電化學(xué)中的電極反應(yīng)式的書寫不僅與電極材料有關(guān),而且與電解質(zhì)溶液有關(guān)即與溶液的酸堿性有關(guān),是中學(xué)化學(xué)中的一個比較復(fù)雜的問題,學(xué)生總是望而止步。因此,如何確定電極反應(yīng)及怎樣書寫電極反應(yīng)方程式也就成了教學(xué)中的一個難點。我結(jié)合自己多年的教學(xué)經(jīng)驗談?wù)勲姌O反應(yīng)方程式的書寫方面的一些方法和技巧,供大家參考。
一、原電池和電解池的兩極的變化
1.在原電池中,要弄清“誰”在負(fù)極失(失電子)、升(化合價升高)、氧(被氧化,發(fā)生氧化反應(yīng),生成氧化產(chǎn)物),“誰”在正極得(得電子)、降(化合價降低)、還(被還原,發(fā)生還原反應(yīng),生成還原產(chǎn)物)。在原電池中根據(jù)自發(fā)的氧化還原反應(yīng)判斷:還原劑在負(fù)極失、升、氧;氧化劑在正極得、降、還。
2.在電解池中,要弄清“誰”在陽極失、升、氧,“誰”在陰極得、降、還。根據(jù)陰極和陽極的放電順序判斷:金屬陽極或陰離子在陽極失、升、氧:陽離子在陰極得、降、還。
即:陽極:金屬陽極(Pt、Au除外)>S>I>Cl>OH>含氧酸根>F。
陰極:Ag>Fe>Cu>H(濃)>Pb>Sn>Fe>Zn>H>Al>Mg>Na>Ca>K。
二、書寫電極反應(yīng)式的三個關(guān)鍵問題
1.原電池根據(jù)自發(fā)氧化還原反應(yīng)找出在負(fù)極和正極發(fā)生氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)的物質(zhì)。電解池根據(jù)陰極和陽極的放電情況,找出在陰極和陽極發(fā)生還原反應(yīng)和氧化反應(yīng)的物質(zhì)或離子。
2.考慮對應(yīng)的氧化產(chǎn)物或還原產(chǎn)物能否和介質(zhì)反應(yīng),如果反應(yīng)要寫反應(yīng)以后的產(chǎn)物。
3.通過比較電極反應(yīng)的左邊和右邊氧原子數(shù)目的多少,根據(jù)溶液的酸堿性,按結(jié)合氧、提供氧的方法,調(diào)平兩邊的氧原子和氫原子。
?。?)結(jié)合氧的物質(zhì)是:HO或H
中性或堿性環(huán)境:1 mol HO結(jié)合1mol O轉(zhuǎn)化成2mol OH
酸性環(huán)境:2 mol H結(jié)合1mol O轉(zhuǎn)化成1mol HO
?。?)提供氧的物質(zhì)是:HO或OH
中性或堿性環(huán)境:2mol OH提供1molO轉(zhuǎn)化成1 mol HO
酸性環(huán)境: 1 mol HO提供1mol O轉(zhuǎn)化成2mol H
4.通過原子守恒、電荷守恒配平電極反應(yīng)式。
三、常見電化學(xué)中電極反應(yīng)式的書寫
?。ㄒ唬┰姵刂须姌O反應(yīng)式的書寫
1.負(fù)極參與反應(yīng),正極不參與反應(yīng):在這類原電池中,負(fù)極的電極材料:失、升、氧,一般為金屬;正極本身不參與反應(yīng),只起導(dǎo)體的作用,正極周圍的離子或分子(如:H、Cu、O、Cl,等等)得、降、還。
例1.寫出以Al、空氣,海水為能源的海水電池的電極反應(yīng)式。
解:還原劑:Al作負(fù)極:失、升、氧,對應(yīng)的氧化產(chǎn)物為:Al與介質(zhì)海水不反應(yīng)。
負(fù)極:4Al-12e=4Al
氧化劑:O在正極:得、降、還,對應(yīng)的還原產(chǎn)物為O,需要考慮結(jié)合氧的問題,由于反應(yīng)環(huán)境呈弱堿性,所以用6 mol HO結(jié)合6mol O生成12mol OH。
正極:3O+12e+6HO=12OH。
2.正極和負(fù)極都參與反應(yīng):這類電池的兩電極材料分別由金屬和金屬的化合物組成。金屬作為負(fù)極:失、升、氧。金屬的化合物作為正極:得、降、還。
例2.鉛蓄電池(放電),負(fù)極是Pb,正極是PbO、HSO是電解質(zhì),寫出該電池的電極反應(yīng)。
解:還原劑:Pb作負(fù)極:失、升、氧,對應(yīng)的氧化產(chǎn)物為:Pb,與介質(zhì)中的SO反應(yīng)結(jié)合成:PbSO沉淀。負(fù)極:Pb-2e+SO=PbSO。
氧化劑:PbO在正極:得、降、還,對應(yīng)的還原產(chǎn)物為:Pb,與介質(zhì)中的SO反應(yīng)結(jié)合成:PbSO沉淀。且反應(yīng)環(huán)境呈酸性,所以用4mol H結(jié)合2mol O生成2molHO。
正極:PbO+2e+4H+ SO=PbSO+2HO
3.正極和負(fù)極都不參與反應(yīng):電池的電極材料均為惰性材料,且為同一材料,但在兩極周圍的物質(zhì)有差別。負(fù)極周圍的物質(zhì)有還原性:失、升、氧,正極周圍的物質(zhì)有氧化性:得、降、還。
例3.氫氧燃料電池,分別以KOH和HSO作電解質(zhì)溶液。
解:(1)KOH作電解質(zhì)溶液
還原劑:H在負(fù)極;失、升、氧,對應(yīng)的氧化產(chǎn)物為:H,與反應(yīng)環(huán)境中的OH不能共存,要反應(yīng)生成HO。負(fù)極:2H-4e+4OH=4HO。
氧化劑:O在正極;得、降、還,由于反應(yīng)環(huán)境呈堿性,所以用2mol HO結(jié)合2mol O生成4mol OH。正極:O+4e+2HO=4OH。
(2)HSO作電解質(zhì)溶液
還原劑:H在負(fù)極;失、升、氧,對應(yīng)的氧化產(chǎn)物為;H負(fù)極:2H-4e=4H。
氧化劑:O在正極;得、降、還,由于反應(yīng)環(huán)境呈酸性,所以用4mol H結(jié)合2mol O生成2mol HO。正極:O+4e+4H=2HO。
練習(xí):甲烷、空氣、燃料電池,寫出分別以KOH和HSO作電解質(zhì)溶液的電極反應(yīng)式。
(二)電解池中電極反應(yīng)式的書寫
1.陰極和陽極都不參與反應(yīng)。即為惰性電極,還原性強的離子或者分子在陽極上失、升、氧,發(fā)生氧化反應(yīng);氧化性強的離子或者分子在陰極上得、降、還,發(fā)生還原反應(yīng)。
例4.分別用惰性電極電解硫酸溶液、氫氧化鈉溶液,寫出電極反應(yīng)式。
解:(1)硫酸溶液
根據(jù)陰離子的放電順序判斷:水電離出的OH在陽極:失、升、氧,對應(yīng)的氧化產(chǎn)物為:氧氣。陽極:2HO-4e= O↑+4H
根據(jù)陽離子的放電順序判斷。硫酸提供的H在陰極:得、降、還,對應(yīng)的還原產(chǎn)物為:氫氣。陰極:4H+4e= 2H↑
?。?)氫氧化鈉溶液
根據(jù)陰離子的放電順序判斷:氫氧化鈉提供的OH在陽極:失、升、氧,對應(yīng)的氧化產(chǎn)物為:氧氣。陽極:4OH-4e= 2HO+ O↑。
根據(jù)陽離子的放電順序判斷:水電離出的H在陰極:得、降、還,對應(yīng)的還原產(chǎn)物為:氫氣。陰極:4HO +4e= H↑+4OH。
2.陽極參與反應(yīng),陰極不參與反應(yīng)。此時陽極為金屬,金屬陽極失、升、氧,生成對應(yīng)的金屬陽離子;陰極按陽離子的放電順序判斷。如:電解法精煉銅的電極反應(yīng)式。
?。ㄈ┭芯吭姵睾碗娊獬氐碾姌O反應(yīng)可以發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律
1.正極反應(yīng)還可由原電池反應(yīng)減去負(fù)極反應(yīng)直接、迅速獲得。
陰極反應(yīng)還可由電解池反應(yīng)減去陽極反應(yīng)直接、迅速獲得。
2.充電時相當(dāng)于電解池,由于電解反應(yīng)就是該原電池反應(yīng)的逆反應(yīng),因此電解(充電)時的電極反應(yīng)也必定就是該原電池電極反應(yīng)的逆反應(yīng),故又可迅速寫出電解池的陰極反應(yīng)與原電池負(fù)極的電極反應(yīng)推得。
總之,就電化學(xué)中電極反應(yīng)式的書寫來說,我們一要分清是原電池還是電解池,二弄清書寫電極反應(yīng)式的三個問題,電極反應(yīng)方程式的書寫就可以迎刃而解。