中學化學中關于電化學部分的內容,主要包括了原電池和電解池兩部分。不管是原電池還是電解池,其中的重點及難點包括了電極反應方程式及總反應方程式的書寫。在方程式的書寫過程中,一些教材及資料的處理辦法是直接書寫,卻絕少談及方程式的具體書寫過程及書寫方法。這樣導致許多學生,甚至一些青年教師書寫起來也往往會感到困惑,力不從心?,F就本人在多年的從教過程中總結出來的一些經驗和方法展示給大家,希望能與各位同仁共享。。
在用惰性電極電解飽和食鹽水中,一般的書寫是:
陽極:2Clˉ Cl2↑+2eˉ
陰極:2H++2eˉ H2↑ 2H2O+2eˉ H2↑+2OHˉ
這個時兩極反應方程式再相加,即可得總方程式:
2Clˉ+2H2O Cl2↑+H2↑+2OHˉ
同樣用惰性電極電解硫酸銅溶液
陽極:4OHˉ O2↑+2H2O+4eˉ(兩邊同時加4個氫離子) 2H2O O2↑+4H++4eˉ
陰極:2Cu2++4eˉ 2Cu
氫氧燃料電池中電極反應方程式及總反應方程式的書寫比較簡單,但如果是含碳燃料,則又會如何呢?許多學生就會陷入困境。
如以甲醇為燃料,若以稀硫酸(酸性介質)為電解質溶液,則
正極:3O2+12eˉ+12H+ 6H2O
負極:2CH3OH+2H2O 2CO2+12H++12eˉ
總反應方程式為:2CH3OH+3O2===2CO2+4H2O
上述甲醇燃料電池的電極反應方程式及總反應方程式,直觀來看似乎是相當難寫的,但只要分析清楚其反應原理,掌握了書寫規(guī)律則會變的相當容易。這就要求,首先要清楚掌握原電池或電解池的分析步驟及其書寫方法,以下將做進一步的展示。
不管是原電池還是電解池它們都屬于電化學,所以他們的分析問題的方法及步驟都應該是相似的。具體分析步驟如下:
第一步:不管是在原電池還是電解池,首先應清楚每一電極的極性,電極所帶電荷,及每一電極上所發(fā)生的反應。
關于電極的活性,一定要看具體的電解質溶液。應該特別清楚,原電池中能自發(fā)發(fā)生氧化還原反應。另一方面,電源的正極連接的電極為陽極,陽極上發(fā)生氧化反應。
第二步:將池中的電解質溶液中的所有離子分為兩組:陽離子和陰離子。
第三步:按照“同種電荷相互排斥,異種電荷相互吸引”的原則,判斷陽離子及陰離子的遷移方向,即向哪一電極移到。
第四步:判斷陽離子及陰離子在電極上放電的先后順序。一般情況下,常見陽離子的放電順序為
K+ Ca2+ Na+ Mg2+ Al3+Zn2+Fe2+Sn2+Pb2+H+Cu2+Ag+Au+
常見陰離子放電順序為:
Fˉ含氧酸根(如SO42ˉ) OHˉ ClˉBrˉ IˉS2ˉ
第五步:書寫電極反應方程式及總反應方程式。如在用惰性電極電解硫酸銅溶液時,首先電源正極連接陽極,陽極帶正電荷。而電源的負極連接陰極,陰極帶負電荷。
在燃料電池中,特別是含碳燃料,電極反應方程式及總反應方程的書寫相對較難,許多學生不易把握,但只要按照以下步驟來書寫,則任何難題都會迎刃而解。
第一步:寫出誰變成了什么。應當特別注意的是:當電解質溶液為酸性介質如稀硫酸時,含碳燃料變?yōu)槎趸肌.旊娊赓|溶液為堿性介質時如KOH溶液時,含碳燃料變?yōu)樘妓岣x子CO3 2ˉ。
現以甲醇為燃料,以石墨作電極為例。
在酸性介質中,如以稀硫酸為電解質溶液,則負極:CH3OH CO2
在堿性介質中,如以氫氧化鉀溶液為電解質溶液時,則負極:
CH3OH CO3 2ˉ
第二步:根據元素化合價的變化,標明電子的轉移情況。
第三步:根據兩邊氧原子數之差,用氫離子與水分子來調配。具體方法是:在氧原子數較多的一邊,每多一個氧原子,加上兩個氫離子,而在另一邊加多出氧原子數的水分子。
第四步:調配氫。若在第一步寫出的變化式中的化學式含氫原子,則在另一邊加上相應數目的氫離子。
如酸性介質中,CH3OH分子中含四個氫原子,而CO2不含氫原子,所以在上述方程式的右邊加上四個氫離子。
CH3OH+H2O CO2+2H++6eˉ+4H+
即:CH3OH+H2O CO2+6H++6eˉ
第五步:介質調整,上述酸性介質中的電極反應方程式就不變了,而在堿性介質中寫出的電極反應方程式中,不能出現氫離子,只能出現氫氧根離子,所以在方程的兩邊同時加上與氫離子數相同的氫氧根離子。
第六步:寫正極反應方程式
在酸性介質中:O2+4H++4e 2H2O
堿性介質中:將上述正極反應方程式進行介質調整,即在方程式兩邊同時加上四個氫氧根離子,抵消多余的水分子,即得
O2+2H 2O+4eˉ 4OHˉ
第七步:讓正負極電子轉移守恒,方法是用最小分倍數法:給上述負極反應方程式同時乘以2,正極方程式同時乘以3,分別得
酸性介質:負極:2CH3OH+2H2O 2CO2+12H++12eˉ
正極:3O2+12H++12eˉ 6H2O
堿性介質:負極:2CH3OH+16OHˉ 2CO3 2ˉ+12H2O+12eˉ
正極:3O2+6H2O+12eˉ 12OHˉ
第八步:總反應方程式的書寫.將上述正負極電極反應方程式相加. 在書寫燃料電池正的電極反應方程式時,一定要把握:先看電子轉移情況,再調配氧,后調配氫,最后調整介質的這樣一個次序,這樣才能做到有條不絮,條理有序,胸有成竹,心中有數。
總之,在學習電化學過程中的電極反應方程式及總反應方程式時,只要我們認真觀察,細致研究,把握實質,明辨是非,走出誤區(qū),那么一切問題將會迎刃而解。