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原电池电极反应方程式的书写
原电池与其他的能源相比有许多的优点,如能量转换率高,供能稳定可靠;可制成各种形状大小,不同容量、电压的电池及电池组;使用方便、易于维护,是现代生产、生活、国防中大量使用的一种能源。正是由于这些原因,高考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。
分析近年的高考试题,电极反应方程式的书写主要有两大类型:一是根据题给电池反应方程式书写;二是根据题意文字叙述书写。下面就结合2009年高考试题分别说明这两种情况下电极反应方程式的书写。
一、根据题给电池反应方程式书写 例1:天津是我国研发和生产锂离子电池的重要基地。锂离子电池正极材料是含锂的二氧化钴(LiCoO2),充电时,LiCoO2中Li被氧化, Li+迁移并以原子形式嵌入电池负极材料碳(C6)中,以LiC6表示。电池反应为
CoO2+LiC6
放电充电
LiCoO2+C6,下列说法正确的是( )
A.充电时,电池的负极反应为LiC6-e-=Li++C6
B.放电时,电池的正极反应为CoO2+Li++e-=LiCoO2
C.羧酸、醇等含活泼氢的有机物可用作锂离子电池的电解质 D.锂离子电池的比能量(单位质量释放的能量)低
解析:可充电电池放电时发生原电池反应,两个电极称为正、负极;充电时发生电解反应,两个电极称阴、阳极。
该充电电池放电时:CoO2+LiC6=LiCoO2+C6 ,B选项就是考查原电池电极反应方程式的书写。
首先分析元素化合价的变化(如果化合价确定较难,就要充分利用题给信息) 根据题意:充电时,LiCoO2中Li被氧化,Li+迁移并以原子形式嵌入电池负极材料碳(C6)中,以LiC6表示。可知放电时CoO2中+4价的Co变为LiCoO2中+3价的Co,LiC6中0价 的 Li变为LiCoO2中+1价的Li
然后根据原电池负极发生氧化反应,正极发生还原反应的规律,写出两个电极的物质变化,但要注意物质的存在形式。如负极物质变化可表示如下:LiC6=Li+ 分析化合价的变化,此过程中要失去一个电子,可表示如下:LiC6-e-=Li+
其次检查方程式左右两边电荷是否相等。上式中左右两边各带一个单位的正电荷。若不相等,就要选择合适的离子配平电荷,但这时要特别注意介质的影响。如酸性介质时,常选H+;而碱性介质时,常选OH-. 最后,还要检查是否符合质量守恒。
所以,负极的电极反应方程式就表示为:负极 LiC6-e-=Li++ C6 将以上书写电极反应方程式的过程可归纳如下:
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列物质,标得失 (列出电极上的物质变化,根据价态变化标明电子得失) 选离子,配电荷 (根据介质选择合适的离子,配平电荷,使符合电荷守恒) 巧用水,配个数 (通常介质为水溶液,可选用水配平质量守恒) 根据以上的方法,就可写出该电池的正极反应式:
正极 Li++ CoO2 +e-= LiCoO2
当然,也可由电池反应减去负极反应而得到正极反应。此时必须保证电池反应 转移的电子数等于电极反应转移的电子数。
二、根据题意叙述书写
此类问题常见于燃料电池,由于燃料电池的优点较多,成为了近年高考的方 向。解决此类问题必须抓住一点:燃料电池反应实际上等同于燃料的燃烧反应,但要特别注意介质对产物的影响。
例2、(08山东卷29(2))以丙烷为燃料制作新型燃料电池,电池的正极通入O2和CO2,负极通入丙烷,电解质是熔融碳酸盐。电池反应方程式
为 ;负极反应为 ;放电时,CO32-移向电池的 (填“正极”或“负极”)
解析:燃料电池反应等同于燃料的燃烧反应。此题中,电解质为熔融碳酸盐,不会与C3H8的燃烧产物CO2和H2O发生反应,所以电池反应即为:C3H8+5O2=3CO2+4H2O
根据例1归纳的步骤可分步写出负极反应:
(1) C3H8-20 e-=3CO2+4H2O (C3H8中H为+1价,3个C表现-8价)
(2) 10 CO32-+ C3H8-20 e-=3CO2+4H2O (电解质为熔融碳酸盐,选CO32-配平电荷) (3) 10 CO32-+ C3H8-20 e-=13CO2+4H2O (质量守恒)
所以,负极 10 CO32-+ C3H8-20 e-=13CO2+4H2O
同理,正极 5O2+20 e-+10 CO2=10 CO32-(也可由电池反应减去负极反应) 结合上述分析,可归纳出如下规律:燃料电池中,燃料始终在负极,发生氧化反应;O2在正极发生还原反应。若为有机燃料生成物一般为CO2和H2O,介质为碱性时CO2会反应生成CO32-;化合价的变化主要分析C的变化。
根据原电池中阴离子移向负极,阳离子移向正极的规律,可知CO32-移向负极。 电极反应方程式的书写,除了按照步骤,分别保证电子守恒、电荷守恒、质量 守恒外,还应符合离子方程式的书写要求,即难溶、难电离、气体等物质要以化学式表示。