湖北 王小華

高考中原電池電極反應(yīng)式的幾種考查類型

湖北 王小華

原電池一直是高考中的熱點(diǎn)、重點(diǎn)，關(guān)于電極反應(yīng)式書寫的考查在歷年高考題中屢見不鮮，題型有選擇題和填空題。筆者結(jié)合近幾年的高考題，將原電池電極反應(yīng)式的書寫歸納成幾個(gè)類型，希望高三學(xué)子們記住這幾個(gè)典型的例子，融會(huì)貫通后再舉一反三，力爭(zhēng)這部分內(nèi)容不失分或少失分。

類型一：一次電池電極方程式的考查

（1）干電池的考查

【例1】（1）（2015新課標(biāo)Ⅱ）酸性鋅錳干電池是一種一次性電池，外殼為金屬鋅，中間是碳棒，其周圍是有碳粉、MnO2、ZnCl2和NH4Cl等組成的糊狀填充物。該電池放電過程產(chǎn)生MnOOH?；卮鹣铝袉栴}：該電池的正極反應(yīng)式為________，電池反應(yīng)的離子方程式為________。

（2）（2014四川，節(jié)選）污染物的有效去除和資源的充分利用是化學(xué)造福人類的重要研究課題。某研究小組利用軟錳礦（主要成分為MnO2，另含有少量鐵、鋁、銅、鎳等金屬化合物）作脫硫劑，通過如下簡(jiǎn)化流程既脫除燃煤尾氣中的SO2，又制得電池材料MnO2（反應(yīng)條件已省略）。MnO2是堿性鋅錳電池的正極材料。堿性鋅錳電池放電時(shí)，正極的電極反應(yīng)式是________。

【解析】干電池是常見的一次電池，又分為酸性和堿性，通過上述高考題，可看出年年都考。酸性干電池電解質(zhì)為NH4Cl，水解出H＋顯酸性，使用久了會(huì)產(chǎn)生NH3，造成電池膨脹，滲出液體。其負(fù)極為鋅筒，電極方程式為：Zn－2e－=== Zn2＋，正極是碳棒，上面有銅帽，但正極碳棒不反應(yīng)，是MnO2在正極得電子發(fā)生還原反應(yīng)，產(chǎn)物為MnCl2或MnOOH，電極方程式寫法有兩種，反應(yīng)物中陽離子可寫成H＋或，原因是此處H＋由NH4Cl水解產(chǎn)生。顯然此題（1）問考酸性干電池，（2）問考?jí)A性鋅錳電池，且正極電極方程式考得多，故有必要將總反應(yīng)和正極方程式記下來以便備考。堿性干電池只不過是電解質(zhì)換成了KOH，正極負(fù)極材料不變，但由于負(fù)極產(chǎn)生的Zn2＋與堿性條件下的OH－不共存，會(huì)生成Zn（OH）2沉淀，故負(fù)極電極方程式變化為：Zn－2e－＋2OH－===Zn（OH）2；正極顯然參加反應(yīng)的不再有H＋，應(yīng)為H2O，再據(jù)MnO2變化為MnOOH錳化合價(jià)降低，得電子，要滿足電荷守恒，故生成物中有氫氧根離子，則方程式不難寫出。

【答案】（1）MnO2＋＋e－===MnOOH＋NH3或 MnO2＋H＋＋e－===MnOOH Zn＋2MnO2＋=== Zn2＋＋2MnOOH＋2NH3或Zn＋2MnO2＋2H＋=== 2MnOOH＋Zn2＋

（2）2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－

【變式訓(xùn)練1】（2012新課標(biāo)Ⅰ）高鐵酸鉀（K2FeO4）是一種強(qiáng)氧化劑，可作為水處理劑和高容量電池材料。與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(yīng)式為________ _________________，該電池總反應(yīng)的離子方程式為______ ___________________。

【解析】既然題目給出與MnO2－Zn電池類似，且為堿性電池，則負(fù)極顯然是Zn，正極參加反應(yīng)的是K2FeO4，得電子后變?yōu)椋?價(jià)鐵，由于溶液為堿性，故K2FeO4的還原產(chǎn)物為Fe（OH）3；而負(fù)極Zn在堿性條件下只能生成Zn（OH）2沉淀，3Zn－6e－＋6OH－===3Zn（OH）2；正極反應(yīng)式為2FeO24－＋6e－＋8H2O－===2Fe（OH）3＋10OH－，總反應(yīng)的離子方程式相加即得。

【答案】＋3e－＋4H2O ===Fe（OH）3＋5OH－ 3Zn＋＋8H2O ===3Zn（OH）2＋2Fe（OH）3＋4OH－

（2）銅鋅原電池的考查

【例2】（2015天津）鋅銅原電池裝置如圖所示，其中陽離子交換膜只允許陽離子和水分子通過，下列有關(guān)敘述正確的是（ ）

A．銅電極上發(fā)生氧化反應(yīng)

B．電池工作一段時(shí)間后，甲池的c（SO2－4）減小

C．電池工作一段時(shí)間后，乙池溶液的總質(zhì)量增加

D．陰陽離子分別通過交換膜向負(fù)極和正極移動(dòng)，保持溶液中電荷平衡

【解析】銅鋅原電池是最簡(jiǎn)單的一次電池，教材上又分為有鹽橋和無鹽橋兩種，無論哪種，其原理都一樣，即銅作正極，發(fā)生還原反應(yīng)。鋅作負(fù)極，發(fā)生氧化反應(yīng)。

【答案】C

類型二：二次電池電極方程式的考查

（1）鉛蓄電池的考查

【例3】（2014新課標(biāo)Ⅱ）鉛及其化合物可用于蓄電池，耐酸設(shè)備及X射線防護(hù)材料等。回答下列問題：

PbO2也可以通過石墨為電極，Pb（NO3）2和Cu（NO3）2的混合溶液為電解液電解制取。陽極發(fā)生的電極反應(yīng)式：______________________。

【解析】鉛蓄電池是二次電池，分為充電和放電。原理為PbO2＋Pb＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O；放電時(shí)為原電池，應(yīng)從左往右看，此時(shí)電極稱為正負(fù)極，負(fù)極為Pb，產(chǎn)生Pb2＋，與不共存，生成PbSO4，Pb－2e－＋===PbSO4；正極為PbO2得電子，生成正二價(jià)Pb，同樣與不共存生成PbSO4，PbO2＋2e－＋＋4H＋=== PbSO4＋2H2O；充電時(shí)為電解池，從右往左看，此時(shí)電極稱為陰陽極，原來原電池的正極此時(shí)應(yīng)重新由PbSO4變?yōu)镻bO2，稱為陽極，電極反應(yīng)式為PbSO4＋2H2O－2e－=== PbO2＋＋4H＋，負(fù)極則由PbSO4變?yōu)镻b，稱為陰極，電極反應(yīng)式為PbSO4＋2e－===Pb＋；本題據(jù)題意知應(yīng)重新由Pb（NO3）2變?yōu)镻bO2，Pb（NO3）2中Pb為＋2價(jià)，PbO2中Pb為＋4價(jià)，則Pb（NO3）2會(huì)失電子被氧化，應(yīng)在陽極反應(yīng)，由于電解質(zhì)溶液為酸性，故Pb2＋變?yōu)镻bO2，其中氧元素由H2O提供，故可得方程式。

【答案】Pb2＋＋2H2O－2e－===PbO2↓＋4H＋

（2）手機(jī)鋰離子電池的考查

常見的手機(jī)電池也是二次電池，一般用鋰離子電池，因?yàn)殇囀琴|(zhì)量最輕的金屬，比能量最高。

【例4】（2014新課標(biāo)Ⅱ）2013年3月我國科學(xué)家報(bào)道了如圖所示的水溶液鋰離子電池體系，下列敘述錯(cuò)誤的是（ ）

A．a(chǎn)為電池的正極

B．電池充電反應(yīng)為LiMn2O4===Li1－xMn2O4＋xLi

C．放電時(shí)，a極鋰的化合價(jià)發(fā)生變化

D．放電時(shí)，溶液中Li＋從b向a遷移

【解析】由圖可知，該裝置為原電池裝置，其中金屬鋰較活潑，放電時(shí)作負(fù)極，即b為電池的負(fù)極，a處LiMn2O4為電池的正極，則A項(xiàng)對(duì)，負(fù)極反應(yīng)式為Li－e－===Li＋，LiMn2O4是正極材料，本身不參加反應(yīng)，反應(yīng)式為Mn2O4＋e－＋Li＋===LiMn2O4，則放電時(shí)總反應(yīng)方程式為Li＋Mn2O4===LiMn2O4或Li1－xMn2O4＋xLi ===LiMn2O4；充電時(shí)為電解池，總反應(yīng)方程式為LiMn2O4=== Li1－xMn2O4＋xLi，故B項(xiàng)對(duì)；放電時(shí)，陽離子向正極遷移，陰離子向負(fù)極遷移，則Li＋應(yīng)向a遷移，D項(xiàng)對(duì)；放電時(shí)，a處鋰的化合價(jià)不發(fā)生變化，發(fā)生變化的應(yīng)是Mn2O4中的Mn元素化合價(jià)改變。

【答案】C

類型三：燃料電池電極反應(yīng)式的考查

燃料電池其實(shí)也是一次電池，只不過不同于一般的一次電池，因?yàn)槠淙剂衔创鎯?chǔ)在電池內(nèi)部，而是分別在兩極通入。常見的燃料電池即教材上出現(xiàn)的氫氧燃料電池，其電解質(zhì)溶液有酸性、堿性等。下面筆者歸納了四個(gè)方面，即以酸性、堿性、熔融氧化物，熔融分別作電解質(zhì)，來書寫電極方程式。

（1）酸性燃料電池

【例5】（2013新課標(biāo)Ⅰ）二甲醚（CH3OCH3）可作為一種新型能源。二甲醚直接燃料電池具有啟動(dòng)快、效率高等優(yōu)點(diǎn)，其能量密度高于甲醇直接燃料電池（5．93kW·h·kg－1）。若電解質(zhì)為酸性，二甲醚直接燃料電池的負(fù)極反應(yīng)為________。

【解析】據(jù)題意知本題為二甲醚燃料電池，其原理就是利用二甲醚與氧氣的氧化還原反應(yīng)，總反應(yīng)為CH3OCH3＋3O2===2CO2＋3H2O，顯然通氧氣一極為正極，由于電解質(zhì)為酸性，有大量的H＋，故反應(yīng)式為O2＋4H＋＋4e－=== 2H2O，用總反應(yīng)方程式減正極反應(yīng)式即可得答案；或者直接根據(jù)化合價(jià)知識(shí)也可寫出，CH3OCH3中碳為－2價(jià)，反應(yīng)后產(chǎn)物應(yīng)為CO2，＋4價(jià)，則一分子二甲醚失12電子，據(jù)氧守恒反應(yīng)物補(bǔ)充H2O，則生成物補(bǔ)充H＋，再配平即可。

【答案】CH3OCH3＋3H2O－12e－===2CO2＋12H＋

【變式訓(xùn)練2】（2015新課標(biāo)Ⅰ）微生物電池是指在微生物的作用下將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，其工作原理如圖所示。下列有關(guān)微生物電池的說法錯(cuò)誤的是（ ）

A．正極反應(yīng)中有CO2生成

B．微生物促進(jìn)了反應(yīng)中電子的轉(zhuǎn)移

C．質(zhì)子通過交換膜從負(fù)極區(qū)移向正極區(qū)

D．電池總反應(yīng)為C6H12O6＋6O2===6CO2＋6H2O

【解析】本題為微生物電池，但材料很新穎，乍一看不知怎么做。不過可根據(jù)一般規(guī)律即燃料在負(fù)極反應(yīng)，O2在正極，得電子發(fā)生還原反應(yīng)（看圖知有質(zhì)子交換）；C6H12O6在負(fù)極失電子發(fā)生氧化反應(yīng)。

【答案】A

（2）堿性燃料電池

【例6】（2013新課標(biāo)Ⅰ，有改動(dòng)）二甲醚（CH3OCH3）是無色氣體，可作為一種新型能源。由合成氣（組成為H2、CO和少量的CO2）直接制備二甲醚。二甲醚直接燃料電池具有啟動(dòng)快、效率高等優(yōu)點(diǎn)。若電解質(zhì)為堿性，二甲醚直接燃料電池的負(fù)極反應(yīng)為________。

【解析】本題為二甲醚（CH3OCH3）堿性燃料電池，顯然二甲醚在負(fù)極反應(yīng)，O2在正極反應(yīng)，產(chǎn)物先為CO2和H2O，由于為堿性，CO2繼續(xù)OH－與反應(yīng)生成和H2O。故正極方程式為O2＋2H2O＋4e－===4OH－，負(fù)極反應(yīng)二甲醚中碳為－2價(jià)，反應(yīng)后CO32－中碳為＋4價(jià)，則負(fù)極方程式為CH3OCH3＋16OH－－12e－===＋11H2O，電池總反應(yīng)為CH3OCH3＋3O2＋4OH－===＋5H2O

【答案】CH3OCH3＋16OH－－12e－===＋11H2O

（3）熔融氧化物燃料電池

【例7】（2013北京）通過NOx傳感器可監(jiān)測(cè)NOx的含量，其工作原理示意圖如下：

①Pt電極上發(fā)生的是__________（填“氧化”或“還原”）反應(yīng)。

②寫出NiO電極的電極反應(yīng)式：__________________ _____________。

【解析】本題較簡(jiǎn)單，通過示意圖可看出O2得電子變?yōu)镺2－，則通O2一極應(yīng)為正極，即Pt電極上發(fā)生還原反應(yīng)，電極反應(yīng)式為O2＋4e－===2O2－；通NO一極應(yīng)為負(fù)極，由圖可知NO變?yōu)镹O2，失電子，發(fā)生氧化反應(yīng)，反應(yīng)式為NO＋O2－－2e－===NO2，電池總反應(yīng)為2NO＋O2===2NO2。

【答案】①還原 ②NO＋O2－－2e－===NO2

（4）熔融碳酸鹽燃料電池

【例8】（2015江蘇）一種熔融碳酸鹽燃料電池原理示意如圖。下列有關(guān)該電池的說法正確的是（ ）

A．反應(yīng)CH4＋H2O3H＋CO，每消耗1mol2CH4轉(zhuǎn)移12mol電子

B．電極A上H2參與的電極反應(yīng)為H2＋2OH－－2e－===2H2O

C．電池工作時(shí)，CO23－向電極B移動(dòng)

D．電極B上發(fā)生的電極反應(yīng)為O2＋2CO2＋4e－

【解析】本題較復(fù)雜，首先是左邊的CH4和H2O變?yōu)镠2和CO，然后H2和CO再在電極A上反應(yīng)生成CO2和H2O，顯然H2和CO中氫元素和碳元素的化合價(jià)升高，發(fā)生氧化反應(yīng)，電極A為負(fù)極，則通O2的一極即電極B為正極，發(fā)生還原反應(yīng)，由于有參與循環(huán)，則電極A上H2參與的反應(yīng)為H2＋－2e－===CO2＋2H2O，CO參與的反應(yīng)為CO＋－2e－===2CO2；電極B上O2參與的反應(yīng)為O2＋2CO2＋4e－===，總反應(yīng)為CO＋3H2＋ 2O2===CO2＋3H2O。

【答案】D

【變式訓(xùn)練3】書寫甲烷燃料電池在下列條件下的電極反應(yīng)式：

（1）酸性條件下，負(fù)極___________；正極___________；總反應(yīng)________。

（2）堿性條件下，負(fù)極___________；正極___________；總反應(yīng)________。

（3）熔融Y2O3－Na2O為電解質(zhì)（O2－參與循環(huán)），負(fù)極________；正極________；總反應(yīng)________。

【答案】（1）負(fù)極CH4＋2H2O－8e－===CO2＋8H＋

正極2O2＋8H＋＋8e－===4H2O

總反應(yīng)CH4＋2O2===CO2＋2H2O

（2）負(fù)極CH4＋10OH－－8e－===＋7H2O

正極2O2＋4H2O＋8e－===8OH－

總反應(yīng)CH4＋2O2＋2OH－===＋3H2O

（3）負(fù)極CH4＋4O2－－8e－===CO2＋2H2O

正極2O2＋8e－===4O2－

總反應(yīng)CH4＋2O===2CO2＋2H2O

（4）負(fù)極CH4＋4CO2－3－8e－===5CO2＋2H2O

正極2O2＋4CO2＋8e－===4CO2－3

總反應(yīng)CH4＋2O===2CO2＋2H2O

綜上所述，筆者認(rèn)為書寫電極方程式的一般方法為，第一步應(yīng)找準(zhǔn)對(duì)象，看正負(fù)極材料及參加反應(yīng)的物質(zhì)是什么，發(fā)生什么反應(yīng)；第二步要根據(jù)化合價(jià)變化算準(zhǔn)得失，即電子個(gè)數(shù)要弄對(duì)；第三步則要根據(jù)題目所給的環(huán)境，巧用氫氧元素去寫出兩極方程式；第四步則注意兩極方程式的得失電子相等或守恒，相加為總方程式，利用此原理，當(dāng)某一極方程式較難時(shí)，也可先寫總方程式和較簡(jiǎn)單一極的方程式，相減即得。

【考點(diǎn)定位及解題建議】高考題中關(guān)于原電池主要考查反應(yīng)原理，涉及反應(yīng)類型、離子濃度的變化、電極的判斷、離子的移動(dòng)方向的判斷等。電化學(xué)反應(yīng)原理是選修4中的重要內(nèi)容，也是難點(diǎn)之一。原電池的反應(yīng)原理的應(yīng)用，抓住化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)、正負(fù)極的判斷、正負(fù)極反應(yīng)類型的判斷、電極反應(yīng)式的書寫、總反應(yīng)方程式的書寫、電子的流向、電流的流向、溶液中離子的流向、電極是否參加反應(yīng)、電子的轉(zhuǎn)移、有關(guān)氧化還原反應(yīng)的計(jì)算、離子交換膜的判斷等都是解題的關(guān)鍵。

（作者單位：湖北省荊州市公安縣南閘中學(xué)）