低温锂二次电池电极材料研究进展_再谈二次电池电极反应式的书写
时间：2020-02-23 07:29:22 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
二次电池又称充电电池或蓄电池，它的工作过程包括放电过程和充电过程，其电极名称的确立及电极反应式的书写是长期以来困惑广大师生的难点，也是历年来高考的热点。2011年高考新课标全国理综卷又再次作为重点考查了这方面的知识（共有10分），笔者通过二十多年来的高三教学实践和探索，对此种题型的解法有些心得，归纳如下。
一、电极名称的确立
二次电池的放电过程相当于原电池的工作过程，电极叫正、负极，升价（失电子）的物质作负极，降价（得电子）的物质作正极；它的充电过程相当于电解池的工作过程，电极叫阴、阳极，升价（失电子或连外电源正极）的物质作阳极，降价（得电子或连外电源负极）的物质作阴极。
二、电极反应式的书写方法
先根据总化学反应方程式中充电或放电方向物质的化合价升、降数确定该电极反应中的得、失电子数，然后结合有关电解质溶液，利用电荷守恒定律，确定该电极反应的生成物和反应物，最后根据元素守恒定律，确立并配平其它物质。
例1（2011年高考新课标全国理综卷第11题）铁镍蓄电池又称爱迪生电池，放电时的总反应为：Fe + Ni2O3 + 3H2OFe（OH）2 + 2Ni（OH）2
下列有关该电池的说法不正确的是（）
A．电池的电解液为碱性溶液，正极为Ni2O3，负极为Fe
B．电池放电时，负极反应为Fe + 2OH2e Fe（OH）2
C．电池充电过程中，阴极附近溶液的pH降低
D．电池充电时，阳极反应为2Ni（OH）2 + 2OH2eNi2O3 + 3H2O
解析放电过程相当于原电池的工作过程。
（1）电极名称的确立
根据总化学反应方程式从左至右方向的化合价升降情况可判断，Fe（升价）作负极，Ni2O3（降价）作正极。
（2）电极反应式的书写
正极反应式的书写：
①先根据总化学反应方程式接从左至右方向由Ni2O3的降价数及其还原产物写出：Ni2O3 + 2e ― 2Ni（OH）2。
②然后根据电荷守恒定律，从理论上分析可能存在两种情况：或在①式的左边加上2个H+，或在①式的右边加上2个OH，但结合题干中总化学反应方程式分析可知，电解质溶液应为碱性溶液。因此，只有在①式的右边加上2个OH才能维持电荷守恒，则①式可改写成：Ni2O3 + 2e ― 2Ni（OH）2 + 2OH。
③再根据元素守恒定律，确立并配平其它物质，将“―”改成“”。只有在②式的左边加上3个H2O才能使氢、氧元素守恒，再检查镍元素已守恒。因此，该正极反应式最终为：Ni2O3 + 2e + 3H2O2Ni（OH）2 + 2OH。
负极反应式的书写：
①先根据总化学反应方程式从左至右方向由Fe的升价数及其氧化产物写出：Fe2e ― Fe（OH）2
②然后根据电荷守恒定律，并根据题干中电解质溶液为碱性溶液，只有在①式的左边加上2个OH才能维持电荷守恒，则①式可改写成：Fe2e + 2OH ― Fe（OH）2。
③再根据元素守恒定律，确立并配平其它物质，将“―”改成“”。 检查②式发现各元素均已守恒，无需再确立其它物质和配平。因此，该负极反应式最终为：Fe2e + 2OHFe（OH）2。
补充：如已写出一电极反应式，则另一电极反应式也可用总化学反应方程式相减而得到。如上述已先写出正极反应式为：Ni2O3 + 2e + 3H2O2Ni（OH）2 + 2OH，则也可以根据总化学反应方程式减去该正极反应式从而得出负极反应式为Fe2e + 2OHFe（OH）2。
不过本文意在分析书写的方法和过程，所以暂时不谈减法。
充电过程相当于电解池的工作过程。
（1）电极名称的确立
根据总化学反应方程式从右至左方向的化合价升降情况可判断，Ni（OH）2（升价）作阳极，Fe（OH）2（降价）作阴极。
（2）电极反应式的书写
阳极反应式的书写：
①先根据总化学反应方程式从右至左方向Ni（OH）2的升价数及其氧化产物写出：2Ni（OH）22e― Ni2O3。
②然后根据电荷守恒定律，并根据题干中电解质溶液为碱性溶液，只有在①式的左边加上2个OH才能维持电荷守恒，则①式可改写成：2Ni（OH）22e + 2OH ― Ni2O3。
③再根据元素守恒原理，确立并配平其它物质，将“―”改成“”。只有在②式的右边加上3个H2O才能使氢、氧元素守恒，再检查镍元素已守恒。因此，该阳极反应式最终为：2Ni（OH）22e + 2OHNi2O3 + 3H2O。
阴极反应式的书写：
按上述方法，阴极反应式为：Fe（OH）2 + 2eFe + 2OH（分析过程略）。
综上所述，A、B、D选项正确，C选项错误，该题应选C。
补充：同理，如已写出一电极反应式，则另一电极反应式也可用总化学反应方程式相减而得到。过程略。
三、拓展与深化
如果题干中没有直接告诉总化学反应方程式，则可根据已知条件写出总化学反应方程式，在写出总化学反应方程式后，应根据题干中有关电解质溶液进行分析。如电解质溶液不与生成物发生化学反应，则总化学反应方程式不变，应仍按原总化学反应方程式来分析和书写电极反应式；如电解质溶液可与生成物发生化学反应，则总化学反应方程式会发生改变，应按改变后的总化学反应方程式来分析和书写电极反应式。
例2（2011年高考新课标全国理综卷第27题第（5）问）在直接以甲醇为燃料的燃料电池中，电解质溶液为酸性，则负极的反应式为_______________、正极的反应式为_____________________________。
解析以甲醇为燃料的燃料电池是原电池，先写出甲醇燃烧的化学反应方程式：2CH3OH + 3O2 →2CO2 + 4H2O，然后按照上述方法书写电极反应式。
（1）负极反应式的书写：
①先根据甲醇燃烧化学反应方程式中CH3OH的升价数及其氧化产物写出：CH3OH6e ― CO2。
②然后根据电荷守恒定律，从理论上分析可能存在两种情况：或在①式的左边加上6个OH，或在①式的右边加上6个H+。但根据题干中电解质溶液为酸性，只有在①式的右边加上6个H+才能维持电荷守恒，则①式可改写成：CH3OH6e ― CO2 + 6H+。
③再根据元素守恒定律，确立并配平其它物质，将“―”改成“”。只有在①式的左边加上1个H2O才能使氢、氧元素守恒，再检查碳元素已守恒。因此，该负极反应式最终为：CH3OH6e + H2OCO2 + 6H+。
（2）正极反应式的书写：
①先根据甲醇燃烧化学反应方程式中O2的降价数及其还原产物写出：O2 + 4e ― 2H2O。
②然后根据电荷守恒定律，并根据题干中电解质溶液为酸性，只有在①式的左边加上4个H+才能维持电荷守恒，则①式可改写成：O2 + 4e + 4H+ ―2H2O
③再根据元素守恒定律，确立并配平其它物质，将“―”改成“”。检查②式发现各元素均已守恒，无需再确立其它物质并配平。因此，该正极反应式最终为：O2 + 4e + 4H+ 2H2O。
注：减法过程略。
例3例２变形：在直接以甲醇为燃料的燃料电池中，电解质溶液为KOH溶液，则负极的反应式为_____________，正极的反应式为______________。
解析以甲醇为燃料的燃料电池是原电池，先写出甲醇燃烧的化学反应方程式：2CH3OH + 3O2 → 2CO2 + 4H2O。由于KOH溶液与生成的CO2发生了化学反应，则总化学反应方程式应变为：2CH3OH + 3O2 + 4KOH2K2CO3 + 6H2O。因此，需要用改变的这个总化学方程式进行分析， 然后按照上述方法书写电极反应式，具体过程略。
负极：CH3OH6e + 8OH CO32 + 6H2O
正极：O2 + 2H2O + 4e4OH
巩固训练
1. 高铁电池的总反应为：3Zn + 2K2FeO4 + 8H2O3Zn（OH）2 + 2Fe（OH）3 + 4KOH，下列叙述不正确的是（）
A．放电时负极反应为：Zn2e + 2OH Zn（OH）2
B．充电时阳极反应为：Fe（OH）33e + 5OHFeO42 + 4H2O，阳极接外电源正极
C．放电时，每转移3 mol电子，正极有1 molK2FeO4被氧化
D．放电时，正极附近溶液的碱性增强，阴离子移向负极
2. 目前人们正研究一种高能电池，叫钠硫电池，反应如下：2Na + xSNa2Sx
下列说法中正确的是（）
A．放电时，Na作正极，硫作负极
B．放电时，钠极发生还原反应
C．充电时，钠极与外电源正极相连，硫极与外电源负极相连
D．充电时，阳极发生反应是Sx22e xS
3. 摩托罗拉公司开发了一种以甲醇为原料，以KOH为电解质的高效燃料电池。
（1）关于该电池的叙述错误的是（）
A．放电时，正极反应为：O2 + 4e + 4H+2H2O
B．放电时，负极反应为：CH3OH6e + 8OH CO32 + 6H2O
C．放电时，OH移向正极
（2）若以磺酸类质子作电解质，试写出该燃料电池的电极反应式。
（3）若以熔融的氧化钇（Y2O3）和氧化锆（ZrO2）作电解质，试写出该燃料电池的电极反应式。
（4）若以熔融的K2CO3为电解质，正极充入CO2和O2的混和气体，试写出该燃料电池的电极反应式。
4. 现用镁条和Al条作电极，插入某电解质溶液，用导线连接成为闭合电路。
（1）若电解质为稀硫酸，则正极为________，其电极反应为________；负极为________，其电极反应为________，电子流向________。
（2）若电解质为NaOH溶液，则正极为________，其电极反应为________；负极为________，其电极反应为________，电流方向为________。
参考答案
1. C2. D 3. （1）AC
（2）正极：4H+ + O2 + 4e2H2O
负极：CH3OH6e + H2OCO2 + 6H+
（3）正极：O2 + 4e2O2
负极： CH3OH6e + 3O2CO2↑ + 2H2O
（4）正极：O2 + 4e + 2CO22CO32
负极：CH3OH6e + 3CO32 2H2O+ 4CO2↑
4. （1）Al2H+ + 2eH2↑Mg
Mg2e Mg2+ Mg →Al
（2） Mg2H2O + 2eH2↑ + 2OH
AlAl+ 4OH3e AlO2 + 2H2O
Al →Mg
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