电极反应式的书写方法探究

电极反应式的书写方法探究

唐庆奎

黑龙江省齐齐哈尔市依安县第一中学 161500

电极反应式，是正确理解和分析原电池和电解池的基础，也是高考的常见考点。如果能正确地写出电极反应式，则该原电池或电解池的工作原理就迎刃而解了，因此，应该指导学生快速准确地写出电极反应式，进而解答相关问题。本文以燃料电池为来例探讨电极反应式的书写方法和步骤。

1. 书写方法

守恒法，即电子守恒、电荷守恒、质量守恒。电子守恒是指负极放电的物质（还原剂）失去的电子数与正极放电的物质（氧化剂）得到的电子数相等，由于得失电子的结果导致元素化合价的升降，且化合价升降总数等于丢失电子数，所以得失的电子数可由化合价升降的总数推测出来。在分析某一极放电物质得失的电子数时，通过分析出其化合价升降的总数，即为其得失电子的化学计量数。电荷守恒，一般需要考虑溶液的酸碱性，酸性时考虑加入氢离子（H⁺），碱性时考虑加入氢氧根离子（OH^-）并确定相应的化学计量数，从而达到电荷守恒。质量守恒即根据反应式两侧元素原子情况，确定还需要加入的物质，使等式质量守恒。在完成了上述三个守恒后，整个电极反应式就书写完毕了。

2. 书写步骤

先确定某极放电的物质及其放电产物，再结合电解质溶液，考虑放电物质放电后的产物可能与电解质溶液反应的情况，写出相应的生成物，再根据电子守恒→电荷守恒→质量守恒的顺序，写出电极反应式。若已知总反应的化学方程式，我们可以确定负极放电的物质为还原剂，正极放电的物质为氧化剂。如在燃料电池中，负极放电的物质为燃料本身，正极放电的物质一般为氧气。

1、正极电极反应式的书写

在燃料电池中，正极放电的物质一般为氧气。氧气作为氧化剂放电，其生成物受电解质溶液的酸碱性影响，需要分两种情况讨论。

（1）酸性时

电解质溶液为酸性时，氧气（O₂）作为氧化剂，放电时得到电子，生成氧离子（O^2-），由于氧离子（O^2-）在水溶液中不能稳定存在，溶液呈酸性时会与溶液中的氢离子（H⁺）结合生成水，根据电子守恒、电荷守恒、质量守恒，可写出酸性条件下燃料电池正极的电极反应式为：O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O。

2. 电解质溶液为碱性时

电解质溶液为碱性时，氧气（O₂）放电生成氧离子（O^2-），在碱性条件下，氧离子（O^2-）会与水分子结合，生成氢氧根离子，根据电子守恒、电荷守恒、质量守恒，可写出碱性条件下燃料电池正极的电极反应式为：O₂+4e^-+2H₂O=4OH^-。

2. 负极电极反应式的书写

燃料电池中，由于采用的燃料不同，负极的电极反应式又各不相同，对于结构较复杂的燃料电池，负极电极反应式写起来有一定难度，但只要遵循相应的方法和步骤，同样会快速准确地书写出来。

1. 氢气氧气燃料电池

在氢气氧气燃料电池中，负极放电的物质为氢气（H₂），氢气作

为还原剂，失去电子，生成氢离子（H⁺）。

①在酸性电解质溶液中，由于酸性条件下氢离子（H⁺）在电解质溶液中不发生反应，则负极放电的最终产物仍然为氢离子（H⁺），根据电子守恒、电荷守恒，可写出其电极反应式为：H₂-2e^-=2H⁺。

②在碱性电解质溶液中，氢气放电的产物氢离子（H⁺）会与碱性溶液中的氢氧根离子（OH^-）反应，生成物最终为水，根据电子守恒、电荷守恒、质量守恒，可写出其电极反应式为：H₂-2e^-+2OH^-=2H₂O。

2. 甲烷氧气燃料电池

在甲烷氧气燃料电池中，负极放电的物质为甲烷（CH₄），甲烷作

为还原剂，碳元素失去电子，发生氧化反应生成二氧化碳（CO₂）。

①在酸性电解质溶液中，由于酸性条件下二氧化碳（CO₂）在电解质溶液中不发生反应，则放电的最终产物仍然为二氧化碳（CO₂）。由于甲烷中的碳为-4价，反应后生成物二氧化碳中的碳为+4价，碳的化合价升高数为+4-（-4）=8，可确定电子的化学计量数为8，即一个甲烷分子失去了8个电子，此时达到电子守恒，得到CH₄-8e^-=CO₂；此时等号左侧带有8个正电荷，右侧带有0个电荷，根据电荷守恒原则，在右侧缺少8个正电荷或左侧缺少8个负电荷，由于是酸性溶液，需要选用H⁺进行电荷守恒，则要在右侧加入8H⁺，达到电荷守恒，得到CH₄-8e^-=CO₂+8H⁺；由于右侧多了4个氢原子（H）和2个氧原子（O），根据质量守恒，在左侧加入2H₂O，实现质量守恒，可写出最终的电极反应式为：CH₄-8e^-+2H₂O=CO₂+8H⁺。

②在碱性电解质溶液中，由于碱性条件下二氧化碳（CO₂）在电解质溶液中与氢氧根离子（OH^-）发生反应：CO₂+2OH^-=CO₃^2-+H₂O，则负极放电的最终物质为（CO₃^2-），可得：CH₄-e^-=CO₃^2-，由于甲烷中的碳为-4价，反应后生成物碳酸根离子中的碳为+4价，碳的化合价升高数为+4-（-4）=8，可确定电子的化学计量数为8，即一个甲烷分子失去了8个电子，此时达到电子守恒，得到CH

₄-8e^-=CO₃^2-；此时等号左侧带有8个正电荷，右侧带有2个负电荷，根据电荷守恒原则，在左侧缺少10个负电荷或右侧缺少10个正电荷，由于是碱性溶液，需要选用OH^-进行电荷守恒，则要在左侧加入10个OH^-，达到电荷守恒，得到CH₄-8e^-+10OH^-=CO₃^2-；由于左侧多了14个氢原子（H）和7个氧原子（O），根据质量守恒，在右侧加入7个H₂O，实现质量守恒，可写出最终的电极反应式为：CH₄-8e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O。

3. 甲醇氧气燃料电池

甲醇的化学式为CH₃OH，其中碳的化合价为-2价。在甲醇氧气燃料电池中，负极放电的物质为甲醇（CH₃OH），甲醇作为还原剂，碳元素失去电子，发生氧化反应生成二氧化碳（CO₂）。

①在酸性电解质溶液中，由于酸性条件下二氧化碳（CO₂）在电解质溶液中不发生反应，则放电的最终产物仍然为二氧化碳（CO₂）。由于甲醇中的碳为-2价，反应后生成物二氧化碳中的碳为+4价，碳的化合价升高数为+4-（-2）=6，可确定电子的化学计量数为6，即一个甲醇分子失去了6个电子，此时达到电子守恒，得到CH₃OH-6e^-=CO₂；此时等号左侧带有6个正电荷，右侧带有0个电荷，根据电荷守恒原则，在右侧缺少6个正电荷或左侧缺少6个负电荷，由于是酸性溶液，需要选用H⁺进行电荷守恒，则要在右侧加入6个H⁺，达到电荷守恒，得到CH₃OH-6e^-=CO₂+6H⁺；由于右侧多了2个氢原子（H）和1个氧原子（O），根据质量守恒，在左侧加入1个H₂O，实现质量守恒，可写出最终的电极反应式为：CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂+6H⁺。

②在碱性电解质溶液中，由于碱性条件下二氧化碳（CO₂）在电解质溶液中与氢氧根离子（OH^-）发生反应：CO₂+2OH^-=CO₃^2-+H₂O，则负极放电的最终物质为（CO₃^2-），可得：CH₃OH-e^-=CO₃^2-，由于甲醇中的碳为-2价，反应后生成物碳酸根离子中的碳为+4价，碳的化合价升高数为+4-（-2）=6，可确定电子的化学计量数为6，即一个甲醇分子失去了6个电子，此时达到电子守恒，得到CH₃OH-6e^-=CO₃^2-；此时等号左侧带有6个正电荷，右侧带有2个负电荷，根据电荷守恒，在左侧缺少8个负电荷或右侧缺少8个正电荷，由于是碱性溶液，需要选用OH^-进行电荷守恒，则要在左侧加入8个OH^-，达到电荷守恒，得到CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-；由于左侧多了12个氢原子（H）和6个氧原子（O），根据质量守恒，在右侧加入6个H₂O，实现质量守恒，可写出最终的电极反应式为：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O。

只要掌握正确的方法，熟练书写步骤，一定能够快速准确地写出相应的电极反应式。