2020-2021学年第二单元 化学能与电能的转化学案及答案

微专题3　电池电极反应式书写方法汇总

1．简单原电池电极反应式的书写

书写简单原电池电极反应式时，可按照负极活泼金属失去电子生成阳离子，发生氧化反应，正极阳离子得到电子生成单质，发生还原反应的规律进行书写。首先判断出电极反应产物，然后结合电极反应物及转移电子数量写出电极反应式，最后结合质量守恒、电荷守恒配平各电极反应式。两电极反应式相加则得到电池总反应。

例1　研究人员研制出一种锂水电池，可作为鱼雷和潜艇的储备电源，该电池以金属锂为负极材料，以碳素钢为正极材料，LiOH为电解质，使用时加入水即可放电。

(1)该电池负极的电极反应式为：________________________________________________。

(2)正极的电极反应式：________________________________________________________，

电池总反应：________________________________________________________________。

(3)放电时OH－向________极移动，Li＋向________极移动(填“正”或“负”)。

答案　(1)2Li－2e－===2Li＋　(2)2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－　2Li＋2H2O===2LiOH＋H2↑　(3)负　正

变式1　可用于电动汽车的铝—空气燃料电池，通常以NaCl溶液或NaOH溶液为电解质溶液，铝合金为负极，空气为正极。下列说法正确的是(　　)

A．以NaCl溶液或NaOH溶液为电解质溶液时，正极电极反应式均为O2＋2H2O＋4e－===4OH－

B．以NaOH溶液为电解质溶液时，负极电极反应式为Al＋3OH－－3e－===Al(OH)3

C．以NaOH溶液为电解质溶液时，电池在工作过程中电解质溶液的pH保持不变

D．电池工作时，电子通过外电路从正极流向负极

答案　A

解析　电池工作时，正极上O2得到电子被还原，电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，A项正确；电解质溶液为NaOH溶液时，在负极上产生的是NaAlO2，而不是Al(OH)3，B项错误；电池总反应为4Al＋3O2＋4NaOH===4NaAlO2＋2H2O，电池工作过程中消耗NaOH，电解质溶液的pH减小，C项错误；电池工作时，电子通过外电路由负极流向正极，D项错误。

2．根据总反应写电极反应式

若题中给出总反应，可根据化合价的变化，分析此反应中的氧化反应(负极反应)和还原反应(正极反应)，然后写出其中较简单的电极反应式，另一电极反应式可用总反应减去已写出的电极反应式得到。

例2　根据下列原电池的总反应，写出其电极反应式。

(1)利用反应2Cu＋O2＋2H2SO4===2CuSO4＋2H2O可制备硫酸铜，若将该反应设计为原电池，其负极的电极反应式是_________________________________________________________，

正极的电极反应式是__________________________________________________________。

(2)某原电池总反应为2FeO＋3H2===Fe2O3＋4OH－＋H2O，在该原电池中：

负极的电极反应式是__________________________________________________________；

正极的电极反应式是__________________________________________________________。

答案　(1)2Cu－4e－===2Cu2＋　O2＋4e－＋4H＋===2H2O

(2)3H2－6e－＋6OH－===6H2O　2FeO＋5H2O＋6e－===Fe2O3＋10OH－

解析　(1)将总反应方程式拆成氧化反应和还原反应两个半反应，还原剂在负极上发生氧化反应：2Cu－4e－===2Cu2＋；氧化剂在正极上发生还原反应：O2＋4e－＋4H＋===2H2O。(2)将总反应方程式拆成氧化反应和还原反应两个半反应，还原剂在负极上发生氧化反应：3H2－6e－＋6OH－===6H2O；氧化剂在正极上发生还原反应：2FeO＋5H2O＋6e－===Fe2O3＋10OH－。

变式2　一种新型的电池，总反应为3Zn＋2FeO＋8H2O===2Fe(OH)3↓＋3Zn(OH)2↓＋4OH－，其工作原理如图所示。下列说法错误的是(　　)

A．Zn电极是负极，发生氧化反应

B．随着反应的进行，溶液的pH增大

C．电子由Zn电极流到石墨电极，再经过溶液回到Zn电极，形成回路

D．石墨电极上发生的电极反应为FeO＋3e－＋4H2O===Fe(OH)3↓＋5OH－

答案　C

解析　Zn的化合价升高，根据原电池的工作原理可知，锌为负极，发生氧化反应，A项正确；根据电池总反应方程式中生成OH－可判断出溶液的pH增大，B项正确；根据原电池的工作原理，电子从Zn电极流出经外电路流向石墨电极，电解质溶液中应是阴、阳离子定向移动，而没有电子通过，C项错误；正极的电极反应式为FeO＋4H2O＋3e－===Fe(OH)3↓＋5OH－，D项正确。

3．可充电电池电极反应式的书写

在书写可充电电池电极反应时，要明确可充电电池放电时为原电池，充电时为放电的逆过程。

(1)原电池的负极与充电反应的阳极均发生氧化反应，对应元素化合价升高。

(2)原电池反应的正极与充电反应的阴极均发生还原反应，对应元素化合价降低。

例3　(2020·兰州一中模拟)某课题组以纳米Fe2O3作为电极材料制备锂离子电池(另一极为金属锂和石墨的复合材料)，通过在室温条件下对锂离子电池进行循环充放电，成功地实现了对磁性的可逆调控(如图所示)。下列说法正确的是(　　)

A．放电时，正极的电极反应式为Fe2O3＋6Li＋＋6e－===2Fe＋3Li2O

B．该电池可以用水溶液作电解质溶液

C．放电时，Fe在负极失电子，Fe2O3在正极得电子

D．充电时，电池被磁铁吸引

答案　A

解析　电池放电的总反应为Fe2O3＋6Li===2Fe＋3Li2O，单质锂在负极放电，电极反应式为Li－e－===Li＋，由总反应和负极的电极反应式可得到正极的电极反应式为Fe2O3＋6Li＋＋6e－===2Fe＋3Li2O，A项正确；因为单质锂可以与水反应，所以电解质溶液不能是水溶液，B项错误；放电时，Li在负极失电子，Fe2O3在正极得电子，C项错误；从图中可以看到，充电时(向左反应)，电池会远离磁铁，即充电时电池中的单质铁转化为氧化铁，不能被磁铁吸引，D项错误。

变式3　镁—锑液态金属电池是新型二次电池，白天利用太阳能给电池充电，夜晚电池可以给外电路供电。该电池利用液体密度不同，在重力作用下分为三层，工作时中间层熔融盐的组成及浓度不变。工作原理如图所示，下列有关该二次电池说法正确的是(　　)

A．该电池放电时，Cl－向下层方向移动

B．放电时，负极的电极反应式为Mg－2e－===Mg2＋

C．该电池放电时，Mg－Sb(液)层作负极

D．放电时，Mg(液)层的质量增大

答案　B

4．燃料电池电极反应工的书写

(1)燃料电池的正、负极均为惰性电极，均不参与反应。

(2)正极电极反应式的书写

正极发生还原反应，通入的气体一般是氧气，氧气得到电子首先变为氧离子即O2＋4e－===2O2－，根据电解质的不同，正极电极反应式的书写分以下几种情况：

①在酸性溶液中，生成的氧离子与氢离子结合生成水，电极反应式为O2＋4e－＋4H＋===2H2O。

②在碱性溶液中，氧离子与氢氧根离子不能结合，只能与水结合生成氢氧根离子，电极反应式为O2＋4e－＋2H2O===4OH－。

③在熔融碳酸盐中，氧离子能与二氧化碳结合生成碳酸根离子，电极反应式为O2＋2CO2＋4e－===2CO。

例4　一种甲醇燃料电池是采用铂或碳化钨作为电极催化剂，在稀硫酸电解液中直接加入纯化后的甲醇，同时向一个电极通入空气。回答下列问题：

(1)这种电池放电时发生反应的化学方程式：_______________________________________

________________________________________________________________________。

(2)此电池正极电极的反应式：_________________________________________________，

负极的电极反应式：__________________________________________________________。

(3)电解液中H＋向________极移动，向外电路中释放电子的是________极。

(4)使用该燃料电池的另一个好处是_____________________________________________。

答案　(1)2CH3OH＋3O2===2CO2＋4H2O

(2)3O2＋12H＋＋12e－===6H2O　2CH3OH＋2H2O－12e－===2CO2＋12H＋

(3)正　负　(4)对环境无污染

解析　(1)燃料电池的电池反应为燃料的氧化反应，在酸性条件下生成的CO2不与H2SO4反应，故电总池反应为2CH3OH＋3O2===2CO2＋4H2O。

(2)电池的正极为O2得电子，由于是酸性环境，所以会生成H2O，用电池总反应减去正极的电极反应式即可得出负极的电极反应式。

(3)H＋移向正极，在正极生成水。

(4)产物是CO2和H2O，不会对环境造成污染。

变式4　某固体酸燃料电池以CsHSO4固体为电解质传递H＋，其基本结构如图所示，电池总反应可表示为2H2＋O2===2H2O。下列有关说法正确的是(　　)

A．电子通过外电路从b极流向a极

B．b极上的电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－

C．每转移0.1 mol电子，消耗1.12 L的H2

D．H＋由a极通过固体电解质移向b极

答案　D

解析　由电池总反应及原电池原理可知，充入H2的一极(a极)是负极，充入O2的一极(b极)是正极；电子由负极经外电路流向正极；电池内部阳离子即H＋移向正极，b极的电极反应式为O2＋4H＋＋4e－===2H2O，故A、B项错误，D项正确；C项没有指明是否为标准状况，错误。

1．锌—空气电池(原理如图)适宜用作城市电动车的动力电源。该电池放电时Zn转化为ZnO。该电池工作时的下列说法正确的是(　　)

A．氧气在石墨电极上发生氧化反应

B．该电池的负极反应为Zn＋H2O－2e－===ZnO＋2H＋

C．该电池放电时OH－向石墨电极移动

D．该电池充电时应将Zn电极与电源负极相连

答案　D

解析　氧气得电子发生还原反应，A错误；锌作负极，碱性条件下，负极反应为Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O，B错误；原电池工作时，溶液中的阴离子向负极移动，即OH－向Zn电极移动，C错误；充电时，电池的负极与外接电源的负极相连，D正确。

2.我国科学家研发了一种室温下“可呼吸”的Na—CO2二次电池。将NaClO4溶于有机溶剂作为电解液，钠和负载碳纳米管的镍网分别作为电极材料，电池的总反应为3CO2＋4Na2Na2CO3＋C。下列说法错误的是(　　)

A．放电时，ClO向负极移动

B．充电时释放CO2，放电时吸收CO2

C．放电时，正极反应为3CO2＋4e－===2CO＋C

D．充电时，阳极反应为Na＋＋e－===Na

答案　D

解析　根据电池的总反应知，放电时负极反应：4Na－4e－===4Na＋

正极反应：3CO2＋4e－===2CO＋C

充电时，阴极：4Na＋＋4e－===4Na

阳极：2CO＋C－4e－===3CO2↑

放电时，ClO向负极移动。根据充电和放电时的电极反应式知，充电时释放CO2，放电时吸收CO2。

3．Li—Al/FeS电池是一种正在开发的车载电池，该电池中正极反应为2Li＋＋FeS＋2e－===Li2S＋Fe。下列有关该电池的说法正确的是(　　)

A．Li—Al在电池中作为负极材料，该材料中Li的化合价为＋1

B．该电池的电池反应为2Li＋FeS===Li2S＋Fe

C．负极的电极反应为Al－3e－===Al3＋

D．充电时，阴极发生的电极反应为Li2S＋Fe－2e－===2Li＋＋FeS

答案　B

解析　根据题给正极的电极反应可知，FeS在电池中作为正极材料，Li—Al在电池中作为负极材料，但该材料中的Li是单质，化合价为0，A项错误；该电池的负极反应为Li－e－===Li＋，电池反应为2Li＋FeS===Li2S＋Fe，B项正确、C项错误；充电时，阴极得电子，电极反应为Li＋＋e－===Li，D项错误。

4．碱性联氨燃料电池具有能量密度较高和无污染等优点，其工作原理如图所示，下列说法不正确的是(　　)

A．负极反应：N2H4－4e－===4H＋＋N2↑

B．通入氧气的电极为正极

C．电池工作时OH－向负极移动

D．该电池工作一段时间后，电解质溶液碱性不变(不考虑电解质溶液的体积变化)

答案　A

解析　由题图所示工作原理可知，该电池的负极为N2H4放电，电极反应：N2H4＋4OH－－4e－===4H2O＋N2↑，A项错误；氧气得电子被还原，故通入氧气的电极为正极，B项正确；电池工作时OH－向负极移动，C项正确；该电池的正极反应为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，总反应为N2H4＋O2===2H2O＋N2，故电解质溶液的碱性不变(不考虑电解质溶液的体积变化)，D项正确。

5．铝作为一种应用广泛的金属，在电化学领域也发挥着举足轻重的作用。回答下列问题：

(1)某同学根据氧化还原反应：2Al(s)＋3Cu2＋(aq)===2Al3＋(aq)＋3Cu(s)设计如图所示的原电池：

①电极X的化学式为__________________，电极Y的化学式为______________。

②盐桥中的阴离子向________(填化学式)溶液中移动。

(2)新型电池中的铝电池类型较多。

①Al—空气燃料电池可用作电动汽车的电源，该电池多使用NaOH溶液为电解液。电池工作过程中电解液的pH________(填“增大”“减小”或“不变”)。

②如图为Al—AgO电池的原理结构示意图，这种电池可用作水下动力电源。该电池反应方程式为2Al＋3AgO＋2NaOH===2NaAlO2＋3Ag＋H2O，当电极上析出1.08 g Ag时，电路中转移的电子为________mol。

答案　(1)①Cu　Al　②Al2(SO4)3

(2)①减小　②0.02

解析　(1)①根据已知离子方程式可知Cu作正极，Al作负极。②原电池中阴离子向负极移动，即向Al2(SO4)3溶液中移动。

(2)①Al—空气燃料电池的总反应为4Al＋3O2＋NaOH===4NaAlO2＋2H2O，故溶液碱性减弱，pH减小。②该电池的正极反应为AgO＋2e－＋H2O===Ag＋2OH－。AgO中Ag的化合价为＋2，当电极上析出1.08 g Ag(即0.01 mol)时，电路中转移的电子为0.02 mol。

6．(2021·石家庄一中高二期末)生物电池具有工作时不发热、不损坏电极等优点，不但可以节约大量金属，而且寿命比化学电源长的多，因此越来越受到人们的青睐。某生物电池以葡萄糖(C6H12O6)作原料，在酶的作用下氧化为葡萄糖酸(C6H12O7)，其工作原理如图所示。

(1)电极b为________(填“正极”或“负极”)，电极a的电极反应式为_________________

_____________________________________________________。

(2)该生物电池中发生反应的化学方程式为__________________________________________

____________________________________________________________________________，

当有2 mol H＋通过质子交换膜时，理论上需要标准状况下氧气的体积为________L。

(3)该电池________(填“能”或“不能”)在高温条件下使用，原因是_________________。

答案　(1)正极　C6H12O6＋H2O－2e－===C6H12O7＋2H＋

(2)2C6H12O6＋O22C6H12O7　11.2

(3)不能　酶在高温条件下会发生变性，失去催化活性

解析　(1)电极b为正极，电极a为负极，负极上葡萄糖在酶的作用下被氧化为葡萄糖酸(C6H12O7)，电极反应式为C6H12O6＋H2O－2e－===C6H12O7＋2H＋。

(2)根据图示，葡萄糖(C6H12O6)在酶的作用下被氧化为葡萄糖酸(C6H12O7)，氧气被还原为水，正极的电极反应式为O2＋4e－＋4H＋===2H2O，则该生物电池中发生反应的化学方程式为2C6H12O6＋O22C6H12O7，当有2 mol  H＋

通过质子交换膜时，理论上正极消耗0.5 mol氧气，需要标准状况下氧气的体积为0.5 mol×

22.4 L·mol－1＝11.2 L。

(3)酶的主要成分为蛋白质，在高温下，蛋白质会发生变性，失去催化活性，因此该电池不能在高温条件下使用。