应式是Cl2+2e-=2Cl-。
综上所述,只要遵循上述书写思路,善长从元素价态角度分析反应实质,遵循守恒规律就不难突破电极反应式的书写难点。
(责任编辑郭振玲)
注:“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”
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一、分析池的类型,明确电极名称
这是正确书写电极反应式的前提,只有明确了池的具体类型,才能准确描述电极名称及电极反应式的书写。严格意义上讲,池有两类,即原电池与电解池。原电池反应与电解池反应互为相反过程,但不可逆。原电池属于放电反应,是自发的氧化还原反应;电解池属于充电反应,是非自发的氧化还原反应。原电池的电极名称分别是正极、负极;电解池的电极名称分别是阴极、阳极。判断池的类型主要是看外电路上是否有电源,若有,则为电解池,否则为原电池;有时也可通过关键词语“放电”或“充电”来判断,放电的为原电池,充电的为电解池。但有时题中不明显,则需要根据元素化合物知识分析氧化还原反应能否自发才能明确。
例1、如图1所示,甲中电极材料是铝、铜,乙中电极材料是铜、铂。当线路接通时,甲、乙分别是什么装置?
分析:甲中铝能与电解质溶液硫酸铜反应,而乙中的铜、铂均不能与电解质溶液硫酸反应,故甲装置为原电池、乙装置为电解池。
二、看清题设要求,快速判断电极
在许多电化学问题中,并不一定要求将电极反应式都书写出来,因此只有快速正确地判断出两极,才能写出符合要求的电极反应式,否则就易出现错误。
1.原电池正、负两极的判断
原电池一般是由正负电极、电解液、闭合电路来组成的。工作时,电解质溶液为内电路;电子经外电路从负极流向正极,故还原剂在负极上失电子,发生氧化反应;氧化剂在正极上得电子,发生还原反应。
例2、铜锌原电池(如图2)工作时,下列叙述正确的是()。
A. 正极反应为:Zn-2e-=Zn2+
B. 铜锌两电极都变细
C. 在外电路中,电子从负极流向正极
D. 盐桥中的K+移向ZnSO4溶液
分析:本题解答的关键是判断出正负极。根据图示可知Zn为负极、铜为正极,故锌失去电子变细,铜离子在铜电极上得电子析出铜导致铜电极变粗;在外电路中,电子从负极流向正极;内电路盐桥中的K+移向正极区中的CuSO4溶液。答案为C。
由上例可知,正、负电极的判断方法有:(1)从电极材料的性质角度分析:一般来说,易与电解质溶液反应的电极为负极,不(或难)反应的电极为正极。如镁、铝电极在稀硫酸溶液中构成原电池,尽管镁、铝都能与稀硫酸反应,但镁更容易,故镁为负极;若镁、铝电极在氢氧化钠溶液中形成原电池,由于铝能与氢氧化钠溶液发生反应,而镁不能,故铝为负极、镁为正极。(2)从外电路的电子流向分析:电子流出的一极为负极,电子流入的一极为正极。(3)从电解液中的离子移向分析:阳离子移近的一极为正极,阴离子移近的一极为负极。(4)从电极反应的类型分析:发生氧化反应的一极为负极,发生还原反应的一极为正极。(5)从反应现象分析。如,电极质量增加时,即溶液中的阳离子在该电极得电子析出,故该电极为正极;否则,该电极为负极。再如,若电极上有气体放出时,则通常是溶液中的氢离子得电子产生氢气,故该电极为正极。
2.电解池阴、阳两极的判断
电解池反应一般由电源、阴阳两极、电解液、闭合电路来组成。工作时,电解质溶液为外电路;阳极上发生氧化反应,失电子,故还原剂在阳极上反应;阴极上发生还原反应,得电子,故氧化剂在阴极上反应。
例3、Cu2O是一种半导体材料,基于绿色化学理念设计的制取Cu2O的电解池示意图如图3所示,电解总反应:2Cu+H2O=Cu2O+H2↑。下列说法正确的是( )。
A.石墨电极上产生氢气
B.铜电极发生还原反应
C.直流电源的b端为负极
D.溶液中的氢氧根离子移向石墨电极
分析:本题解答的关键是阴阳极的判断。依据元素化合价的变化不难判断出总反应中的铜为还原剂,故Cu作阳极、石墨作阴极,进而知电源b端为正极、a端为负极;电解质溶液中的H+移向阴极,并得电子产生H2。答案为A。
由上例可知,阴、阳极判断方法有:(1)从外加电源的两极分析:与电源正极相连的一极是阳极,与电源负极相连的一极是阴极。(2)从导线的电子流向分析:流出电子的一极为阳极,流入电子的一极为阴极。(3)从电解液中离子的移向分析:阳离子移近的一极为阴极,阴离子移近的一极为阳极。(4)从电极反应类型分析:发生氧化反应的一极是阳极,发生还原反应的一极是阴极。(5)从反应现象分析:如质量增加的电极为阴极(溶液中的阳离子在该电极得电子析出),否则为阳极,等等。
三、分析反应原理,注意影响因素
无论是原电池反应还是电解池反应,只要善于从化合价角度分析,就不难找出氧化剂与还原产物、还原剂与氧化产物。在原电池中,产物的实际存在形式往往又受溶液酸碱性的影响,但元素的价态不会发生改变。如常见的燃料电池中,无论是酸式还是碱式,氧气都是氧化剂,得电子变为-2价氧离子,电解液若为酸溶液时,O2-以H2O形式存在;若为中性或碱性时,O2-以OH-形式存在;若为熔融的氧化物时以O2-存在;若为熔融的碳酸盐时O2-以CO32-形式存在,等等。在电解池中,由于阳极材料的活性不同而导致氧化反应的不同,若阳极为活性时则电极本身优先失电子变为阳离子;若阳极为(石墨、金、铂等)惰性时则溶液中的阴离子才有放电机会,其放电顺序一般为S2- >SO32-> I- > Br- > Cl- > OH- >含氧酸根离子> F-(OH-以后的都不在水溶液中放电) 。
四、遵循两个守恒,规范书写
电极反应是氧化剂与还原剂分别发生的反应,故氧化剂与还原剂是不能同时出现在同一电极反应式的。在明确氧化剂与还原产物(或还原剂与氧化产物)的前提下,依据元素化合价的变化值推出得或失电子数目,然后根据电荷守恒添加电解质溶液中的离子种类,最后再根据原子守恒配平其他原子即可。
例4、高铁电池是一种新型可充电电池,与普通高能电池相比,该电池能长时间保持稳定的放电电压。高铁电池的总反应式为:
3Zn(OH)2 + 2Fe(OH)3 + 4KOH3Zn + 2K2FeO4 + 8H2O
下列叙述不正确的是()。
A.放电时负极反应为:Zn-2e-+2OH-=Zn(OH)2
B.充电时阳极反应为:Fe(OH)3-3e-+5OH-=FeO42-+4H2O
C.放电时每转移3 mol电子,正极有1mol K2FeO4被氧化
D.放电时正极附近溶液的碱性增强
分析:本题是原电池与电解池相融合,主要考查电极反应式的书写知识。根据“放电”“充电” 知逆反应为原电池反应、正反应为电解池反应。放电时,由价态变化可知正极上发生FeO42-+3e-→Fe(OH)3,然后根据电解液呈碱性及遵循电荷守恒可得FeO42-+3e-→Fe(OH)3+5OH-,最后根据原子守恒可得FeO42-+3e-+4H2O=Fe(OH)3+5OH-。同理放电时可知负极上的反应为Zn-2e-+2OH-=Zn(OH)2。答案为C。
例5、如图4所示装置,两玻璃管中盛满滴有酚酞溶液的氯化钠饱和溶液,C(Ⅰ)、C(Ⅱ)为多孔石墨电极。接通S1后,C(Ⅰ)附近溶液变红,两玻璃管中有气体生成,此时C(Ⅰ)的电极反应式为____,C(II)的电极反应式是_____。一段时间后(两玻璃管中液面未脱离电极),断开S1、接通S2,电流表的指针发生偏转,此时C(II)的电极反应式是_____。
评析:石墨电极属于惰性电极,当接通S1时则该装置为电解池,根据“C(Ⅰ)附近溶液变红,两玻璃管中有气体生成”可推知C(Ⅰ)附近呈红色原因是水电离出的氢离子放电所致,所以C(Ⅰ)极为阴极,其电极反应式为2H++2e-=H2;C(II)极为阳极,其电极反应式为2Cl--2e-=Cl2。当断开S1、接通S2时,则该装置为原电池,氯气为氧化剂,故C(II)极为正极,其电极反应式是Cl2+2e-=2Cl-。
综上所述,只要遵循上述书写思路,善长从元素价态角度分析反应实质,遵循守恒规律就不难突破电极反应式的书写难点。
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