原電池中電極反應式書寫探究

摘 要：電化學中電極反應式的書寫既是高中化學教學中的一個重點和難點，也是歷年高考中的熱頻考點。學生在書寫時總覺得不易著手，究其原因在于缺乏從電化學的理論基礎“氧化還原反應”的角度進行深入分析和推理。本文從實際教學出發，側重從氧化還原反應的角度剖析原電池中的正負極反應，探究對應電極反應式的書寫。

關鍵詞：原電池；氧化還原反應；氧化劑；還原劑；電極反應

一、 分析正負極和電解質環境

1. 區分正負極

原電池中的正負兩極，到底本身參不參與電極反應，需視具體情況而定。但要區分正負電極需首先分析對應的氧化還原反應，利用反應前后元素化合價的變化準確找出氧化劑和還原劑：所含元素化合價在反應后降低（得電子）的物質就是氧化劑，它所在的一極就是正極；所含元素化合價在反應后升高（失電子）的物質就是還原劑，它所在的一極就是負極。

2. 電解質環境

電解質溶液（或固體電解質）在原電池結構中屬于內電路，在其內部通過陰陽離子的定向移動傳遞電荷：陽離子向正極移動，陰離子向負極移動，從而使整個電路構成閉合回路。作為反應的參與者，電解質要么提供氧化性離子（即氧化劑）在正極上得電子，要么提供酸性或堿性環境協助反應進行。因此在書寫原電池的電極反應時需要仔細分析電解質溶液（或固體電解質）中有哪些離子、向哪個方向移動，具體又是哪些離子參與了電極反應。

二、 原電池中電極反應式的書寫

1. 簡單電極反應式的書寫

例1 寫出如圖所示的四個原電池裝置中的電極反應式。

本題涉及兩個問題：一是原電池正負極的判斷，二是電極反應式的書寫。分析時宜結合電極材料和電解質溶液先找出各自對應的氧化還原反應：氧化劑得電子的一極是正極，還原劑失電子的一極是負極。最后結合還原產物和氧化產物中對應元素的價態得出得失電子的數目，依原子守恒和電荷守恒寫出電極反應式。

（1）中Mg比Al還原性更強，所以對應的氧化還原反應是Mg+2H+Mg2++H2↑，Mg是還原劑作負極，溶液中的H+是氧化劑在Al電極上得電子，Al作正極，電極反應如下：

負極：Mg+2e-Mg2+（氧化反應）

正極：2H++2e-H2↑（還原反應）

（2）中雖然Mg比Al還原性更強，但Mg不與NaOH溶液反應，而Al能與之反應，對應的氧化還原反應是2Al+2OH-+6H2O2AlO2-+3H2↑+4H2O（一般簡寫成2Al+2OH-+2H2O2AlO2-+3H2↑），通過分析化合價可知Al是還原劑，所以Al作負極；H2O是氧化劑在Mg電極上得電子，Mg作正極，電極反應如下：

負極：2Al+8OH--6e-2AlO2-+2H2O（氧化反應）正極：6H2O+6e-3H2↑+6OH-（還原反應）（亦可簡寫成6H++6e-3H2↑）

（3）池中Fe雖然比Cu還原性強，但常溫下與濃硝酸發生鈍化，因此對應的氧化還原反應為Cu+4H++2NO-3Cu2++2NO2↑+2H2O，分析化合價變化可知Cu是還原劑，酸性條件下的NO-3作氧化劑，電極反應如下：

負極（Cu）：Cu2e-Cu2+（氧化反應）

正極（Fe）：2NO-3+4H++2e-2NO2↑+2H2O（還原反應）

（4）池中Fe、Cu兩個電極雖然不能與NaCl溶液直接反應，但還原性更強的Fe在該條件下能發生吸氧腐蝕。對應的氧化還原反應中還原劑是Fe作負極；氧化劑是O2，Cu作正極。總反應為2Fe+O2+2H2O2Fe（OH）2，電極反應如下：

負極：2Fe-4e-2Fe2+（氧化反應）

正極：O2+4e-+2H2O4OH-（還原反應）

2. 復雜電極反應式的書寫

例2 甲烷燃料電池電極反應式的書寫

（1）在酸性條件下，總反應：CH4+2O2CO2+2H2O

分析化合價變化可知CH4是還原劑，O2是氧化劑。O2中的O為0價，生成物中O為-2價，所以在正極上2mol O2得

8mol電子生成4mol O2-。因為電解質溶液呈酸性，所以4mol O2-結合8H+生成4mol H2O。

正極：2O2+8H++8e-4H2O。負極CH4失電子，CH4中C為-4價，氧化產物CO2中C為+4價，所以1mol CH4失8mol電子再結合H2O就能生成氧化產物CO2，書寫過程中同時要注意原子守恒和電荷守恒。負極：CH4-8e-+2H2OCO2+8H+。

（2）在堿性條件下，分步反應式為：2CH4+4O22CO2+4H2O，2CO2+4OH-2CO32-+2H2O，總反應為：CH4+2O2+2OH-CO32-+3H2O。

因為電解質溶液呈堿性，在正極氧化劑O2得電子生成O2-結合H2O生成OH-。

正極：2O2+4H2O+8e-8OH-

負極生成的CO2直接與堿性電解質溶液中的OH-反應生成CO32-。

負極：CH4+10OH-8e-CO32-+7H2O

綜上所述，原電池反應在本質上屬于氧化還原反應。如能從總反應角度出發找出氧化劑和還原劑以及還原產物和氧化產物，結合電解質中離子的性質，書寫電極反應將不再是難事。當然正負極反應作為整個氧化還原反應的兩個半反應，在某些情況下我們往往先寫出兩者中較簡單的一極反應，再用總反應減去這極反應就可得到另一極反應。

參考文獻：

[1]牛玉芳，任明剛.原電池中電極反應的書寫方法和技巧[J].現代閱讀，2011，09：137.

[2]重慶大學物理化學教研室編.物理化學[M].重慶：重慶大學出版社，2008：159.

作者簡介：高志勝，甘肅省白銀市，甘肅省白銀市會寧縣第五中學。