五步法”突破电极反应式的书写

2021-04-16李静蕊张英锋

考试与招生 2021年4期

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一、提出问题

在历年高考题中，电极反应式的书写是电化学知识的重要考查点，也是学生失分比较严重的题型。尤其当题干信息纷繁复杂、电极反应出现陌生物质的相互转化时，学生更是不知从何入手作答。近年来，许多文献开始从守恒的视角，按照“电子守恒—电荷守恒—原子守恒”的递进关系，分类阐述电极反应式的书写方法和技巧。周国亮提出的“析清池→列电极→标电子→定产物→建框架→三守恒”更是帮助学生形成了清晰的书写思路。而本文从电化学的基本原理入手，通过“负阳氧，正阴还”的电池模型，帮助学生确定电池和电极种类；通过标价态、找物质、标得失、调电荷、查原子“五步法”，帮助学生从化合价角度快速找准各个电极的反应物和生成物，并且明确先调电荷守恒再检查原子守恒的解题思路。值得一提的是，该方法更加具体，可操作性强，对于原电池和电解池类型的试题普遍适用。

二、知识基础

根据原电池与电解池原理的一般模型“负阳氧，正阴还”（如图1），准确判断原电池的正极、负极和电解池的阴极、阳极。掌握两个电极上各物质的变化情况，是正确判断和书写电极反应式的基础和前提。

图1 原电池与电解池原理的一般模型

1.原电池

失电子的物质在负极放电，化合价升高，发生氧化反应；得电子的物质在正极放电，化合价降低，发生还原反应。电解质溶液中，阳离子一般移向正极，阴离子移向负极，原电池依靠电子和离子的定向移动形成闭合回路。

2.电解池

与外加电源负极相连的一极为阴极，电解池工作时溶液中得电子能力强的离子在阴极得到电子，化合价降低，发生还原反应；与外加电源正极相连的一极为阳极，电解池工作时活性电极（除Au、Pt外的金属）自身或溶液中失电子能力强的离子在阳极失去电子，化合价升高，发生氧化反应。而在电解质溶液中，阴离子移向阳极，阳离子移向阴极，整个电解池通过电子和离子的定向移动形成闭合回路。

3.二次电池

放电时相当于原电池，充电时相当于电解池，放电过程和充电过程互为逆过程。如大家熟悉的铅蓄电池，Pb电极放电时的电极反应式为Pb-2e-+SO42-=PbSO4，该电极失去电子，为原电池的负极；充电时只有PbSO4+2e-=Pb+SO42-才能使该电极恢复至放电前的状态，此时，该电极得到电子，为电解池的阴极。对于PbO2电极，原电池的正极反应式和电解池的阳极反应式也存在这样的互逆关系。因此，根据原电池负极与电解池阴极、原电池正极与电解池阳极的电极反应式互逆关系，可以快速解答某些试题。

三、“五步法”解题示例

1.五步法

标价态：根据题意找出变价元素并标明其化合价。

找物质：根据正极、负极、阴极、阳极的反应特点，找出各个电极上的反应物和产物。

标得失：根据每一个电极反应物和产物中变价元素的化合价，标明得到或者失去几个电子。

调电荷：根据题目所给的电解质环境选择用H+或者OH-来调整电极反应式左右两边的电荷情况，保证电荷种类相同，数目相等。

查原子：电极反应式两边所有元素的原子总数要分别相等。

其中，调电荷是学生普遍存在的难点问题。如果电解质是酸性溶液，溶液中存在大量的H+，此时电极反应式中不能出现OH-，调电荷必须要用H+，反之碱性溶液中必须要用OH-。

2.典例赏析

例1.【2019年全国卷Ⅲ，理综第13题改编】为提升电池循环效率和稳定性，科学家近期利用三维多孔海绵状Zn（3D-Zn）可以高效沉积ZnO的特点，设计了采用强碱性电解质的3D-Zn-NiOOH二次电池，结构如下图所示。电池反应为Zn(s)+2NiOOH(s)+H2O(l)ZnO(s)+2Ni(OH)2(s)

则：（1）放电时负极反应为____________________；

（2）充电时阳极反应为___________________________。

【解析】该题干给出了电池放电过程和充电过程的总反应Zn(s)+2NiOOH(s)+H2O(l)ZnO(s)+2Ni(OH)2(s)。

（1）放电时：Zn(s)+2NiOOH(s)+H2O(l)=ZnO(s)+2Ni(OH)2(s)，负极失去电子，化合价升高。

①标价态：Zn元素由0价变为+2价；②找物质：Zn→ZnO；③标得失：Zn-2e-→ZnO；④调电荷：由于该电池为碱性环境，应该选用OH-而不是H+来调整电荷情况。式子左边失去2个电子而带2个单位正电荷，右边不带电，故右边应加上2个OH-，即Zn-2e-+2OH-→ZnO；⑤查原子：式子两边H、O原子不守恒，右边应该加一个H2O，即Zn-2e-+2OH-=ZnO+H2O。因此，放电时的负极反应式应该为Zn-2e-+2OH-=ZnO+H2O。

（2）充电时：ZnO(s)+2Ni(OH)2(s)=Zn(s)+2NiOOH(s)+H2O(l)，阳极失去电子，化合价升高。

①标价态：Ni元素由+2价变为+3价；②找物质：Ni(OH)2→NiOOH；③标得失：Ni(OH)2-e-→NiOOH；④调电荷：由于该电池为碱性环境，同样应该选用OH-来调整电荷情况。式子左边失去1个电子而带1个单位正电荷，右边不带电，故左边应加上1个OH-，即Ni(OH)2-e-+OH-→NiOOH；⑤查原子：式子两边H、O原子不守恒，右边应该加一个H2O，即Ni(OH)2-e-+OH-=NiOOH+H2O。因此，充电时的阳极反应式应该为Ni(OH)2-e-+OH-=NiOOH+H2O。

例2.（2019年天津卷，理综化学第6题改编）我国科学家研制了一种新型的高比能量锌-碘溴液流电池，其工作原理示意图如下。图中贮液器可储存电解质溶液，提高电池的容量。

则：（1）放电时，a电极的反应式为__________；

（2）充电时，b电极每增重0.65g，溶液中有_________mol·I-被氧化。

【解析】这道题对于学生来讲情境比较陌生，通过提取有效信息进行原电池或电解池、正负极或阴阳极的判断，是解答本题的第一步。

由图可知，该装置连接了一个用电器，应为原电池。a电极附近，I2Br-+e-→I-+Br-，得到电子，a电极应该为正极；b电极附近，Zn-2e-→Zn2+，失去电子，b电极应该为负极。

(1)a电极

放电时，I2Br-+e-→I-+Br-

①标价态：根据电负性规律，Br的电负性强于I，I2Br-中I元素应该为0价，故I元素由0价变为-1价；②找物质：I2Br-→I-+Br-；③标得失：I2Br-+2e-→ 2I-+Br-。观察可知式子左右两边已经遵循了电荷守恒和原子守恒，④调电荷和⑤查原子这两个环节可以略去。即放电时a电极的反应式为：I2Br-+2e-=2I-+Br-。

(2)这道题目中，只要正确书写充电时a、b两个电极的反应式，b电极的增重与溶液中被氧化的I-之间的定量关系就很清晰了。

根据(1)中a电极放电时的反应式：I2Br-+2e-=2I-+Br-，再结合充电时阳极和放电时正极电极反应式的互逆关系，a电极充电时的反应式应为2I-+Br--2e-=I2Br-。同理，b电极放电时Zn-2e-=Zn2+，充电时应为Zn2++2e-=Zn。因此，b电极每增重0.65g，电路中转移的电量为0.02mol，相应a电极就有0.02mol·I-被氧化。