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利用守恒思想 巧寫電極方程


2016-11-30 15:06:46   來源:   撰稿:董嘯   攝影攝像:    ;  評論:0 點擊:

利用守恒思想 巧寫電極方程陜西省西安市第89中學 710003 董 嘯在近年的高考中,書寫原電池電極反應方程式,既是考試的熱點,也是考查的難點,如果可以順利寫出原電池的電極反應式,則很多復雜問題(離子濃度

利用守恒思想   巧寫電極方程

陜西省西安市第89中學    710003  

在近年的高考中,書寫原電池電極反應方程式,既是考試的熱點,也是考查的難點,如果可以順利寫出原電池的電極反應式,則很多復雜問題(離子濃度變化、pH值變化等)就可以迎刃而解。

我們知道,在方程式中,存在原子守恒、電荷守恒及電子守恒等,如果能充分利用守恒思想,就可以巧妙寫出原電池的電極反應式。

一、加減法

如果已知電池的總反應和其中一個電極反應(或可以順利寫出的一個簡單的電極反應式),要求寫出另一個比較復雜的電極反應式。由于在原電池中,存在原子守恒和電荷守恒,所以原電池的正極反應和負極反應之和等于原電池的總反應,這樣我們就可以利用加減計算得出電極反應式。這種利用加減計算書寫電極反應式的方法就是守恒法。

具體做法:先分別寫出原電池的總反應的離子方程式和簡單的電極反應式(必要時乘相應的系數),然后用總反應的離子方程式左側減去已知的電極反應式(或可以順利寫出的一個簡單的電極反應式)左側,總反應的離子方程式右側減去已知的電極反應右側,所得的式子就是要寫出的電極反應式。如果某種物質前的符號為負,將其移至等號另一側,電子始終寫在等號左側。

特別說明:

①在書寫電極反應時,一般都是用實際參加反應的微粒來表示,所以在書寫電極反應式之前,應將原電池的總反應改寫為離子方程式。

②在進行原電池總反應式減去已知的電極反應式之前,應保證總反應式的氧化劑或還原劑的計量系數與已知的電極反應式一致,這樣才能相互抵消,使得到的電極反應式中,負極發生氧化反應,正極發生還原反應。

例如,寫甲烷、甲醇或乙醇等燃料電池的電極反應式時,正極反應式一般是固定的比較簡單。所以,在寫電極反應式時,先寫出總反應式的離子方程式,再寫出正極反應式(必要時乘相應的系數),然后用總反應式減去正極的電極反應,就可以得到較復雜的負極反應式。

例題1.若2KMnO416HCl===2KCl2MnCl25Cl28H2O設計成原電池時,請分別寫出正負極反應式。

解析:首先,將原電池的總反應方程式改寫為離子方程式為:2MnO416H++10Cl==2Mn25Cl28H2O。從方程式可以看出負極發生的氧化反應比較簡單,負極反應式為:10Cl—10e==5Cl2↑  。用總反應的離子方程式減去負極反應式得出正極反應式為:2MnO416H++10e==2Mn28H2O

例題2熔融鹽燃料電池具有高的發電效率,因而受到重視,可用Li2CO3Na2CO3的熔融鹽混合物作電解質,CO為負極燃氣,空氣與CO2的混合氣體為正極極助燃氣,制得在650下工作的燃料電池,完成有關的電池反應式:

電池總反應式:_______________。負極反應式:2CO+2CO32--4e-== 4CO2 

正極反應式:_________________

解析:本題中CO為還原劑,空氣中O2為氧化劑,電池總反應式為:2CO+O2=2CO2。用總反應式減去電池負極反應式,就可得到電池正極反應式:O2+2CO2+4e-== 2CO32-

例題3一種新型燃料電池,它以多孔鎳板為電極插入KOH溶液中,然后分別向兩極通入乙烷和氧氣,則有關此電池推斷正確的是(  )

A.通入乙烷的電極為正極

B.參加反應的乙烷與氧氣的物質的量之比為72

C.放電一段時間后,KOH的物質的量濃度減少

D.負極反應式為C2H66H2O14e===2CO18H

解析:乙烷燃燒的化學方程式為2C2H67O2→4CO26H2O,在該反應中氧氣得電子,乙烷失電子,因此通入氧氣的電極為正極,而通入乙烷的電極為負極,故A答案錯誤;由燃料電池總反應可以看出參加反應的乙烷與氧氣的物質的量之比應為27,故B答案錯誤;考慮到該電池是以KOH為電解質溶液的,生成的CO2會和KOH反應轉化成K2CO3,反應中消耗KOHKOH的物質的量濃度減少,故C答案正確;考慮到電解質溶液的影響,該電池的總反應式應為2C2H68KOH7O2→4K2CO310H2O,改寫為離子方程式為:2C2H68OH7O2→4CO32-10H2O,正極反應式為7O214H2O28e===28OH,負極反應式可用總反應式減去正極反應式得到:2C2H636OH28e===4CO24H2O。另外,由于該電池是以KOH溶液為電解液的,D答案中負極生成的H顯然在溶液中是不能存在的,故D答案錯誤。本題的答案為C

二、守恒法

若已知原電池的總方程式,未已知任何電極反應式,或者已知原電池的材料和反應產物,沒有提供氧化還原反應方程式,只能先寫出該電池的總氧化還原反應的離子方程式,然后分析化合價,將氧化還原反應的離子方程式拆分為氧化反應和還原反應,再確定正負極及電極的反應物和生成物,然后根據電子轉移數目、電荷守恒、原子守恒配平,其中正極發生還原反應,負極發生氧化反應,從而得出正負電極反應式。這種利用守恒思想書寫電極反應式的方法就是守恒法。

具體做法:在書寫時,先利用化合價變化分析,找出氧化反應和還原反應,并將分開書寫,然后根據電子得失情況,利用H+OH-配平電荷,最后利用水中的氫原子和氧原子使原子守恒。將氧化還原反應的離子方程式拆分為氧化反應和還原反應,其中正極發生還原反應,負極發生氧化反應。

口訣:離子方程要拆開,電荷原子均守恒;檢查電荷定離子;檢查原子確定水。

特別說明:

H+OHH2O是否參加反應,要根據實際情況具體分析。

②電子帶負電荷,得電子為負電荷,失去電子為正電荷。

③在將氧化還原反應的離子方程式拆分為氧化反應和還原反應時,必須保證氧化劑和還原劑的系數與總方程式一致。

④為了保證書寫正確,在書寫完成后,應將兩級的反應式相加,檢驗是否等于原電池的總方程式。

例題1.2012年高考理綜改編)MnO2-Zn電池類似,K2FeO4-Zn也可以組成堿性電池,K2FeO4在電池中作為正極材料,其電極反應式為             ,該電池總反應的離子方程式為                                 

解析:由于K2FeO4-Zn電池與MnO2-Zn電池類似,溶液顯堿性,所以由分析可知,Zn失去電子變成Zn(OH)2,負極的電極反應式為:Zn2OH-2e- Zn(OH)2  FeO42得到電子變成Fe(OH)3,我們可以利用守恒法直接寫出正極反應式為:FeO42+3e+4H2O= Fe(OH)3+5OH,然后正負極反應式相加得出電池總反應的離子方程式:2FeO42+8H2O+3Zn= 2Fe(OH)3+ 3Zn(OH)2+4OH。當然,本題也可以先寫出反應物和生成物,利用化合價升降法配平離子方程式方程式,然后減去負極的電極反應式,得出正極反應式。

答案:FeO42+3e+4H2O= Fe(OH)3+5OH 2FeO42+8H2O+3Zn= 2Fe(OH)3+ 3Zn(OH)2+4OH

例題2.某新型可充電電池,能長時間保持穩定的放電電壓。該電池的總反應式為3Zn2K2FeO48H2O3Zn(OH)22Fe(OH)34KOH,以下說法不正確的是(  )

A.放電時負極反應式為Zn2e2OH===Zn(OH)2

B.放電時正極反應式為FeO4H2O3e===Fe(OH)35OH

C.放電時每轉移3 mol電子,正極有1 mol K2FeO4被氧化

D.充電時陽極附近的溶液的堿性減弱

解析:放電時,在堿性條件下,Zn失去電子電池負極,電極反應可以由總反應式和化合價分析可得:Zn2e2OH===Zn(OH)2,故選項A正確;根據放電時總電池反應式中的化合價變化及得失電子情況,可得放電時正極反應式為FeO4H2O3e===Fe(OH)35OH,故選項B正確;放電時,K2FeO4被還原,故選項C錯誤;充電是放電的逆向反應,所以充電時,陽極消耗OH,導致陽極附近的溶液的堿性減弱,故選項D正確。本題答案為C

例題3.利用NO2O2和熔融的NaNO3可以制作燃料電池,其原理是:在一個電極通入NO2,并將產生的氣體氧化物和氧氣通入另一電極,產生電流。請寫出該電池的正極反應、負極反應。

解析:由氧化還原反應原理分析可知,NO2O2的總方程式為 4NO2+ O2= 2N2O5

由于總方程式和電荷守恒可知,NO2失去電子后需要結合NO3生成N2O5。故,負極的電極反應式為:4NO2 +4NO34e=4N2O5

在正極,氧氣得電子后與N2O5,生成NO3。故,正極的電極反應式為:O2 +2N2O54e==4NO3

答案:負極反應式:4NO2 +4NO34e=4N2O5;正極反應式:O2 +2N2O54e==4NO3

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