08 分类破解原电池电极反应式的书写与判断-《中学生数理化》高考理化2025年4月刊

■山东省博兴第一中学 沈金龙 ■山东省博兴县第三中学 李 娜 随着全球能源逐渐枯竭,研发、推广新型 能源迫在眉睫。因此,新型电池成为科学家 研究的重要方向之一,原电池电极反应式的 书写与判断也成为高考高频考点。在历年高 考试题中,出现了很多新面孔的电池,如微生 物电池、太阳能电池、海洋电池等,尽管情境 新颖,但是只要依据电池的分类,厘清原电池 的原理反应,利用 “四步法”快速书写电极反 应式,就能轻松有效地破解电极反应式的 书写。 “四步法”书写电 极反应式 第1步:依据原理反应厘清主干 正极:氧化剂 →还原产物 负极:还原剂 →氧化产物 第2步:标得失电子 正极:氧化剂+ne- →还原产物 负极:还原剂-ne- →氧化产物 第3步:电荷守恒,补介质 水溶液体系中:介质为H+或OH- 非水体系中:介质为熔融离子导体的阴离子 第4步:原子守恒,补物质 水溶液体系中:原子守恒“一般”补H2O 非水体系中:原子守恒补电池反应生成物 􀮠 􀮢 􀮡 􀪁 􀪁 􀪁 􀪁 􀪁 􀪁 􀪁 􀪁 􀪁 􀪁 􀪁 􀪁 􀪁 􀪁 􀪁 􀪁 􀪁 􀪁 一、 负极与电解质溶液反应型电池 此类电池的电池反应是中学阶段必备元 素及其化合物的反应。书写电池电极反应式 时,先厘清电池的原理反应,再基于氧化还原 反应基本原理,利用“四步法”正确书写电极 反应式,此类电池知识难度比较小。 例 1 海水电池在海洋能源领域备受 关注,一种锂-海水电池构造如图1所示。 下列说法错误的是( )。 图1 A.海水起电解质溶液作用 B.N极仅发生的电极反应:2H2O+2e- 􀪅􀪅H2↑+2OH- C.玻璃陶瓷具有传导离子和防水的功能 D.该锂-海水电池属于一次电池 解析:以锂-海水电池为载体,考查原电 池的工作原理、电极反应式的书写以及电池 类型的判断。电池的原理反应是负极材料锂 单质与海水的反应2Li+2H2O􀪅􀪅2LiOH+ H2↑。由于海水中含有大量的盐,故海水充 当原电池中的离子导体作用,A项正确。根 据氧化还原反应原理,利用“四步法”书写此 电池的正极反应式2H2O+2e-􀪅􀪅H2↑+ 2OH-,负极反应式Li-e-􀪅􀪅Li+,由于此类 电池还有锂的吸氧腐蚀型电池存在,故B项 错误。锂属于活泼金属,易与水反应,玻璃陶 瓷的作用是防止锂与水接触并能传导离子,C 项正确。此电池不可充电,属于一次电池,D 项正确。 93 解题篇 经典题突破方法 高考理化 2025年4月 答案:B 解题策略:关于原电池工作原理的考查, 尽管试题形式多样、复杂,但核心知识就是氧 化还原反应,准确把握基本概念和工作原理 是解题关键,切勿被复杂的装置图给“吓倒”, 乱了阵脚。 二、 信息型电池 此类电池的电池反应是陌生元素及其化 合物发生的氧化还原反应,试题会通过文字 描述、装置图或直接给定电池反应等形式呈 现原电池的原理反应。基于题目信息提取出 原电池的原理反应,利用“四步法”正确书写 电极反应式。 例 2 设计如图2所示装置回收金属 钴。保持细菌所在环境pH 稳定,借助其降 解乙酸盐生成CO2,将废旧锂离子电池的正 极材料LiCoO2(s)转化为Co2+,工作时保持 厌氧环境,并定时将乙室溶液转移至甲室。 已知电极材料均为石墨材质,右侧装置为原 电池。下列说法正确的是( )。 图2 A.装置工作时,甲室溶液pH逐渐增大 B.装置工作一段时间后,乙室应补充水 C.乙室电极反应式为LiCoO2+2H2O+ e-􀪅􀪅Li++Co2++4OH- D.若甲室Co2+ 减少200 mg,乙室Co2+ 增加300 mg,则此时已进行过溶液转移 解析:此题是电解池和原电池组合型电 池,左侧为电解池,右侧装置为原电池,综合 考查原电池、电解池电极反应式书写以及计 算,同时考查考生获取信息、整合信息的能 力。根据题意,电池的原理反应为乙酸盐与 LiCoO2 反应生成 CO2 和 Co2+,利用“四步 法”书写 两 极 电 极 反 应 式,正 极 为4H+ + LiCoO2+e-􀪅􀪅Li++Co2++2H2O,负极为 2H2O+CH3COO- -8e- 􀪅􀪅2CO2+7H+。 正极的电极反应消耗氢离子,所以需要补充 盐酸,则B项和C项错误。左侧为电解池, 根据题意知回收Co,则电解池内的氧化还原 反应为乙酸盐与Co2+ 变为Co和CO2,利用 “四步法”书写电极反应式,则阳极为2H2O +CH3COO--8e-􀪅􀪅2CO2+7H+,阴极为 Co2++2e-􀪅􀪅Co,反应中生成 H+,溶液pH 减小,A项错误。根据电子转移守恒,原电池 正极与电解池负极转移相同的电子数时,若 未进行溶液转移,则甲室Co2+ 减少量应为乙 室中Co2+增加量的一半,然而乙室中增加量 小于甲室中减少量的一半,故D项正确。 答案:D 三、 燃料型电池 此类电池是一种将燃料的化学能经过氧 化还原反应转化为电能的装置,电池反应的 物质变化就是燃烧反应中的物质变化,该类 电池显著的特点就是正极反应始终是氧气参 与的反应。燃料电池是一种高效清洁的新型 化学电源,能量转换率高、低排放、无污染。 目前,燃料电池已在生产、 生活、国防、科技 等领域大显身手。 例 3 一 种 高 性 能 的 碱 性 硼 化 钒 (VB2)-空气电池如图3所示,其中在 VB2 电极 发 生 反 应:VB2+16OH- -11e- 􀪅􀪅 VO3-4 +2B(OH)-4 +4H2O。该电池工作时, 下列说法错误的是( )。 图3 A.负载通过0.04 mol电子时,有0.224 L (标准状况)O2 参与反应 B.正极区溶液的pH 降低,负极区溶液 的pH升高 04 解题篇 经典题突破方法 高考理化 2025年4月 C.电池总反应为4VB2+11O2+20OH-+ 6H2O􀪅􀪅8B(OH)-4 +4VO3-4 D.电流由复合碳电极经负载、VB2 电 极、KOH溶液回到复合碳电极 解析:本题以高性能的碱性硼化钒-空 气为载体考查燃料型电池,考查原电池基本 原理、电极反应式书写、电池反应书写、离子 交换膜的作用以及计算。电池反应相当于 VB2 在碱性环境中燃烧,根据题意得原理反 应为 VB2、O2 在碱性环境中生成 VO3-4 和 B(OH)-4 ,利用“四步法”书写正极的电极反 应式O2+4e-+2H2O􀪅􀪅4OH-,A项正确。 如果离子交换膜是阳离子交换膜,则根据电 极反应式,负极的反应过程中消耗 OH-,那 么溶液pH 降低,正极生成 OH-,则溶液的 pH升高;如果离子交换膜为阴离子交换膜, 根据电极反应式,转移11 mol电子时,负极 消耗16 mol OH-,通过离子交换膜到负极区 仅11 mol OH-,则负极pH 降低,正极区由 于消耗水,溶液的pH升高,B项错误。合并 正负极电极反应式(确保得失电子数相等), 通过加和法合并电极反应式确定电池反应,C 项正确。原电池中电流由正极经外电路流向 负极,即电流由复合碳电极经负载、VB2 电 极、KOH溶液回到复合碳电极,D项正确。 答案:B 四、金属吸氧腐蚀型电池 此类电池是一种微型电池,金属单质在 弱酸性或中性溶液里,水溶液中溶解氧与金 属单质形成的电化学装置。 例 4 结合图4判断,下列叙述正确的 是( )。 图4 A.Ⅰ和Ⅱ中正极均被保护 B.Ⅰ和Ⅱ中负极反应均是Fe-2e-􀪅􀪅Fe2+ C.Ⅰ和Ⅱ中正极反应均是O2+2H2O+ 4e-􀪅􀪅4OH- D.Ⅰ和Ⅱ中分别加入少量K3[Fe(CN)6]溶 液,均有蓝色沉淀 解析:以吸氧腐蚀型电池为载体,考查吸 氧腐蚀型电池的工作原理,Ⅰ电池中锌电极 活泼性大于铁电极,所以此电池为锌的吸氧 腐蚀型电池,从而保护了铁电极。Ⅱ电池中 铁电极活泼性大于铜电极,所以此电池为铁 的吸氧腐蚀型电池。利用“四步法”分别书写 电极反应式。 Ⅰ池正极:O2+4e-+2H2O􀪅􀪅4OH- Ⅰ池负极:Zn-2e-􀪅􀪅Zn2+ Ⅱ池正极:O2+4e-+4H+􀪅􀪅2H2O Ⅱ池负极:Fe-2e-􀪅􀪅Fe2+ 只要将各电极的电极反应式书写出来, 此题就可以顺利解决。 答案:A 金属吸氧 腐蚀型电 池的判断 1.根据题意能形成原电池,电极与电解质溶液不 反应,又不属于上面三种原理中的原电池 2.金属单质与电解质溶液反应的电池中都会存 在微弱的腐蚀型电池,结合题目考查点,是否考 虑这个微型电池,如本文中例1就考虑了腐蚀 型电池 􀮠 􀮢 􀮡 􀪁 􀪁 􀪁 􀪁 􀪁 􀪁 􀪁􀪁 综上所述,基于原理反应的维度将原电 池分为负极与电解质溶液反应的电池、信息 型电池、燃料电池和金属吸氧腐蚀型电池。 通过搭建分类观,不仅知识上可以实现原电 池中电极反应式书写的进阶性学习,还可以 形成逻辑更缜密、条理更清晰的思维能力,有 效地提升解决问题能力,形成电化学的结构 化知识,深化原电池的认知。 注:本文系山东省教育教学研究课题“指 向深度学习的高中化学大单元教学设计与实 践研究”(课题编号:2024JXDY070);滨州市 名师工作室专项课题“基于‘一线四步’教学 模式培养高中生化学高阶思维能力的实践研 究”(课题编号:2024MS016)研究成果之一。 (责任编辑 谢启刚) 14 解题篇 经典题突破方法 高考理化 2025年4月