原电池电极反应式的书写

原电池是高中化学的重点章节,而其中电极反应方程式的知识已成为近几年能力测评的重要内容之一。原电池与其他的能源相比有许多的优点,如能量转换率高,可制成各种形状,不同容量、电压的电池及电池组,在现代生活、科研、国防中都有广泛的应用。正是由于这些原因,关于原电池的考题频频出现,电极反应方程式的书写更是考查的重点。电化学知识的考查题型为选择题和填空题,选择题重点考查电极名称、离子或电子的移动方向、电极上发生反应的类型、电极附近或整个溶液的酸碱性变化、电极反应式的正误判断；填空题重点考查电极反应式和电极总反应式的书写,题目灵活多变，既源于课本又高于课本。有关电化学中电极反应式和总反应方程式的书写，是重要的考点，也是难点。

原电池两电极上分别发生氧化反应、还原反应,因此电极反应式的书写要遵循质量守恒、电子守恒及电荷守恒，弱电解质、气体和难溶物均写化学式,其余的以离子符号表示，正极反应、负极反应产物根据题意或化学方程式确定,也要注意电解质溶液的成分对电极产物的影响。一般原电池电极反应式的书写方法是，首先按照负极发生氧化反应，正极发生还原反应，判断出电极反应产物，找出得失电子的数量；然后根据电极产物在电解质溶液的环境中，应能稳定存在，如碱性介质中生成的H＋应让其结合OH－生成水，电极反应式要依据电荷守恒和质量守恒、得失电子守恒等加以配平；最后将两电极反应式相加，与总反应方程式对照验证。

根据装置书写电极反应式应先分析给定的图示装置,确定原电池的正、负极上的反应物质。一般负极是活泼金属或H2失去电子生成阳离子，若电解质溶液中的阴离子与生成的阳离子不共存,则该阴离子应写入负极反应式，如铅蓄电池的负极:Pb+SO42—-2e-=PbSO4。一般正极是阳离子得到电子生成单质或O2得到电子，若反应物是O2,则正极的电极反应式有以下规律：电解质溶液呈碱性或中性:O2+2H2O+4e-=4OH-；电解质溶液呈酸性:O2+4H++4e-=2H2O。正、负电极反应式相加得到电池的总反应式。

【例题1】如图装置为某新型燃料电池的工作示意图,以HCl-NH4Cl溶液为电解质溶液。下列有关说法中正确的是(　　)

A.通入H2的电极为正极B.该电池的负极反应式为N2+6e-+8H+=2N

C.图中分离出的物质A为NH4ClD.该电池工作一段时间后,溶液的pH减小

【解析】分析题目中示意图可得,正极反应式为N2+6e-+8H+=2N,负极反应式为3H2-6e-=6H+,故A、B两项均错误;电池工作的总反应式为N2+3H2+2H+=2N,消耗H+,故电池工作一段时间后,溶液的pH增大,故D项错误;从电池的总反应式可知最终生成的物质为NH4Cl,则图中分离出的物质A为NH4Cl,故C项正确。

【答案】C

根据总反应式书写电极反应式的一般书写步骤：列物质,标得失；选离子,配电荷；配个数,巧用水；两式加,验总式。以2H2+O2=2H2O为例,电解质溶液为KOH溶液：根据总反应式列出发生氧化反应的物质为H2,转移电子数为2e-；根据电解质溶液的酸碱性,用H+或OH-或其他离子配平,使两边电荷总数相等，则负极反应式为H2-2e-+2OH-=2H2O，注意在碱性溶液中,电极反应式不出现H+。同理得到正极反应式为O2+4e-+2H2O=4OH-。将正、负极反应式相加,若得到总反应式,说明写法正确。

【例题2】金属(M)­空气电池(如图)具有原料易得、能量密度高等优点，有望成为新能源汽车和移动设备的电源。该类电池放电的总反应方程式为：4M＋nO2＋2nH2O===4M(OH)n。已知：电池的“理论比能量”指单位质量的电极材料理论上能释放出的最大电能。下列说法不正确的是(　　)

A．采用多孔电极的目的是提高电极与电解质溶液的接触面积，并有利于氧气扩散至电极表面

B．比较Mg、Al、Zn三种金属­空气电池，Al­空气电池的理论比能量最高

C．M­空气电池放电过程的正极反应式：4Mn＋＋nO2＋2nH2O＋4ne－===4M(OH)n

D．在Mg­空气电池中，为防止负极区沉积Mg(OH)2，宜采用中性电解质及阳离子交换膜

可充电电池放电时为原电池,充电时为电解池。原电池的负极发生氧化反应,充电时为阴极,发生还原反应,故放电时的负极反应式与充电时的阴极反应式相反；原电池的正极发生还原反应,充电时为阳极,发生氧化反应,故放电时的正极反应式与充电时的阳极反应式相反。使两个电极反应式的得失电子相等后将两式相加,消去反应物和生成物中相同的物质即可。注意若反应式同侧出现不能共存的离子,如H+和OH-、Pb2+和SO42—，要写成反应后的物质,如H2O、PbSO4。

【例题3】目前人们正研究开发一种高能电池——钠硫电池，它以熔融的钠、硫为两极，以Na＋导电的β″­Al2O3陶瓷作固体电解质，反应为2Na＋xSNa2Sx。以下说法正确的是(　　)

A.放电时，钠作正极，硫作负极

B.放电时，Na＋向负极移动

C.充电时，钠极与外电源正极相连，硫极与外电源的负极相连

D.放电时，负极发生的反应是：2Na－2e－===2Na＋

在燃料电池中,电解质溶液参与电极反应,电解质酸碱性的改变,引起电极反应的变化,但不影响燃料及O2的性质。电极反应在遵守质量守恒、电荷守恒、电子得失守恒的同时,还要特别考虑电解质溶液是否参与反应。在正负极上发生的电极反应不是孤立的，它往往与电解质溶液紧密联系，如氢氧燃料电池有酸式和碱式，在酸溶液中，电极反应式中不能出现OH－，在碱溶液中，电极反应式中不能出现H+，像CH4、CH3OH等燃料电池，在碱溶液中碳（C）元素以CO32－离子形式存在，而不是放出CO2气体。下表以CH3OH、O2燃料电池为例，分析电极反应式的书写。

A.反应CH4+H2O3H2+CO,每消耗1 mol CH4转移12 mol电子

B.电极A上H2参与的电极反应为H2+2OH--2e-=2H2O

C.电池工作时,C向电极B移动

D.电极B上发生的电极反应为O2+2CO2+4e-=2C

【考点练习】

1.如图装置为某新型燃料电池的工作示意图,以HCl-NH4Cl溶液为电解质溶液。下列有关说法中正确的是(　　)

A.通入H2的电极为正极B.该电池的负极反应式为N2+6e-+8H+=2N

C.图中分离出的物质A为NH4ClD.该电池工作一段时间后,溶液的pH减小

2.碱性电池具有容量大、放电电流大的特点，因而得到广泛应用。碱性锌锰电池以氢氧化钾溶液为电解液，电池总反应式为Zn(s)＋2MnO2(s)＋2H2O(l)===Zn(OH)2(s)＋2MnOOH(s)。下列说法中错误的是(　　)

A.电池工作时，锌失去电子

B.电池正极的电极反应式为2MnO2(s)＋2H2O(l)＋2e－===2MnOOH(s)＋2OH－(aq)

C.电池工作时，电子由正极通过外电路流向负极

D.外电路中每通过0.2 mol电子，锌的质量减少 6.5 g

3.锌铜原电池装置如图所示，其中阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过，下列有关叙述正确的是（）

A．铜电极上发生氧化反应

B．电池工作一段时间后，甲池的c(SO42－)减小

C．电池工作一段时间后，乙池溶液的总质量增加

D．阴阳离子离子分别通过交换膜向负极和正极移动，保持溶液中电荷平衡

4.在固态金属氧化物电解池中，高温共电解H2O—CO2混合气备H2和CO是一种新的能源利用方式，基本原理如图所示。下列说法不正确的是（）

A．X是电源的负极

B．阴极的反应式是：H2O＋2eˉ＝H2＋O2ˉCO2＋2eˉ＝CO＋O2ˉ

C．总反应可表示为：H2O＋CO2H2＋CO＋O2

D．阴、阳两极生成的气体的物质的量之比是1︰1

5．甲醇-空气燃料电池（DMFC）是一种高效能、轻污染的车载电池，其工作原理如下图。下列有关叙述正确的是

A．H+从正极区通过交换膜移向负极区

B．负极的电极反应式为：CH3OH(l)+H2O(l)－6e－＝CO2(g)+6H+

C．d导出的是CO2

D．图中b、c分别是O2、甲醇

6.原电池是化学对人类的一项重大贡献。

(1)如图是甲烷燃料电池原理示意图，回答下列问题：

①电池的负极是________(填“a”或“b”)电极，该极的电极反应式为____________。

②电池工作一段时间后电解质溶液的pH_______(填“增大”、“减小”或“不变”)。

(2)熔融盐燃料电池具有很高的发电效率，因而受到重视。可用Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混合物作电解质，CO为负极燃气，空气与CO2的混合气为正极助燃气，制得在650 ℃下工作的燃料电池。请完成有关的电池反应式：

负极反应式：2CO＋2CO－4e－===4CO2；

正极反应式：____________________________________________________________；

总电池反应式：__________________________________________________________。

7.某新型可充电电池能长时间保持稳定的放电电压，该电池的总反应为3Zn＋2K2FeO4＋8H2O3Zn(OH)2＋2Fe(OH)3＋4KOH。

(1)放电时负极反应为_____________________________。

(2)充电时Fe(OH)3发生________反应。

(3)放电时电子由________极流向________(填“正”或“负”)极。

(4)放电时1 mol K2FeO4发生反应，转移电子数是__________________。

8.燃料电池是利用燃料(如H2、CO、CH4、CH3OH、NH3等)与O2反应从而将化学能转化为电能的装置。

(1)甲烷燃料电池(NaOH作电解质溶液)的负极反应式为_________________________，正极电极反应式为________________________________________________________，放电过程中溶液的pH__________(填“增大”、“减小”或“不变”)。

(2)瑞典ASES公司设计的曾用于驱动潜艇的液氨－液氧燃料电池示意图如右，有关说法正确的是________。

a.电池工作时，Na＋向负极移动

b.电子由电极2经外电路流向电极1

c.电池总反应为4NH3＋3O2===2N2＋6H2O

d.电极2发生的电极反应为O2＋4H＋＋4e－===2H2O

(3)以葡萄糖为燃料的微生物燃料电池结构示意图如图所示。

①A为生物燃料电池的________(填“正”或“负”)极。

②正极反应式为__________________________________________________________。

负极反应式为____________________________________________________________。

③放电过程中，H＋由________极区向________极区迁移(填“正”或“负”)。

④在电池反应中，每消耗1 mol氧气，理论上能生成标准状况下CO2气体_______L。

⑤该电池________(填“能”或“不能”)在高温下工作。

(4)CO无色无味有毒，世界各国每年均有不少人因CO中毒而失去生命。一种CO分析仪的工作原理如图所示，该装置中电解质为氧化钇—氧化钠，其中O2－可以在固体介质NASICON中自由移动。传感器中通过的电流越大，尾气中CO的含量越高，请回答：

①a极电极反应式为_______________________________________________________。

②工作时，O2－由电极______向电极___移动(填“a”或“b”，下同)，电子由电极________通过传感器流向电极________。

参

1.【解析】分析题目中示意图可得,正极反应式为N2+6e-+8H+=2N,负极反应式为3H2-6e-=6H+,故A、B两项均错误；电池工作的总反应式为N2+3H2+2H+=2N,消耗H+,故电池工作一段时间后,溶液的pH增大,故D项错误；从电池的总反应式可知最终生成的物质为NH4Cl,则图中分离出的物质A为NH4Cl,故C项正确。【答案】C

2.【解析】锌为负极，在反应中失去电子；电池工作时，电流由正极通过外电路流向负极，而电子移动方向与电流方向相反，故C错误；由电子守恒知D项正确；由该电池反应的总反应式和原电池原理写出正极反应式知B正确。【答案】C

4.【解析】A、从图示可看出，与X相连的电极发生H2O→H2、CO2→CO的转化，均得电子，应为电解池的阴极，则X为电源的负极，A正确；B、阴极H2O→H2、CO2→CO均得电子发生还原反应，电极反应式分别为：H2O＋2eˉ＝H2＋O2ˉ、CO2＋2eˉ＝CO＋O2ˉ，B正确；C、从图示可知，阳极生成H2和CO的同时，阴极有O2生成，所以总反应可表示为：H2O＋CO2H2＋CO＋O2，C正确；D、从总反应方程式可知，阴极生成2mol气体(H2、CO各1mol)、阳极生成1mol气体(氧气)，所以阴、阳两极生成的气体物质的量之比2∶1，D错误。【答案】D

5.【解析】由H+的迁移方向（从负极到正极），可知甲为负极，乙为正极，故b、c分别通入甲醛、O2；c、d分别导出CO2、H2O。【答案】B

6.【解析】(1)CH4在反应时失去电子，故a电极是电池的负极。由于电池工作过程中会消耗OH－，故一段时间后，电解质溶液的pH会减小。(2)正极发生还原发应，故正极电极反应式为O2＋2CO2＋4e－===2CO，根据正极反应式＋负极反应式＝总电池反应，可推知总电池反应式应为2CO＋O2===2CO2。

【答案】(1)①a　CH4＋10OH－－8e－===CO＋7H2O　②减小　(2)O2＋2CO2＋4e－===2CO　2CO＋O2===2CO2

7.解析　放电时锌在负极发生氧化反应，因为电解质是碱，故负极反应是Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2；电子由负极流出，通过外电路流向正极，每1 mol K2FeO4发生反应，转移电子是3 mol，数目是1.806×1024，充电时Fe(OH)3失去电子发生氧化反应。

【答案】(1)Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2(2)氧化　(3)负　正　(4)1.806×1024

2为原电池正极，电池工作时，Na＋向正极移动，电子由电极1经外电路流向2，电极2电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－。电极1电极反应式为2NH3＋6OH－－6e－===N2＋6H2O。(3)①O2→H2O发生还原反应，故A为燃料电池的正极，B为燃料电池的负极。②由于电解质中含有H＋，故正极电极反应为O2＋4H＋＋4e－===2H2O，负极电极反应为C6H12O6＋6H2O－24e－===6CO2↑＋24H＋。③放电过程中，H＋由负极区向正极区移动。④葡萄糖燃料电池的总反应为C6H12O6＋6O2===6CO2＋6H2O，即1 mol O2～1 mol CO2，每消耗1 mol O2，理论上生成标准状况下CO2气体22.4 L。⑤高温下由于微生物蛋白质发生变性，故该电池不能在高温下工作。(4)根据元素价态变化可知，a电极为负极，电极反应式为CO＋O2－－2e－===CO2，b电极为正极，电极反应式为O2＋4e－===2O2－，总反应为2CO＋O2===2CO2。工作时电子由电极a通过传感器流向电极b，O2－由电极b向电极a移动。

【答案】(1)CH4＋10OH－－8e－===CO＋7H2O　O2＋2H2O＋4e－===4OH－　减小　(2)c　(3)①正极　②O2＋4H＋＋4e－===2H2O　C6H12O6＋6H2O－24e－===6CO2↑＋24H＋　③负　正　④22.4　⑤不能　(4)①CO＋O2－－2e－===CO2　②b　a　a　b