高中化学论文：电池的电极材料与电极反应 精品全国通用

电池的电极材料与电极反应（原创）电化学中的电极反应不仅与电极材料有关，而且与电解质溶液有关，是中学化学中的一个比较复杂的问题，因此，如何确定电极反应及怎样书写电极反应方程式也就成了教学中的一个难点。我认为采用下列方法认识电池和电极反应能有效地突破这一难点。一、原电池的电极材料与电极反应根据形成原电池的电极材料，我们可以把原电池分为下列三种类型。 1、原电池的一极为活泼金属电极，另一极为不活泼金属电极或惰性电极在这种原电池中，活泼金属电极一定是原电池的负极，直接参与电极反应，失去电子发生氧化反应；不活泼金属电极或惰性电极是原电池的正极，不参与电极反应，电解质溶液中具有氧化性的物质（分子或离子）在该电极上得到电子发生还原反应，使得电解质溶液中的溶质发生变化，溶液的性质也发生相应的变化；电池中的电子由负极流向正极（可通过导线传递，当两电极直接相接触就直接传递）；溶液中的阴离子向负极运动，阳离子向正极运动。如在铜锌原电池中，锌（Zn）为负极失去电子，发生电极反应：Zn2e=Zn2+；铜（Cu）为正极，硫酸溶液中的氢离子(H+)在铜极上得到电子，发生电极反应：2H2e=H2，电子由锌极流向铜极，溶液中的H向正极移动，溶液的pH增大。钢铁的腐蚀就是这种情况。 2、原电池的一极为活泼金属电极，另一极为具有氧化性的化合物电极 在这种原电池中，活泼金属电极一定是原电池的负极，直接参与电极反应，失去电子发生氧化反应；具有氧化性的化合物电极也直接参与电极反应，得到电子发生还原反应。其中，电解质溶液有的参与反应，有的不参与反应，这要看具体情况而定。如在纽扣电池中（电解质溶液为KOH溶液），锌为负极失去电子，发生电极反应：Zn2OH2e=ZnOH2O；Ag2O为正极得到电子，发生电极反应：Ag2OH2O2e=2Ag2OH。在纽扣电池中溶液的浓度是不变的，OH向负极移动。这种电池多为蓄电池。 例1（09浙江理综，12）市场上经常见到的标记为Li-ion的电池称为“锂离子电池”。它的负极材料是金属锂和碳的复合材料（碳作为金属锂的载体），电解质为一种能传导Li的高分子材料。这种锂离子电池的电池反应为： Li2Li0.35NiO2 2Li0.85NiO2。下列说法不正确的是（ ）A放电时，负极的电极反应式：Lie=LiB充电时，Li0.85NiO2既发生氧化反应又发生还原反应C该电池不能用水溶液作为电解质D放电过程中Li向负极移动 在锂离子电池中，Li是电池的负极，失去电子，形成Li向正极移动；Li0.85NiO2化合物是电池的正极，得到电子，并与负极生成的Li结合形成Li0.85NiO2，Ni的化合价降低。当反应逆向进行时，反应物只有一种，故化合价既有升，又有降，所以既发生氧化反应又发生还原反应。由于Li可以与水反应，故应为非水材料。所以答案为D。3、原电池的两极都是惰性电极（如石墨电极）在这种原电池中，电池的两极都不参与电极反应，而是具有还原性的物质（分子或溶液中的离子）在一极失去电子，发生氧化反应；具有氧化性的物质（分子或溶液中的离子）在另一极得到电子，发生还原反应。其中，电解质溶液一般会参与电极反应。这种电池一般是燃烧电池。如碱性氢氧燃烧电池，正极、负极都是石墨，氢气在一极失去电子，发生电极反应：2H24OH4e=4H2O；氧气在另一极得到电子，发生电极反应：O22H2O4e=4OH。 例2（2020年江苏卷，12）以葡萄糖为燃料的微生物燃料电池结构示意图如图所示。关于该电池的叙述正确的是（ ） A该电池能够在高温下工作B电池的负极反应为:C6H12O66H2O24e-=6CO224H+C放电过程中,H+从正极区向负极区迁移D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 在这种微生物燃料电池中，葡萄糖失去电子生成CO2的一极为负极，O2得到电子生成水的一极为正极，H向正极运动。A项中高温条件下微生物会变性，D项中消耗1mol氧气就生成1mol二氧化碳，标准状况下体积是22.4L，所以B选项正确。 二、电解池的电极材料与电极反应 电解池中的电极材料一般是惰性电极，这样能有效地电解化合物溶液。 当电解池的两极都用惰性电极进行电解时，还原性强的离子或者分子首先在阳极上失去电子，发生氧化反应；氧化性强的离子或者分子首先在阴极上得到电子，发生还原反应。 在电解池中，由于阴极与电源的负极相连，即使阴极使用活泼金属材料（碱金属、碱土金属除外）如Fe、Cu等，金属也得到保护，不参与电极反应。如果阳极使用金属材料（Pt、Au除外),则阳极金属首先失去电子，发生氧化反应；具有氧化性的物质（分子或离子）在阴极得到电子，发生还原反应。电镀和电解精炼就属于这种情况。 三、一个很有用的中间反应式 氧离子（O2）在化合物中是存在的，如Na2O中就有O2,但O2在水中是不存在的。在酸性溶液中，O2与H结合生成H2O:O22H=H2O；在碱性和中性溶液中，O2与H2O反应生成OH:O2H2O=2OH。后一个反应式在书写有机物燃料电池的电极反应式时非常有用。如甲烷、氧气和氢氧化钾溶液组成的燃料电池，负极反应是甲烷失去电子生成CO32和H2O， CO32和H2O中的O均来自于OH。我们可以把这一反应过程分成下列一些反应：CH48e= C44H；4H4OH=4H2O；C43O2=CO32；6OH=3H2O3O2。把这4个反应相加既得总的负极反应的反应式：CH410OH8e=CO327H2O。练习题1下图是某空间站能量转化系统的局部示意图，其中燃料电池采用KOH为电解质溶液，下列有关说法中不正确的是（ ） A该能量转化系统中的水也是可以循环的B燃料电池系统产生的能量实际上来自于水C水电解系统中的阳极反应： 4OH4e=2H2O+O2D燃料电池放电时的负极反应：H22e2OH=2H2O2（09安徽卷，12）Cu2O是一种半导体材料，基于绿色化学理念设计的制取Cu2O的电解池示意图如右，电解总反应：2Cu+H2O=Cu2O+H2。下列说法正确的是（ ） A.石墨电极上产生氢气B.铜电极发生还原反应C.铜电极接直流电源的负极D.当有0.1mol电子转移时，有0.1molCu2O生成3（2020年上海卷）右图装置中，U型管内为红墨水，a、b试管内分别盛有食盐水和氯化铵溶液，各加生铁块，放置一段时间。下列有关描述错误的是（ ）A生铁块中的碳是原电池的正极B红墨水柱两边的液面变为左低右高C两试管中相同的电极反应式是：Fe2eFe2+Da试管中发生了吸氧腐蚀，b试管中发生了析氢腐蚀4（09福建卷，11） 控制适合的条件，将反应Fe32I2Fe2I2设计成如下图所示的原电池。下列判断不正确的是（ ） A. 反应开始时，乙中石墨电极上发生氧化反应B. 反应开始时，甲中石墨电极上Fe3+被还原C. 电流计读数为零时，反应达到化学平衡状态D. 电流计读数为零后，在甲中溶入FeCl2固定，乙中石墨电极为负极5.（09全国卷，28，15分）下图所示装置中，甲、乙、丙三个烧杯依次分别盛放100g 5.00%的NaOH溶液、足量的CuSO4溶液和100g 10.00%的K2SO4溶液，电极均为石墨电极。 （1）接通电源经过一段时间后，测得丙中K2SO4浓度为10.47%，乙中c电极质量增加。据此回答问题：电源的N端为 极；电极b上发生的电极反应为 ；列式计算电极b上生成的气体在标准状态下的体积： ；电极c的质量变化是 g；电解前后各溶液的酸、碱性大小是否发生变化，简述其原因：甲溶液 ；乙溶液 ；丙溶液 ；（2）如果电解过程中铜全部析出，此时电解能否继续进行，为什么？ 6.（09山东卷29）（12分）ZnMnO2干电池应用广泛，其电解质溶液是ZnCl2NH4Cl混合溶液。（1）该电池的负极材料是；电池工作时，电子流向（填“正极”或“负极”）。（2）若ZnCl2NH4Cl混合溶液中含有杂质Cu2+，会加速某电极的腐蚀，其主要原因是 。欲除去Cu2+，最好选用下列试剂中的（填代号）。a.NaOH b.Znc.Fe d.NH3H2O（3）MnO2的生产方法之一是以石墨为电极，电解酸化的MnSO4溶液。阴极的电极反应式是： 。若电解电路中通过2mol电子，MnO2的理论产量为。7（2020年天津卷）（14分）氢氧燃料电池是符合绿色化学理念的新型发电装置。下图为电池示意图，该电池电极表面镀一层细小的铂粉，附气体的能力强，性质稳定，请回答：（1）氢氧燃料电池的能量转化主要形式是，在导线中电子流动方向为 （用a、b 表示）。（2）负极反应式为。（3）电极表面镀铂粉的原因为 。（4）该电池工作时，H2和O2连续由外部供给，电池可连续不断提供电能。因此，大量安全储氢是关键技术之金属锂是一种重要的储氢材料，吸氢和放氢原理如下：2Li+H2 2LIHLiH+H2O=LiOH+H2反应中的还原剂是，反应中的氧化剂是。已知LiH固体的密度为0.82g/cm3。用锂吸收224L（标准状况）H2，生成的LiH体积与被吸收的H2体积比为。由生成的LiH与H2O作用放出的H2用作电池燃料，若能量转化率为80，则导线中通过电子的物质的量为。1答案：B 燃料电池系统产生的能量是氢气和氧气反应产生的能量。其他选项正确。2答案：A 由电解总反应可知，Cu参加了反应，所以Cu作电解池的阳极，发生氧化反应，B选项错误；石墨作阴极，阴极上是溶液中的H反应，电极反应为：2H2e=H2，A选项正确；阳极与电源的正极相连，C选项错误；阳极反应为2Cu2OH2e=Cu2OH2O，当有0.1mol电子转移时，有0.05molCu2O生成，D选项错误。3答案：B a为中性环境，发生吸氧腐蚀，氧气被消耗，气体压强减小；b中酸性较强，发生析氢腐蚀，有氢气放出，气体压强增大，所以红墨水柱两边的液面变为左高右低，故B项错。4答案：D 乙中I失去电子放电，故为氧化反应，A项正确；由总反应方程式知，Fe3被还原成Fe2，B项正确；当电流计为零时，即说明没有电子发生转移，可证明反应达平衡，C项正确。加入Fe2，导致平衡逆向移动，则Fe2失去电子生成Fe3，而作为负极，D项错。5答案：（1）正极 4OH-4e=2H2O + O2 2.8L