Question

[电极反应式书写的基本流程] 电极反应式的书写规则

Answer 1

　　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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