突破高考化学中陌生电化学方程式书写.pdf

奄 突破高考化学中 陌生咆化学方程式书写 口河南省鄢陵县第一高级中学高小艳 电化学方程式的书写不仅是电化学理论的重点和难点，更是 一直以来高考命题的热点，尤其是在国家倡导“节能、环保、低 碳”的大背景下，电化学与生产、生活及新科技等问题相联系的 考查尤为突出在陌生的背景下考查电化学方程式( 主要是电 极反应式) 的书写已经成为高考必考点之一，考生又该如何应对 呢? 本文对此进行指导 从题型上说，通常有选择和填空两种而从出题方式上看， 通过不同的形式考查学生对电极反应式及电池总反应的书写，题 给信息的模式有原电池或电解池的组成图、总反应方程式、语言 描述等高考对电化学的考查往往会延伸到教材外，以陌生的反 应考查学生的处理能力 原电池或电解池，其电极反应式都是氧化反应或还原反应， 必须遵循以下原则： 第一，只要是化学反应就一定符合质量守恒定律，当然电化 学反应也不例外，即原子守恒，反应方程式要配平。 第二，电化学反应发生在电解质溶液或熔融电解质中，一定 存在电离、水解和离子间反应等，所以一定符合电荷守恒规律，即 反应前后带电荷总数不变 第三，电化学反应一定有电子得失、元素的化合价升降，因此 一定符合得失电子总数守恒规律 第四，电极反应式是一种离子反应，遵循书写离子反应式的 一切规则( 如“拆”“平”) 但是，h ：0 中的h + 或o h 一参与电极反 应时，在电极反应式中可直接写成h + 或o h 一 第五，要考虑溶液的酸碱性：碱性环境中电极反应式不能有 h + ( 因h + + o h 一= h ：0 ) ，酸性环境中电极反应式不能出现o h 一， 中性溶液中电极反应式可以出现h + 或o h 一 第六，特别注意：水溶液中不能出现0 2 。；电极产物是否能与 电解质溶液共存，不共存时也要参与电极反应，例如：甲烷燃料电 池，若碱作电解质，还要注意产物c o ：与o h 一生成c o 电极反应式书写的一般步骤是： 首先，确定原电池的正负极或电解池的阴阳极 ( 1 ) 如果给出图示：在原电池中，两种金属中谁 活泼谁作负极，发生氧化反应；另一种较不活泼的金 属做正极，而电解液的阳离子( 注意：不是该种金属) 发生还原反应在电解池中，两( 或多) 种阳离子中 谁放电顺序在前，谁作阴极发生还原反应；两( 或多) 种阴离子谁放电顺序在前，谁作阳极发生氧化反应 注意：电解池中如果是水溶液要考虑水电离出来的 氢离子和氢氧根离子 4 2 图_ 鳃 ( 2 ) 如果给出总反应式，利用化合价的升降：化合价升高发 生氧化反应在原电池负极或电解池阳极，化合价降低发生还原反 应在原电池正极或电解池阴极 ( 3 ) 如果只是简单描述电池构成，如碱性甲醇燃料电池等， 结合相关信息具体分析两极 其次，根据判断，写出两电极的反应物和生成物，并注明电子 得失书写的一般模式： 负极( 或阳极) ：( 化合价升高一失电子一发生氧化反应) 通式：还原剂一t i e 一一氧化产物 正极( 或阴极) ：( 化合价降低一得电子一发生还原反应) 通式：氧化剂+ t i e 一一还原产物 再次，结合溶液酸碱性，满足三个守恒，需要电池总反应的将 两极反应相加即可下面举例说明： 类型一给出电池的相关信息和某一极反应时，从已知方程 式中挖掘信息 例1 ( 2 0 1 0 年浙江卷) “一a l f e s 电池是一种正在开发的车 载电池，该电池中正极的电极反应式为：2 l i + + f e s + 2 e 一= l i ，s + f e ， 下列有关该电池的说法中，正确的是() a l i a l 在电池中作为负极材料，该材料中l i 的化合价为 + 1 价 b 该电池的电池反应式为：2 l i + f e s = l i ，s + f e c 负极的电极反应式为：a i - 3 e 一= a 1 ” d 充电时，阴极发生的电极反应式为：l i ：s + f e - 2 e 一= 2 l i + + f e s 解析：本题涵盖电解池与原电池的主体内容，涉及电极判断与 电极反应式书写等问题本题关键在于电池负极材料是l i 还是 a j ，根据题给信息，l i + 不是电极材料而在正极参加反应被消耗，负 极必须有u + 生成才能维持平衡，那么负极电极反应为l i - e 一= l i + ， c 错；单质锂的化合价为0 ，a 错；两极反应相加可得电池总反应，b 正确；充电时阴极发生还原反应( 得电子的反应) ，d 错 答案：b 变式练习1 ( 2 0 1 2 年四川卷) 一种基于酸性燃料电池原理 设计的酒精检测仪，负极上的反应为：c h ，c h ：o h - 4 e 一+ h ：0 = c h ，c o o h + 4 h + 下列有关说法正确的是() a 检测时，电解质溶液中的h + 向负极移动 b 若有0 4t o o l 电子转移，则在标准状况下消耗4 4 8l 氧 气 c 电池反应的化学方程式为：c h 3 c h 2 0 h + 0 2 = c h 3 c o o h + h 2 0避从 万方数据 d 正极上发生的反应为：0 2 + 4 e 一+ 2 h 2 0 = 4 0 h 一 解析：常见酸性燃料电池的总反应一般是负极燃料在空气中 燃烧的反应，会较容易写出，但还是要注意题中已知信息该燃 料电池的电解池为酸性环境，故正极反应应为：0 ：+ 4 e 一+ 4 h + = 2 h ，0 ，d 错；根据正极反应式可知，若有0 4t o o l 电子转移，则消 耗0 1m o l0 ：，在标准状况下体积为2 2 4l ，b 错；h + 在负极生 成，在正极参与反应，故电解质溶液中的h + 应向正极移动( 或者 说为了形成闭合回路，原电池内部阳离子向正极移动，阴离子向 负极移动) ，a 错；两极反应相加可得电池总反应为：c h ，c h ：o h + 0 2 = c h 3 c o o h + h 2 0 ，c 正确 答案：c 类型二给出原电池或电解池的构成图或用语言描述其构 成，要学会提炼有用信息，准确判断出两极以及两极的反应物和 产物等 例2 ( 2 0 1 2 年浙江卷) 以 铬酸钾为原料，电化学法制备 重铬酸钾的实验装置示意图 如右图，下列说法不正确的是 () 液 a 在阴极室，发生的电极反应为：2 h 2 0 + 2 e 一= 2 0 h 一+ h 2f b 在阳极室，通电后溶液逐渐由黄色变为橙色，是因为阳极 区h + 浓度增大，使平衡2 c r 0 2 4 一+ 2 h + c r 2 0 2 7 - + h 2 0 向右移动 c 该制备过程总反应的化学方程式为： 涌由 4 k 2 c r 0 4 + 4 h ，0 兰兰2 k ，c r 2 0 7 + 4 k o h + 2 h ，t + 0 ，f d 测定阳极液中k 和c r 的含量，若k 与c r 的物质的量之 d 比为d ，则此时铬酸钾的转化率为d = z 解析：本题是电解法在制备物质中的具体应用，分析时重点 把握其中k ：c r o 。转变为k ：c r ：0 ，的过程中没有发生化合价的变 化，所以要抓住是由于溶液的p h 变化实现目标物的合成，制备 的过程实际是通过电解的方法改变溶液的p h 该电解池就被简 化成电解稀k o h 溶液，就是电解水，阴极反应式为：2 h ：o + 2 e 一= 2 0 h 一+ h 2t ；阳极反应式为：2 h 2 0 - 4 e 一0 2 + 4 h + ，阳极区h + 浓度 增大，使平衡2 c r o 一+ 2 h + c r ：0 2 - + h ：0 向右移动；电池总反 诵由 应式应写为：4 k 2 c r 0 4 + 4 h 2 0 ：兰兰2 k 2 c r 2 0 7 + 4 k o h + 2 h 2t + 0 2t ，a 、b 、c 均正确若设加入容器内的k 2 c r o 。有lm o l ，反应 中有xt o o lk ：c r o 。转化成k 2 c r ：0 ，则阳极区剩余的k ：c r o 。为 ( 卜石) m o l ，生成k ：c r ：0 ，为m o l ，该极区所含钾、铬元素的物 z 质的量分别为n ( k ) = ( 2 - x ) m o l ，n ( c r ) = 1m o l ，由k 与c r 的物 质的量之比为d ，可得省= 2 - d ，转化率为( 2 - d ) 1 ，d 错 答案：d 变式练习2 科学家预言，燃料电池将是2 1 世纪获得电力的 重要途径，美国已计划将甲醇燃料用于军事目的一种甲醇燃料 电池是采用铂或碳化钨作电极催化剂，在稀氢氧化钠电解液中直 接加入纯化后的甲醇，同时向一个电极通入空气试回答下列问 题： ( 1 ) 这种电池放电时发生的化学反应方程式是 ( 2 ) 此电池的正极发生的电极反应是 极发生的电极反应是 解析：题中所述为碱性甲醇燃料电池较复杂燃料电池的负 极反应，一般较难写出，而正极反应和电池总反应却较易写出 用间接法( 即电池总反应减去正极反应可得负极反应) ，不失为 写负极反应式的一种巧妙方法高考中有关新型电池特别是燃 料电池的试题取材广泛、信息新颖、陌生度高，学生普遍感觉到 难，无从下手实际上只要抓住燃料电池两电极都不参加反应， 总反应相当于是通到电极上的燃料的燃烧，问题即可得到简化 该电池反应为：2 c h 3 0 h + 3 0 2 = 2 c 0 2 + 4 h 2 0 ，且电解质溶液为稀 氢氧化钠，生成的c o ：要与o h 一反应生成c o j 一，2 c h 3 0 h + 3 0 ：+ 4 0 h 一= 2 c o j 一+ 6 h 2 0 在碱溶液中，其正极反应式为：3 0 2 + 1 2 h + + 1 2 e 一= 6 h ，0 ，在电子守恒的基础上利用总方程式减去正极反应 式即得负极反应式为：2 c h ，o h + 1 6 0 h 。- 1 2 e 一= 2 c 0 2 3 一+ 1 2 h 2 0 方法提升：也可以用直接法写出负极反应式甲醇的氧化产 物c o j 一，即c h ，o h c o 甲醇中c 元素的化合价为一2 价，c o j 一 中c 元素的化合价为+ 4 价，所以1t o o l 甲醇转化成1m o lc o ：一时 失去6m o l 电子，即c h ，o h 一6 e 一一c o j 一；根据电荷守恒，方程式左 边需要8t o o l 负电荷( 或右边需要8m o l 正电荷) ，结合强碱性的 电解质环境，左边加8t o o l 的o h 一；根据元素守恒，右边加6m o l h ：o 即得负极反应式为：c h 3 0 h + 8 0 h 一一6 e 一= c o j 一+ 6 h 2 0 根据燃料电池的特点，一般在正极上发生还原反应的物质都 是0 ：，随着电解质种类的不同，正极反应式会有所不同，但实质 一样，都是氧元素从零价变为负二价，因而，我们要熟记以下四种 情况的正极反应式： ( 1 ) 酸性电解质溶液环境下：0 ：+ 4 e 一+ 4 h + 一2 h ，0 ( 2 ) 碱性电解质溶液环境下：0 ：+ 2 h 2 0 + 4 e 一一4 0 h 一 ( 3 ) 固体电解质( 高温下能传导0 ) 环境下：0 ，+ 4 e 一一2 0 ( 4 ) 熔融碳酸盐( 熔融k ，c o 、等) 环境下：0 ，+ 2 c 0 ，+ 4 e 一一 2 c o j 一 变式练习3 ( 2 0 1 3 届许 昌、新乡、平顶山三市一模卷 节选) 电解尿素 c o ( n h z ) z 夹轰 的碱性溶液可以制取氢气，其 装置如右图所示( 电解池中隔 膜仅阻止气体通过，阴、阳极 尿素 k o h 溶液 均为惰性电极) 电解时，阳极的电极反应式为 解析：根据题给信息，我们看到这是一个完全陌生的电极反 应式的书写，在教材以及教辅材料上都没有看到过从图上可以 看出c o ( n h ：) ：在阳极失去电子发生氧化反应，即c o ( n h ：) ：一 n ：；c o ( n h ：) ：分子中氮元素的化合价为一3 价，碳元素化合价为 + 4 价，碱性电池中碳对应的生成物为c o2 _ 即c o ( n h ，) ，一6 e 一一 n 2 + c o ；一；电极反应式右边带2 个单位的负电荷，左边已经带6 个 单位的正电荷根据电荷守恒，电极反应式左边带2 个单位的负 电荷需要8 0 h 一参与反应，即c 0 ( n h 2 ) 2 + 8 0 h 一一6 e 一一c 0 2 ，一+ n ，t ； 根据元素守恒，电极反应式右边有6 h ：0 ，得电极反应式： c o ( n h 2 ) 2 + 8 0 h 一- 6 e 一= c o + n 2t + 6 h 2 0 类型三给出总反应方程式，或以可充电电池为背景综合考 查原电池和电解池的电极方程式的书写，根据化合价升降将其拆 成两个半反应即可 例3 ( 2 0 1 1 年安徽卷) 研究人员最近发现了一种“水”电池， 这种电池能利用淡水与海水之间含盐量差别进行发电，在海水中 电池总反应可表示为：5 m n 0 2 + 2 a g + 2 n a c l = n a 2 m n ，o 。+ 2 a g c l ，下 列“水”电池在海水中放电时的有关说法正确的是() 商 ；雾 黼 万方数据 a 正极反应式：a g + c i _ - e 一= a g c l b 每生成1t o o ln a 2 m n 5 0 l o 转移2m o l 电子 c n a + 不断向“水”电池的负极移动 d a g c l 是还原产物 解析：由电池总反应可知银失去电子被氧化得氧化产物，即 银做负极，产物a g c l 是氧化产物，a 、d 都不正确；在原电池中阳 离子在正极得电子发生还原反应，所以阳离子向电池的正极移 动，c 错误；化合物n a 2 m n 5 0 o 中m n 元素的化合价是+ 1 8 5 价， 所以每生成1m o ln a ：m n ，o 。转移电子的物质的量为( 4 - 1 8 5 ) 5 = 2m o l ，因此选项b 正确 答案：b 变式练习4 ( 2 0 1 1 年全国新课标) 铁镍蓄电池又称爱迪生 电池，放电时的总反应为：f e + n i ：0 3 + 3 h ：0 = f e ( o h ) 2 + 2 n i ( o h ) ：，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n i ：0 ，负极为f e b 电池放电时，负极反应为f e + 2 0 h 。- 2 e 一= f e ( o h ) ： c 电池充电过程中，阴极附近溶液的p h 降低 d 电池充电时，阳极反应为2 n i ( o h ) 2 + 2 0 h 一- 2 e 一= n i ：0 ，+ 3 h 2 0 解析：由放电时的反应可以得出铁做还原剂失去电子，n i ：0 ， 做氧化剂得到电子，因此选项a 、b 均正确；充电可以看作是放电 的逆过程，即阴极为原来的负极，所以电池放电时，负极反应为： f e + 2 0 h - _ 2 e 一= f e ( o h ) ：，所以电池充电过程时阴极反应为 f e ( o h ) ：+ 2 e 一= f e + 2 0 h 一，因此电池充电过程中，阴极附近溶液 的p h 会升高，c 不正确；同理分析选项d 正确 答案：c 变式练习5 右图所示装 置i 是一种可充电电池，装置 为电解池离子交换膜只 允许n a + 通过，充放电的化学 方程式为2 n a 2 5 2 + n a b r 3 姿导 j l 巳 n a 2 s 4 + 3 n a b r 闭合开关k 时， b 极附近先变红色下列说法 正确的是() 笔芯 a 负极反应为4 n a 一4 e 一= 4 n a + b 当有0 0 1t o o ln a + 通过离子交换膜时，b 电极上析出标准 状况下的气体1 1 2m l c 闭合k 后，b 电极附近的p h 变小 d 闭合k 后，a 电极上有气体产生 解析：本题信息新颖，多数考生对所给的电池反应很不熟悉， 因写不出电极反应式而完不成解答电源的正极：b r 3 一+ 2 e 一= 3 b r 一；电源的负极2 s ，2 - 一2 e 一= s ；一，内电路为n a + 移动导电由题 意可知b 极( 阴极) ：2 h 2 0 一2 e 一= h 2t + 2 0 h 一，a 极( 阳极) ：c u 一 2 e 一= c u “，所以c 、d 均错误错选c 认为b 极发生了2 c 1 一一2 e 一 = c 1 ：t ，c 1 2 + h 2 0 = h c i + h c i o ，错选d 是认为a 极发生了2 h 2 0 2 e 一= h ，t + 2 0 h 一对于电解饱和食盐水原理不清晰，阳极电极 反应式为：2 c 1 - - 2 e 一= c i ：t ，阴极电极反应式为：2 h 2 0 + 2 e 一= h ，t + 2 0 h 一，活泼金属与电源正极相连首先失去电子对于b 项当有0 0 1m o ln a + 通过离子交换膜时，说明有内电路通过了 0 0 1m o l 的电荷，外电路转移的电子也就为0 0 1m 0 1 结合b 极反 4 4 卿一 应，产生的气体就为0 0 0 5m o l ，体积为1 1 2m l 答案：b 类型四借助课本上的电池向教材外延伸，这类题目难度浮 动较大 例4 ( 2 0 1 2 年全国新课标卷第2 6 题) 高铁酸钾( k ：f e o 。) 是 一种强氧化剂，可作为水处理剂和高容量电池材料与m n o ：一 z n 电池类似，k ：f e o 。一z n 也可以组成碱性电池，k ：f e o 。在电池 中作为正极材料，其电极反应式为，该电池总反应的 离子方程式为 解析：根据原电池反应原理，锌做负极材料，失电子，发生氧化 反应；k ：f e o 。在电池中作为正极材料，得电子，发生还原反应， f e 0 2 。- + 3 e 一一f e ”，电极反应式左边带5 个单位的负电荷，碱性电 池，电极反应式右边生成f e ”同时又需要带5 个单位的负电荷，要 生成8 0 h 一，根据元素守恒，有h ：0 参与反应，正极反应式：v e o ：- + 3 e 一+ 4 h 2 0 = f e ( o h ) 3 + 5 0 h 一根据电子得失守恒有2 f e 0 4 + 3 z n ， 溶液呈碱性，生成2 f e ( o h ) ，+ 3 z n ( o h ) ：，根据电荷守恒，生成 4 0 h 一，根据元素守恒有8 h ：0 参与反应，该电池总反应的离子方程 式：2 f e o ：- + 3 z n + 8 h 2 0 = 2 f e ( o h ) 3 + 3 z n ( o h ) 2 + 4 0 h 一 变式练习6 ( 2 0 1 1 年江苏卷第1 3 题) a g ：0 ：是银锌碱性电 池的正极活性物质，银锌碱性电池的电解质溶液为k o h 溶液，电 池放电时正极的a g ：0 ：转化为a g ，负极的z n 转化为k ：z n ( o h ) 。，写出该电池反应方程式： 解析：根据题给信息可得以下转化关系：a g ：o ：+ z n k 2 z n ( o h ) 。+ 2 a g ，a g ：0 2 中a g + 转化成a g 单质，o 全部转化成 一2 价，即1t o o la