新型電池電極反應(yīng)式難點(diǎn)突破獲獎(jiǎng)科研報(bào)告

新型電池電極反應(yīng)式難點(diǎn)突破獲獎(jiǎng)科研報(bào)告摘

要：從原電池總反應(yīng)入手是快捷準(zhǔn)確書寫電極反應(yīng)式的首選尋找和分析原電池自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)是首要任務(wù)，沒有或不能直接得出總反應(yīng)式時(shí)應(yīng)審視題給信息尋找負(fù)極和正極對(duì)應(yīng)的氧化還原電對(duì)并確定變價(jià)元素及化合價(jià)或氧化數(shù)的變化總數(shù)以此來確定電極反應(yīng)物和生成物從而完成電極反應(yīng)式的書寫。

關(guān)鍵詞：新型;原電池;電極反應(yīng)

1

問題的提出

新系列化學(xué)電源不斷出現(xiàn)，化學(xué)電源的電極材料和電解質(zhì)不斷優(yōu)化，以新型電池為背景的電池工作原理在高考題中高頻出現(xiàn)，因其背景新穎物質(zhì)相對(duì)陌生，書寫電極反應(yīng)式便成為困擾學(xué)生的難點(diǎn)，下面結(jié)合實(shí)例闡述如何突破電池電極反應(yīng)式。

2

基本原理

電池反應(yīng)式的書寫要從原電池原理入手。通常情況是把一個(gè)自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)設(shè)計(jì)成原電池的。那么從題目中尋找自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)是首要任務(wù)，有時(shí)電池反應(yīng)的總反應(yīng)方程式題中明示，有了總反應(yīng)方程式將其按氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)拆分為兩個(gè)半反應(yīng)[1]即易完成兩電極反應(yīng)式的書寫;題中沒給出總反應(yīng)時(shí)應(yīng)認(rèn)真審視和理解題給信息，包括問題選項(xiàng)中出現(xiàn)的信息和圖示信息并有效提取，找出負(fù)極的氧化還原電對(duì)[2]（氧化型/還原型）和正極的氧化還原電對(duì)，兼顧電解質(zhì)環(huán)境寫其電極反應(yīng)式和總反應(yīng)方程式等問題便迎刃而解。

3

方法策略

3.1

加和性原則

加和性指得失電子數(shù)相等的前提下將正負(fù)極反應(yīng)式相加可得原電池總反應(yīng)。常利用此原則，在得失電子數(shù)相等時(shí)用總反應(yīng)式減去已知的一極電極反應(yīng)式可得另一電極的反應(yīng)式。

3.2共存性原則

共存性指所寫出的電極反應(yīng)式要與電解質(zhì)溶液相匹配，即電極反應(yīng)式必須考慮介質(zhì)環(huán)境，物質(zhì)得失電子后在不同的介質(zhì)環(huán)境中所存在的形式不同。如堿性溶液中CO2不可能存在，也不可能有H+參加反應(yīng)或生成;當(dāng)電解質(zhì)溶液是酸性是，不可能有OH-參加反應(yīng)或生成等。

3.3守恒性原則

守恒性指電極反應(yīng)是氧化或還原反應(yīng)，要遵循電子守恒、質(zhì)量守恒及電荷守恒。在同一個(gè)原電池中，負(fù)極失去的電子總數(shù)必等于正極得到的電子總數(shù)，所以在寫電極反應(yīng)式時(shí)，要注意電子得失守恒;電極反應(yīng)式兩邊原子種類和個(gè)數(shù)相等即要質(zhì)量守恒;離子是帶電荷的，電極反應(yīng)式兩邊要電荷平衡，根據(jù)電解質(zhì)具體情況確定平衡電荷的離子。

4

步驟程序

確定總反應(yīng)，由總反應(yīng)拆分出氧化反應(yīng)作原電池的負(fù)極反應(yīng)，還原反應(yīng)作原電池的正極反應(yīng)，由反應(yīng)物和生成物結(jié)合電解質(zhì)環(huán)境寫出各電極反應(yīng);當(dāng)總反應(yīng)隱含時(shí)結(jié)合圖示信息，如用電器中電子流向，溶液中離子的遷移方向判斷原電池的正負(fù)極，結(jié)合各極原料出入的變化情況或挖掘選擇項(xiàng)信息找出正、負(fù)極的氧化還原電對(duì)等。

負(fù)極反應(yīng)：還原劑-ne-+介質(zhì)=氧化產(chǎn)物

正極反應(yīng)：氧化劑+ne-+介質(zhì)=還原產(chǎn)物

此中確定變價(jià)元素和化合價(jià)改變總值從而確定電子轉(zhuǎn)移的物質(zhì)的量是正確寫出電極反應(yīng)式的前提。

5

實(shí)例分析

例1全固態(tài)鋰硫電池能量密度高、成本低，其工作原理如圖所示，其中電極a常用摻有石墨烯的S8材料，電池反應(yīng)為：16Li+xS8=8Li2Sx（2≤x≤8）.寫出電池的電極反應(yīng)式。

分析：由總反應(yīng)知單質(zhì)Li被氧化，負(fù)極反應(yīng)：?jiǎn)钨|(zhì)S8被還原，結(jié)合它的存在形式及守恒關(guān)系，

正極反應(yīng)：

拓展：隨著放電的進(jìn)行正極材料會(huì)發(fā)生圖示所示的變化

硫元素價(jià)態(tài)（氧化數(shù)）由逐漸降低，如某階段發(fā)生變化時(shí)，正極反應(yīng)變?yōu)?，而?fù)極反應(yīng)不變。此時(shí)總反應(yīng)為

例2（2014全國(guó)卷II）2013年3月我國(guó)科學(xué)家報(bào)道了如圖所示的水溶液鋰離子電池體系。下列敘述錯(cuò)誤的是

A.a為電池的正極

B.電池充電反應(yīng)為L(zhǎng)iMn2O4Li1-xMn2O4+xLi

C.放電時(shí)，a極鋰的化合價(jià)發(fā)生變化

D.放電時(shí)，溶液中Li+從b向a遷移

分析：未給出總反應(yīng)，由圖示知負(fù)極氧化還原電對(duì)為L(zhǎng)i+/Li，結(jié)合B選項(xiàng)信息知正極的氧化還原電對(duì)為L(zhǎng)i1-xMn2O4/LiMn2O4

此電對(duì)中價(jià)態(tài)發(fā)生改變的元素是Mn，可寫出各電極反應(yīng)及總反應(yīng)式。

負(fù)極反應(yīng)：

正極反應(yīng)：

兩式相加得總反應(yīng)式：

例3一種熔融碳酸鹽燃料電池原理示意如圖[3]。寫出燃料電池電極反應(yīng)式及總反應(yīng)式

分析：該題既無總反應(yīng)，催化重整裝置又對(duì)燃料電池有干擾作用，關(guān)鍵要從催化重整的產(chǎn)物：CO+H2從電極A輸入，以CO2+H2O輸出為突破口，原料發(fā)生氧化反應(yīng)?？芍狝為負(fù)極，又從催化重整反應(yīng)CH4+H2

3H2+CO，結(jié)合電解質(zhì)為熔融碳酸鹽以平衡電荷，易寫出電極反應(yīng)和總反應(yīng)

負(fù)極反應(yīng)：

正極反應(yīng)：

兩式相加得總反應(yīng)為：

例4微生物燃料電池是指在微生物的作用下將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置.某微生物燃料電池的工作原理如下圖所示寫出該燃料電池的電極反應(yīng)。

分析：該題沒給出總反應(yīng)，圖示信息較多，由質(zhì)子移動(dòng)方向知，電極a為燃料電池負(fù)極，電極b為燃料電池正極。硫酸鹽還原菌將有機(jī)物氧化為CO2，本身被還原為HS-，HS-為電池負(fù)極原料，而硫氧化菌可以將HS-催化氧化為，所以兩種