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“四步曲”搞定新情境下原电池电极反应式的书写

近几年高考中的新型电池种类繁多,“储氢电池”、“高铁电池”、“海洋电池”、“燃料电池”、“锂离子电池”等,这些新型电源常以选择题的形式呈现。解析这类考题,首先要理解常见化学电源的实质仍是原电池的工作原理,其次会判断正负电极(或阴阳极),明确电极反应类型,即正极还原负极氧化(或阴极还原阳极氧化),再次掌握书写电极反应式的基本要求。该类考题万变不离其宗,在此总结相关技巧,避开繁琐的书写过程,供读者提升解题效率。

“四步曲”书写电极反应式

第一步:先确定反应物和产物,负极(阳极)为还原性微粒-ne-→氧化性产物;正极为氧化性微粒+ne-→还原性产物。

【特别注意】判断电极的氧化或者还原产物能否与电解质反应,如CH4和O2燃料电池中,如果是KOH溶液等碱溶液做电解质溶液,负极产物CO2会继续和电解质溶液反应,最终电极产物应是CO32

第二步:标变价、算电子转移数n值,n=(高价-低价)×变价原子个数。

第三步:把一个电子看成一个负电荷,根据电荷守恒,结合电解质用H、OH、O2-、CO32等阴、阳离子确定缺项,配平电荷

这是最关键的一步,如上述CH4、O2燃料电池负极反应式的书写,从CH4→CO32+8e-这一变化中可以看出,箭号右侧为10mol 负电荷,如果电解质是碱溶液,根据电荷守恒,箭号左侧应添加10mol OH来达到电荷守恒,即:CH4+10mol OH→CO32+8e-;如果电解质是金属氧化物,产物为CO2,CH4→CO2+8e-,根据电荷守恒,箭号左侧应添加4molO2-来达到电荷守恒,即:CH4+4O2-→CO2+8e-

【特别注意】(1)对于失去电子的电极反应,可以把失去的电子写在右边,以避免计算电荷时出现失误;(2)根据电解质成分来确定需要添加的离子。

第四步:根据原子守恒,用H2O等小分子配平。

如上述CH4、O2燃料电池负极反应式的书写,如果电解质是碱溶液,根据原子守恒,箭号右侧应添加7mol H2O来达到原子守恒,即:CH4+10mol OH=7H2O+CO32+8e-,最后可以改写成CH4+10mol OH-8e-=7H2O+CO32;如果电解质是金属氧化物,根据原子守恒,箭号右侧应添加2mol H2O来达到原子守恒,

即:CH4+4O2-=2H2O+CO2+8e-,最后可以改写成CH4+4O2--8e-=2H2O+CO2

【温馨提示】

若已知总反应方程式,书写电极反应式可以考虑加减法:

(1)步骤一:在电池总反应式上标出电子转移的方向和数目(ne-)。

(2)步骤二:找出正、负极,失电子的电极为负极,得电子的电极为正极。

(3)步骤三:根据题干结合图示信息确定溶液的酸碱性,书写电极反应式。

负极反应:还原剂-ne-→氧化产物

正极反应:氧化剂+ne-→还原产物

可用规律:结合负极反应式+正极反应式=总反应式,若某电极反应式较难写时,可利用“四部曲”先写出较易的电极反应式,用总反应式减去较易的电极反应式,即得较难写的电极反应式。


典例.根据下图装置,写出电极反应式。

“四步曲”搞定新情境下原电池电极反应式的书写

【解析】第一步:先确定反应物和产物,

(1)根据反应方程式2CO+O2=2CO2,易知O2为正极反应物、CO为负极反应物。

(2)正极上,O元素得电子转化为-2价O,且1mol O2应该得到4mol e-,即O2+4e-→,既然把电子看做负电荷,根据电荷守恒可知还原产物为CO32,不可能是CO2,即O2+4e-→2CO32;再根据原子守恒,箭号左侧应添加2mol CO2来达到原子守恒,即:O2+2CO2+4e-=2CO32

(3)负极上,C元素失电子转化为+4价C,且1mol CO应该失去2mol e-,即CO→2e-,既然把电子看做负电荷,根据电荷守恒可知箭号左侧应添加1mol CO32,故氧化产物为CO2,不可能是CO32,即CO+CO32→CO2+2e-;再根据原子守恒,箭号右侧应为2mol CO2来达到原子守恒,即:CO+CO32=2CO2+2e-,最后可以改写成CO+CO32-2e-=2CO2。根据得失电子守恒,负极反应式应为:2CO+2CO32-4e-=4CO2

该电池的设计妙处:正极产物CO32为负极提供反应物,负极产物CO2为正极提供反应物,实现了循环利用。

特别提示:由于电解质是熔融的碳酸盐,在添加缺项时阴离子只能考虑CO32

【答案】正极反应式:O2+2CO2+4e-=2CO32,负极反应式:2CO+2CO32-4e-=4CO2


实战演练

1.铝-空气海水电池:以铝板为负极,铂网为正极,海水为电解质溶液,空气中的氧气与铝反应产生电流。已知电池总反应为4Al+3O2+6H2O===4Al(OH)3,则:

负极:_______________;

正极:_______________。

答案: 4Al-12e-+12OH===4Al(OH)3 ,3O2+6H2O+12e-===12OH

2.一种碳纳米管能够吸附氢气,可作二次电池(如下图所示)的碳电极。该电池的电解质溶液为6 mol·L-1的KOH溶液。

“四步曲”搞定新情境下原电池电极反应式的书写

(1)写出放电时的正、负极电极反应式:__________________________。

(2)写出充电时的阴、阳极电极反应式:_____________________________。

答案: (1)负极:H2-2e-+2OH===2H2O;

正极:2NiO(OH)+2H2O+2e-===2Ni(OH)2+2OH

(2)阴极:2H2O+2e-===H2↑+2OH

阳极:2Ni(OH)2+2OH-2e-===2NiO(OH)+2H2O

走近高考

1.(2019·全国卷Ⅰ,12)利用生物燃料电池原理研究室温下氨的合成,电池工作时MV2+/MV在电极与酶之间传递电子,示意图如图所示。下列说法错误的是(  )

“四步曲”搞定新情境下原电池电极反应式的书写

A.相比现有工业合成氨,该方法条件温和,同时还可提供电能

B.阴极区,在氢化酶作用下发生反应H2+2MV2+===2H+2MV

C.正极区,固氮酶为催化剂,N2发生还原反应生成NH3

D.电池工作时质子通过交换膜由负极区向正极区移动

答案:B 

解析:本题考查原电池工作原理,涉及酶的特性、电极反应式的书写和电解质中离子迁移方向等知识,考查的核心素养是证据推理与模型认知、宏观辨识与微观探析。由题图和题意知,电池总反应是3H2+N2===2NH3。该合成氨反应在常温下进行,并形成原电池产生电能,反应不需要高温、高压和催化剂,A项正确;观察题图知,左边电极发生氧化反应MV-e-===MV2+,为负极,不是阴极,B项错误;正极区N2在固氮酶作用下发生还原反应生成NH3,C项正确;电池工作时,H通过交换膜,由左侧(负极区)向右侧(正极区)迁移,D项正确。

2.(2020·全国卷Ⅰ,12)科学家近年发明了一种新型Zn-CO2水介质电池。电池示意图如图,电极为金属锌和选择性催化材料,放电时,温室气体CO2被转化为储氢物质甲酸等,为解决环境和能源问题提供了一种新途径。

“四步曲”搞定新情境下原电池电极反应式的书写

下列说法错误是(  )

A.放电时,负极反应为Zn-2e-+4OH===Zn(OH)42-

B.放电时,1 mol CO2转化为HCOOH,转移的电子数为2 mol

C.充电时,电池总反应为2Zn(OH)42-===2Zn+O2↑+4OH+2H2O

D.充电时,正极溶液中OH浓度升高

答案:D 

解析:A.放电时,负极上Zn发生氧化反应,电极反应式为:Zn-2e-+4OH===Zn(OH)42-,故A正确,;B.放电时,CO2转化为HCOOH,C元素化合价降低2,则1 mol CO2转化为HCOOH时,转移电子数为2 mol,故B正确;C.充电时,阳极上H2O转化为O2,负极上Zn(OH)42-转化为Zn,电池总反应为:2Zn(OH)42-===2Zn+O2↑+4OH+2H2O,故C正确;D.充电时,阳极反应式为:2H2O-4e-===4H+O2↑,溶液中H浓度增大,溶液中c(Hc(OH)=Kw,温度不变时,Kw不变,因此溶液中OH浓度降低,故D错误。

3.[2019·全国卷Ⅲ,28(4)]在传统的电解氯化氢回收氯气技术的基础上,科学家最近采用碳基电极材料设计了一种新的工艺方案,主要包括电化学过程和化学过程,如图所示:

“四步曲”搞定新情境下原电池电极反应式的书写

负极区发生的反应有_____________(写反应方程式)。电路中转移1 mol 电子,需消耗氧气________L(标准状况)。

答案: Fe3++e-===Fe2+,4Fe2++O2+4H===4Fe3++2H2O 5.6

解析: 负极区发生还原反应Fe3++e-===Fe2+,生成的二价铁又被氧气氧化成三价铁,发生反应4Fe2++O2+4H===4Fe3++2H2O,由反应可知电路中转移4 mol 电子消耗1 mol O2,则转移1 mol 电子消耗氧气14mol,其在标准状况下的体积为14mol×22.4 L·mol-1=5.6 L。

4.(2021·广东高考,9)火星大气中含有大量CO2,一种有CO2参加反应的新型全固态电池有望为火星探测器供电。该电池以金属钠为负极,碳纳米管为正极,放电时(  )

A.负极上发生还原反应

B.CO2在正极上得电子

C.阳离子由正极移向负极

D.将电能转化为化学能

答案:B 

解析:根据题干信息可知,放电时总反应为4Na+3CO2===2Na2CO3+C。A.放电时负极上Na发生氧化反应失去电子生成Na,故A错误;B.放电时正极为CO2得到电子生成C,故B正确;C.放电时阳离子移向还原电极,即阳离子由负极移向正极,故C错误;D.放电时装置为原电池,能量转化关系为化学能转化为电能,故D错误。

(责任编辑:化学自习室)
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