淺談原電池中電極反應方程式的書寫

李太平

摘 要：原電池是高中化學的重點章節，而其中電極反應方程式的知識已成為近幾年能力測評的重要內容之一。原電池與其他的能源相比有許多的優點，如能量轉換率高，可制成各種形狀，不同容量、電壓的電池及電池組，在現代生活、科研、國防中都有廣泛的應用。正是由于這些原因，高考關于原電池的考題頻頻出現，電極反應方程式的書寫更是考查的重點。原電池可根據電解質狀態的不同分為不同類別。該文從不同類型的原電池對電極式反應的書寫、步驟及應注意的問題等方面做以歸納小結。

關鍵詞：原電池 電極反應式 電解質材料 書寫方法

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）01（a）-0206-01

原電池的電解質材料可分為水性（酸性、中性或堿性）電解質、熔融態電解質和固體（氧化物或離子交換膜）電解質三種。下面就結合具體例子分別說明這三種情況下電極反應方程式的書寫方法。

1 原電池正負極的判斷

對于絕大多數原電池可以根據兩極材料判斷：一般活潑金屬為負極，活潑性較弱的金屬或能導電的非金屬為正極。而對于一些特殊的原電池需要根據電解質溶液來判斷電極：能與電解質溶液反應的電極為負極，不能與電解質溶液反應的為正極。例如：鎂、鋁為電極，氫氧化鈉溶液為電解質溶液，雖然鎂比鋁活潑，但是由于鎂不與氫氧化鈉溶液反應，鋁能與氫氧化鈉溶液反應，所以鋁為負極、鎂為正極。還可以通過氧化還原反應判斷：失去電子發生氧化的是負極，得到電子發生還原反應的是正極。

2 水性電解質中的電極反應

對于水性電解質，要注意電解質溶液的酸堿性。在正負極上發生的電極反應不是孤立的，它往往與電解質溶液緊密聯系。如氫-氧燃料電池就分酸式和堿式兩種，在酸性溶液中的電極反應：

負極：2H2-4e-=== 4H+

正極：O2+4H++4e-=== 2H2O

如果是在堿性溶液中，則不可能有H+出現，同樣在酸性溶液中，也不能出現OH-。當負極氣體為CH4、CH3OH等燃料時，電池以堿性溶液作為電解質，此時碳元素是以CO32-形式存在的，而不是放出CO2。

若是金屬在負極參與反應的原電池，寫電極反應式時要注意在負極產生的金屬陽離子能否和溶液中的OH-反應，判斷的依據就是看該金屬的氫氧化物是否能溶。如堿性鎳-鎘電池，該電池以Cd和NiOOH作電極材料，NaOH作電解質溶液。

負極：Cd+2OH--2e-=== Cd（OH）2

正極：2NiOOH+2H2O+2e-===2Ni（OH）2+2OH-

總反應式為：Cd+2NiOOH+2H2O === Cd（OH）2+2Ni（OH）2

再如可用于電動汽車的鋁-空氣燃料電池，通常以NaOH溶液為電解液，鋁合金為負極，空氣電極為正極。

負極：Al+4OH--3e-===AlO2-+2H2O

正極：O2+4e-+2H2O === 4OH-

由于電解質溶液顯堿性，負極反應應該是鋁失去電子變為鋁離子，在氫氧化鈉的溶液中鋁離子繼續與過量的堿反應生成偏鋁酸根。同時可以寫出該反應的總反應方程式：4Al+3O2+4OH-===4AlO2-+ 2H2O，由此看出反應消耗OH-，溶液pH降低。

而同樣是鋁作負極，中性溶液作為電解質時，負極反應則又有不同。當電解質銀器日久表面生成黑色Ag2S，可將流銀器置于盛食鹽水的鋁制容器中，又能恢復銀白。H2O中的OH-和H+分別參與了兩極的反應。

負極：Al-3e-+3OH- === Al（OH）3↓

正極：Ag2S+2e-+2H+ === 2Ag+H2S↑

總反應為：

2Al+3Ag2S+6H2O===2Al（OH）3↓+6Ag↓+3H2S↑（H2O的電離）

3 熔融電解質中的電極反應

熔融鹽燃料電池具有高的發電效率，常在高溫（600℃～700℃）環境下使用，具有效率高（高于40%）、噪音低、無污染、燃料多樣化（氫氣、煤氣、天然氣和生物燃料等）、余熱利用價值高和電池構造材料價廉等諸多優點，因而在現今社會生產中受到重視。

可用Li2CO3和Na2CO3的熔融鹽混合物作電解質，CO為陽極染氣，空氣與CO2的混合氣為陰極助燃氣，制得在650℃下工作的燃料電池。由于電解質為熔融狀態，O2得電子后結合CO2生成CO32-。因此該電池的電極反應式為：

正極：O2+2CO2+4e- === 2CO32-（持續補充CO2氣體）

負極：2CO+2CO32--4e- === 4CO2

由于陽極氣和陰極氣反應后生成CO2不和Li2CO3和Na2CO3的熔融鹽混合物反應，所以總反應式為：2CO+O2===2CO2

4 固體電解質中的電極反應

固體電解質是離子遷移速度較高的固態物質，因為是固體，具有一定的形狀和強度。對于多數固體電解質而言，只有在較高溫度下，才能達到較高的電導率，因此固體電解質的電化學實際上是高溫電化學。

ZrO2具有很好地耐高溫性能以及化學穩定性，可用于制作燃料電池，一個電極通入空氣；另一電極通入汽油蒸氣。其中固體電解質是摻雜了Y2O3（Y：釔）的ZrO2（Zr：鋯）固體。這種固態電解質在高溫下允許O2-通過。以丁烷（C4H10）代表汽油。電解質晶體不參加反應，原電池放電時，丁烷（C4H10）與氧氣發生氧化還原反應。電解質晶體傳導的是O2-，因此氧氣得到電子后生成的O2-可直接存在于電解質之中，并繼續參與負極發生的反應。固體電解質里O2-的移動方向是從正極移向負極，負極丁烷向外電路釋放電子。電極反應式應表示為：

正極：O2+4e- === 2O2-

負極：2C4H10-52e-+26O2- ===8CO2+10H2O

總反應：2C4H10+13O2=== 8CO2+10H2O

基于以上的分析討論，不難發現，對于不同類型的原電池，書寫電極反應所要注意的點也不同。因此以對電解質分類的方法來講授電極反應方程式進行狀況，可以在一定程度上使課程更加科學化、條理化。

參考文獻

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