电极反应式的书写

我们在使用手电筒、遥控器或者骑共享单车时，这些设备里都藏着一节小小的电池。电池的工作核心，是在两个电极上分别发生氧化反应和还原反应，通过电子的流动把化学能转化为电能。要准确描述某个电极上发生了什么反应，普通化学方程式已经不够用了——因为普通方程式把氧化和还原写在一起，看不出电子是从哪里流向哪里的。为此，化学上引入了“电极反应式”这一工具，专门描述单个电极上的化学变化，并且把电子的得失明确地写出来。掌握电极反应式的书写，是理解各类化学电源和电化学装置的基础。

认识电极反应式

普通化学方程式描述的是一个完整的反应——反应物和产物都齐全，方程式两边原子守恒、电荷守恒，但电子的转移是“内部的”，不写在方程式里。

在原电池中，氧化反应和还原反应分别发生在不同的电极上，电子通过外部导线从一个电极转移到另一个电极。因此，需要用一种能体现“某一电极上，某种物质失去或得到多少电子”的特殊方程式来描述，这就是电极反应式。

电极反应式的核心特征：

• 方程式中出现 $e^-$（电子），代表该电极上转移的电子数
• 左右两边电荷之和必须相等（电荷守恒）
• 左右两边各种原子数必须相等（原子守恒）

原电池的两个电极

原电池有两个电极，分别叫做负极和正极，它们各自的职责截然不同：

• 负极：由活泼金属充当，负极上的金属原子失去电子被氧化，电子从负极出发，经外部导线流向正极。
• 正极：由不活泼材料充当（如铜片、碳棒），溶液中的氧化性物质跑到正极表面，得到从负极流来的电子被还原。

以最经典的锌铜原电池（锌片与铜片同时插入稀硫酸中）为例：

• 锌活泼性强于铜，锌是负极：Zn 原子失去电子，变成 $\text{Zn}^{2+}$ 溶入溶液，锌片慢慢溶解。
• 铜是正极：溶液中的 $\text{H}^+$ 跑到铜片表面，得到电子，变成 $\text{H}_2$ 气泡逸出。

外部导线中，电子从锌片流向铜片；溶液内部，$\text{SO}_4^{2-}$ 向负极迁移，$\text{H}^+$ 向正极迁移，共同构成完整的电路。

负极反应式——氧化反应的一侧

负极上，活泼金属失去电子被氧化。通用写法是：

$\text{M} - ne^- \rightarrow \text{M}^{n+}$

其中 $n$ 是该金属在反应中失去的电子数（即化合价的升高值），$\text{M}^{n+}$ 是生成的金属离子，溶入溶液中。

常见负极反应式汇总：

例题1： 写出铁碳原电池（铁为负极，电解质为稀盐酸）的负极反应式，并验证电荷守恒与原子守恒。

负极（铁）：Fe 失去 2 个电子，变为 $\text{Fe}^{2+}$，溶入溶液。

$\text{Fe} - 2e^- \rightarrow \text{Fe}^{2+}$

解析： 负极反应式写法固定：金属单质在左，金属离子在右，中间用“$-ne^-$”表示失去 $n$ 个电子。验证时，把“$-ne^-$”理解为“左边减去 $n$ 个负电荷，即左边增加 $n$ 个正电荷”，然后与右边的离子电荷对比，看是否相等即可。

正极反应式——还原反应的一侧

正极上，从负极流来的电子把溶液中的某种物质还原。正极反应式比负极更多样，因为“被还原的物质”取决于溶液的成分和酸碱性。

酸性溶液中，常见的正极反应：

溶液中有大量 $\text{H}^+$，常见被还原的物质是 $\text{H}^+$ 或溶解的 $\text{O}_2$：

$2\text{H}^+ + 2e^- \rightarrow \text{H}_2\uparrow \quad \text{（氢离子被还原为氢气）}$

$\text{O}_2 + 4\text{H}^+ + 4e^- \rightarrow 2\text{H}_2\text{O} \quad \text{（氧气在酸性中被还原）}$

碱性或中性溶液中，常见的正极反应：

溶液中缺少 $\text{H}^+$，氧气被还原时与 $\text{H}_2\text{O}$ 结合，生成 $\text{OH}^-$：

$\text{O}_2 + 2\text{H}_2\text{O} + 4e^- \rightarrow 4\text{OH}^- \quad \text{（氧气在中性/碱性中被还原）}$

含有特定金属离子时：

$\text{Cu}^{2+} + 2e^- \rightarrow \text{Cu} \quad \text{（铜离子被还原为铜）}$

例题2： 铁碳原电池以食盐水（中性溶液，含溶解氧）为电解质，写出正极反应式并验证守恒。

食盐水呈中性，溶液中含有溶解的 $\text{O}_2$。氧气在正极得到电子，与水结合生成 $\text{OH}^-$：

$\text{O}_2 + 2\text{H}_2\text{O} + 4e^- \rightarrow 4\text{OH}^-$

解析： 中性溶液中没有足够的 $\text{H}^+$ 可用，配平时需要借助 $\text{H}_2\text{O}$ 来提供 H 和 O，生成的含 H、O 的产物是 $\text{OH}^-$。

书写电极反应式的步骤

书写电极反应式，按照以下六步来做，思路清晰，不容易出错：

第一步：判断负极和正极

活泼金属做负极（发生氧化）；不活泼材料做正极（发生还原）。

第二步：确定各电极的反应物和产物

• 负极：反应物是金属本身，产物是对应的离子（视溶液酸碱性而定）。
• 正极：反应物是溶液中的氧化性物质，产物是它被还原后的形式。

第三步：写出初步方程式

先把反应物和产物写出来，不用管系数，只要把物质写对。

第四步：配平原子数

先配平金属或非金属元素，再配平 O 和 H：

• 酸性溶液：用 $\text{H}^+$ 和 $\text{H}_2\text{O}$ 来补充 H 和 O
• 碱性/中性溶液：用 $\text{OH}^-$ 和 $\text{H}_2\text{O}$ 来补充 H 和 O

第五步：配平电荷（写上 $e^-$）

让左右两边电荷之和相等，通过调整 $e^-$ 的数量实现。

第六步：整体验证

检查原子数和电荷是否都守恒，确认无误。

例题3： 按照六步法，完整写出锌铜原电池（电解质为稀硫酸）的两个电极反应式。

酸性与碱性介质中写法的区别

溶液的酸碱性对电极反应式的书写影响很大，尤其是在需要“补充 H 和 O”进行配平时，酸性和碱性的处理方式完全不同。

酸性溶液（如稀硫酸、稀盐酸）：

溶液中 $\text{H}^+$ 丰富，$\text{OH}^-$ 极少：

• 需要补 H 时：用 $\text{H}^+$
• 需要补 O 时：用 $\text{H}_2\text{O}$
• 生成的含氧产物：$\text{H}_2\text{O}$

碱性溶液（如 NaOH、KOH 溶液）：

溶液中 $\text{OH}^-$ 丰富，$\text{H}^+$ 极少：

• 需要补 O 时：用 $\text{H}_2\text{O}$
• 需要补 H 时：向右边加 $\text{OH}^-$（即生成 $\text{OH}^-$）
• 生成的含氧产物：$\text{OH}^-$

例题4： 氢氧燃料电池（碱性，电解质为 KOH 溶液）——负极通入 $\text{H}_2$，正极通入 $\text{O}_2$，写出两个电极反应式。

负极（$\text{H}_2$ 被氧化）：

$\text{H}_2$ 在碱性溶液中失去电子，$\text{H}$ 化合价从 $0$ 升高到 $+1$，与 $\text{OH}^-$ 结合生成 $$：

$\text{H}_2 - 2e^- + 2\text{OH}^- \rightarrow 2\text{H}_2\text{O}$

正极（$\text{O}_2$ 被还原）：

$\text{O}_2$ 在碱性溶液中得到电子，$\text{O}$ 化合价从 $0$ 降低到 $-2$，与 $\text{H}_2\text{O}$ 结合生成 ：

$\text{O}_2 + 2\text{H}_2\text{O} + 4e^- \rightarrow 4\text{OH}^-$

解析： 总反应验证——将负极反应式 ×2，加上正极反应式 ×1，消去 $4e^-$ 和 $4\text{OH}^-$（左右抵消），得到：$2\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{H}_2\text{O}$，与氢气燃烧的反应完全一致，验证正确。

用叠加法验证电极反应式

写好两个电极反应式后，可以通过“叠加法”来验证：将两个电极反应式按电子数相等合并，消去 $e^-$，得到总反应方程式；如果总反应合理，则说明两个电极反应式均正确。

叠加步骤：

1. 调整两个电极反应式的系数，使负极失去的电子数与正极得到的电子数相等（最小公倍数）。
2. 两式相加，合并同侧的相同物质。
3. 消去两边都有的 $e^-$（应完全消去，一个不剩）。
4. 消去两边都有的相同物质（如 $\text{H}_2\text{O}$、$\text{OH}^-$）。
5. 检查得到的总方程式是否与已知反应一致。

例题5： 验证下列两个电极反应式是否正确，并写出对应的总反应。

• 负极：$\text{Zn} - 2e^- \rightarrow \text{Zn}^{2+}$
• 正极：$\text{O}_2 + 4\text{H}^+ + 4e^- \rightarrow 2\text{H}_2\text{O}$

常见的电极反应式总结

掌握以下几类常见的电极反应式，能应对大多数题目：

练习题

选择题

计算题

第5题 锌铜原电池中，锌为负极，电解质为足量稀硫酸。已知负极锌片质量减少了 $6.5\text{ g}$（Zn 的相对原子质量为 65），回答下列问题：

（1）写出负极和正极的电极反应式。

（2）计算此过程中转移的电子的物质的量，以及生成 $\text{H}_2$ 在标准状况下的体积。

第6题 氢氧燃料电池（酸性，电解质为稀硫酸），负极通入 $\text{H}_2$，正极通入 $\text{O}_2$。已知在某段时间内，正极消耗了 $\text{O}_2$ 共 $0.1\text{ mol}$，回答下列问题：

（1）写出酸性介质下两个电极的反应式。

（2）计算此过程中正极转移的电子的物质的量，以及负极消耗 $\text{H}_2$ 的物质的量。

（2）计算转移电子和生成 $\text{H}_2$：

锌片减少的物质的量：

$n(\text{Zn}) = \frac{m}{M} = \frac{6.5\text{ g}}{65\text{ g/mol}} = 0.1\text{ mol}$

负极 Zn 化合价从 $0$ 升高到 $+2$，每个 Zn 失去 $2$ 个电子：

$n(e^-) = 2 \times n(\text{Zn}) = 2 \times 0.1\text{ mol} = 0.2\text{ mol}$

由正极反应式，转移 $2\text{ mol}$ 电子生成 $1\text{ mol}$ $\text{H}_2$，因此：

$n(\text{H}_2) = \frac{n(e^-)}{2} = \frac{0.2\text{ mol}}{2} = 0.1\text{ mol}$

标准状况下 $\text{H}_2$ 的体积：

$V(\text{H}_2) = n \times 22.4\text{ L/mol} = 0.1\text{ mol} \times 22.4\text{ L/mol} = 2.24\text{ L}$

答： 转移电子 $0.2\text{ mol}$，生成 $\text{H}_2$ 在标准状况下的体积为 $2.24\text{ L}$。

正极（$\text{O}_2$ 被还原）：$\text{O}_2 + 4\text{H}^+ + 4e^- \rightarrow 2\text{H}_2\text{O}$

（2）由正极反应式，$1\text{ mol}$ $\text{O}_2$ 得到 $4\text{ mol}$ 电子：

$n(e^-) = 4 \times n(\text{O}_2) = 4 \times 0.1\text{ mol} = 0.4\text{ mol}$

由负极反应式，$1\text{ mol}$ $\text{H}_2$ 失去 $2\text{ mol}$ 电子，转移电子守恒（失去 = 得到 = $0.4\text{ mol}$）：

$n(\text{H}_2) = \frac{n(e^-)}{2} = \frac{0.4\text{ mol}}{2} = 0.2\text{ mol}$

验证：总反应 $2\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{H}_2\text{O}$，$0.1\text{ mol}$ $\text{O}_2$ 对应 $0.2\text{ mol}$ $\text{H}_2$，一致 ✓。

答： 正极转移电子 $0.4\text{ mol}$，负极消耗 $\text{H}_2$ 为 $0.2\text{ mol}$。