程序化书写电极反应方程式

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  电极反应方程式的书写是电化学教学重点、考试热点,从内因来看,它涉及原电池和电解池的工作原理(氧化还原反应、离子反应);从运用来看,它是判断电极产物、电解质中离子迁移方向或浓度变化、物质与转移电子之间关系计算等内容的基础和关键;从表达来看,它蕴含守恒定律(得失电子、电荷、原子)。
  本文以书写几种电池的电极反应式为例,介绍书写步骤,以期学生掌握书写程序。
  一、书写步骤
  不论是原电池的自发反应,还是电解池的非自发反应,它们都是氧化还原反应,其电极反应式还是离子反应,按照下列步骤(简称:寻找物质,三步配平,确定电极),可以把电极反应式的书写做到程序化。
  1.寻找氧化剂和其对应的还原产物、还原剂和其对应的氧化产物(类似双线桥分析)。
  由此可见,书写此类电极反应式,要注意如下几点:
  ①在“配电子”步骤中,电子是“得”还是“失”,既可以根据元素化合价的升降进行确定,也可以根据电极的性质进行确定;电子数目要结合元素化合价升降值和其变化量综合确定。
  ②在“配电荷”步骤中,要先统计上一步等号两边的电性、电量情况,例如:“-2e-”的结果使负极电极反应式的左边带2个单位正电荷;若右边只有分子,即不带电,则在左边需加2个单位负电荷或右边加2个单位正电荷。
  配电荷时选用何种离子,其指导思想为:选用电解质中能参与电极反应的离子,例如,酸性溶液就选H+碱性溶液就选OH-,且选用的离子可以出现在电极反应式的任意一边。其数量要根据等号两端电量统计结果进行确定。
  ③在“三步配平”时,下一步的配平是在上一步配平的基础上扩充而来,所以,上一步已配平的化学计量数在下一步配平中不可更改。
  ④电解质离子定向移动,除能平衡电荷,连接内电路,形成闭合回路,还可以参与电极反应。
  (2)氧化剂、还原剂、还原产物、氧化产物中,前两者或后两者为相同物质。
  例2氢氧燃料电池的电极导电材料一般为多孔板,负极通入氢气作燃料,正极通入氧气作氧化剂。
  电池总反应为:
  2H2+O2=2H2O
  写出下列物质为电解质溶液时的电极反应式。
  (1)若电解质为稀硫酸
  (2)若电解质为KOH溶液
  (3)若电解质为某氧化物,如固体氧化锆一氧化钇(高温时可传导O2-
  解析氢氧燃料电池是这一类型的代表。从氧化还原反应的角度看,水既是氧化产物,又是还原产物;从电极反应的角度看,水不可能同时在两极生成。水到底是那一极生成的呢?
  电极反应式就是把一个完整的氧化还原反应方程式拆写成两个“半反应”,一个在正极发生还原反应:氧化剂在指定反应环境中生成还原产物;另一个在负极发生氧化反应:还原剂在指定反应环境中生成氧化产物。从物质生成的位置来看,这四者不可能重合。但在电池反应方程式中却出现重合现象,显然是有一物质,它既是一极(令为a极)的唯一生成物又是另一极(令为b极)的反应物之一,且两者的量相等。两电极反应式相加得电池反应方程式时,被完全抵消在电池反应方程式中就无法体现。那么,在寻找电池反应方程式中氧化产物或还原产物时,就应把a极的生成物(可以是离子,也可分子)在电池反应方程式两端同时补出来。
  由此可见,书写此类电极反应方程式,其难点在“补物质(微粒)”这一步。这就需学生能根据反应原理,并结合离子共存、物质的溶解性等知识,确定两极生成物在指定电解质环境中的具体形态(分子、離子),再根据原电池总反应式中氧化剂或还原剂的物质的量进行相应确定。
  若上述电极反应式两端的物质对调,即得氢镍电池充电时阴阳极的电极反应式。
  从生成物的位置来看,同一电极不可能既生成氧化产物,又生成还原产物。在提供电池反应方程式前提下,还可先写出自认为较易或物质间对应关系明确(唯一)的电极反应式,然后,在电子守恒的基础上,再与电池总反应式相减,从而得到较难的电极反应式。例如,在上面(2)中,Ni元素的变化关系是唯一的,那么,就可以先写出其对应的电极反应式,即正极还原反应式,然后再与电池总反应式相减,可得负极氧化反应式。
  2.看图(文)写话型
  这类电极反应式的书写,没有现成的电池反应方程式供拆写,根据电极反应式书写步骤的本质“寻找物质、三步配平”,结合题目中的相关文字描述(由一物质变成了另一物质)或装置示意图(移向电极的是反应物,离开电极的是生成物),此时就会发现看图(文)写话型,实际上就剩下“三步配平”的工作需要做了。
  针对书写过程,要总结的是:在选离子进行电荷配平时,除了酸性电解质选H+,碱性电解质选OH-之外,还可以通过文字信息,选用相应的离子,来进行电荷配平。常见的电池与其选用离子对应关系见表4所示。
  例4(2011年江苏)电解尿素[CO(NH22]的碱性溶液制氢的装置示意图如图1所示(电解池中隔膜仅阻止气体通过,阴、阳极均为惰性电极)。电解时,阳极的电极反应式为——。
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