直接写出简单电化学反应方程式的一个简便方法

对某电化学反应来说，直接判断出其反应产物并写出其方程式，是电化学教学中常常会遇到的一类问题。对这类过程中一些较简单的问题，有一个直观且简便地图示解题法。这个解题方法的优点是，能在统揽全局的前提下，将思考过程及思考结果随时地记录下来。

这个方法的“统揽全局”体现在，要顾及到电极材料、电解质的种类、溶剂水的微弱电离，这样的三个方面。所谓的“图像化”，则是将两个极区的物种分别列出，以便在一个限定的范围内来进行电子得失情况的分析与比较。

该解题过程有程序化，图像化的优点，显著减少了解题过程中出错的可能性。

下面就用几个常见的电化学过程为例，来介绍一下这个方法，并讨论电解过程的一些主要类型。

一、仅电解质被分解的电解过程

所谓仅电解质被分解，就是电极本身及溶剂水均未发生化学反应，只有电解质这一种物质被电解掉了。这是一类理解及表述起来，都最为简单的电解过程。

例1，用石墨制的阳极和阴极，电解氯化铜溶液。

为讨论该电解过程进行的情况，应将所涉及的全部信息都用一个图完整地表示出来。这样，对反应前的情况可表示为下图一(a)。

图一（a）表示的是，电解池的两极都由石墨制成。在判断阴极（其左列）上可能的得电子物种时，要考虑的是石墨电极、Cu²⁺离子和H⁺离子，这样的三个物种。在阳极上（其右列）可能失电子的则是石墨电极、Cl^-离子与OH^-离子，这三个物种中的一种。

这样就将讨论范围，及物种的分组情况，可能进行的反应，一览无余地表示出来了。这是第一步的工作。

第二步，就可以对阴极区、及阳极区的反应情况进行讨论了。

比较阴极区各物种的氧化性强弱。石墨是惰性电极，不可能得电子。Cu²⁺离子的氧化性强于H⁺离子，要先得电子，而被还原为单质Cu ，并在石墨电极上析出。这个反应可图示如图一（b）的左侧。红色圆圈表示该Cu²⁺离子在被逐渐地消耗掉，是反应物。红色的箭号表示，Cu²⁺离子被还原，其还原产物是单质Cu（如果将得电子数能标出，这实际就是一个电极反应式），并在阴极析出来。

在阴极区的讨论也是这样。红色圆圈中的Cl^-离子，是三者中能失且最易失电子的物种。还原剂Cl^-离子被氧化的产物是Cl₂（如图一（b）右侧箭号所示），在阳极上析出。

这样讨论工作就已经完成了。作为结尾性的工作的第三步，应把没有参与电解反应的物质去掉。这样，就再用绿线，将没有参与反应的两个电极，及由H⁺离子和OH^-离子表示的水，都划掉（都没有参与反应），就有了图一（c）。

由图一（c）可以直接看出，参与电解反应的物质只有CuCl₂，产物是单质Cu和Cl₂。这样，就可以写出反应式：

CuCl₂ Cu+Cl₂。

从形式上看。这是仅次于电解铜的一种很简单的电解类型。

从这个例子不难看出，在用图示法讨论电解过程时，应该分为四步：

第一步，按行列写出可能参与电解反应的所有物种。

第一行为电极名称及其物质的构成。阴极在左，阳极在右。

以下各行，都是一种电解质占有一行。该电解质的阳离子在左（与阴极对齐），阴离子在右（与阳极对齐）。

溶剂水也要单独地占有一行，并拆分成H⁺离子与OH^-离子。

第二步，比较阴极区的几个物种的相对氧化性强弱，找出最先得电子的物种，在标记出来后给出其被还原的产物。

对阳极区，则找出最易给出电子的物种。也标记出来，给出其氧化产物。

第三步，划掉其余没有参加反应的物质（要是整个的物质，不能只划掉其中的一个离子）。

第四步，据图中的反应物和产物，写出电解的方程式。

这张图实际是给出了分析这类电解过程的解题步骤和思路，并将思考中所得的结果随时记载下来，是一个很实用地分析电解过程的辅助手段。

还要注意的是，在用图示法讨论实际问题时，并没有必要如图一分别地作出（a）、（b）和（c），这样的三幅图。这三者间实际是有递进关系的。即在（a）的基础上得到（b），在（b）中再消去一些物质就得到（c），是一气呵成的。即，只要按上述步骤得到最终那一张草图（c）就可以。

二、仅溶剂水被分解的电解过程

纯水虽然不导电，要通过强电解质的加入来提高其导电性。但对某些强电解质的水溶液来说，电解时被分解的却只是溶剂水。如：

例2，用石墨制的阳极和阴极，电解氢氧化钠溶液。

用如上的图示法。

第一步，将电解过程所涉及的全部信息用图二（a）表示出来。

     

图二（a）中的NaOH与H₂O虽然都能解离出相同的OH^-离子，但是这个OH^-离子也要分成两行来写。因为，这个图不只是要反映出所涉及离子的种类，其每一横行还要代表一种化学物质。

第二步，比较阴极区各物种，是其中的H⁺离子先得电子，而被还原为单质H₂（在阴极析出）。

阳极区则是OH^-离子失电子成O₂（在阳极析出）。如图二（b）。

原则上NaOH电离出的OH^-离子多（H₂O的电离极少），似乎应该让中间行的OH^-离子去进行氧化反应。但此时电解中消耗掉的H⁺离子，与水产生出的OH^-离子是同样多的。溶液中NaOH的量始终不会发生改变。所以，直接写下一行的OH^-离子去失电子也可以（如果写上一行的OH^-离子失电子了，最终也要换到下一行来。

这样讨论工作就已经完成了。作为结尾性的工作，应把没有参与电解反应的物质去掉。这样，就再用绿线，将没有参与反应的电极，及Na⁺离子和OH^-离子都划掉，而得出图二（c）。

由图二（c）表述的是只有H₂O是反应物，产物是单质H₂和O₂。由此可写出反应式：

2H₂O2H₂+ O₂。

不难看出，在这个电解过程中，电极没有发生反应，电解质也仅参与了导电、而没有发生反应。只有溶剂水发生了电解反应。这也是一类比较简单的电解类型。

用惰性电极电解KOH、H₂SO₄和Na₂SO₄溶液，进行的都是这个反应。

三、仅电极发生变化的电解过程

前两例分别是电解质、溶剂水被电解了，当然也有仅电极发生化学变化的电解过程。

例3，用铜阳极和铁阴极，电解硫酸铜溶液。

将电解过程所涉及的所有信息用如下的图三（a）表示出来。

即，在这个电解过程中涉及到的有可能会参与电子得失的物种有6种。它们应该被分为两组。一组是位于阴极区的3种，还有一组是处于阳极区的另外3个物种。

对阴极区的三物种（电极Fe、Cu²⁺、H⁺），比较得电子的能力。当然是Cu²⁺离子的得电子能力最强，是它发生反应成金属铜，而沉积在Fe电极的表面上。这个过程可以用图三（b）左侧的箭号表示出来。

对阳极区的三物种（电极Cu、SO₄^2-、OH^-），比较失电子的能力。当然是金属Cu最容易给出电子，而成Cu²⁺离子进入溶液。这个过程可以用上图（b）右侧的箭号表示出来。

第三步， H⁺、OH^-、SO₄^2-，这三个离子明显都没有参与反应。溶液中的Cu²⁺离子则参与了反应，但其反应掉与生成的量相等，相当于Cu²⁺离子没有参加反应。这两种物质都可被消去。就可以得到图三（c）。

这个电解过程只是使阳极的Cu在电流作用下被转移到了阴极。这个反应可被写为

  Cu（阳极） Cu（阴极）

当然，其中所标记的反应条件“电解”，也可以更精确地标记为“电镀”。

总之，电解与电镀是一类，仅涉及电极间物质的转移，而几乎不关系到电解质和溶剂变化的电化学过程。

四、溶剂水及电解质都参与反应的电解过程

溶剂水与电解质同时发生变化的电解情况，只是其反应方程式稍稍复杂了一些。对其电解过程的分析，其实也没有什么难度可言。

例4，用石墨阳极和铁阴极，电解氯化镁溶液。

将电解过程所涉及的所有信息用图四（a）表示如下。

阴极区的Fe是不可能得电子的，Mg²⁺离子得电子能力不如H⁺离子。所以只是H⁺离子得电子成H₂。这个过程可以用上图四（b）左侧的箭号表示出来。

阳极区的惰性电极C不会给出电子。而Cl^-离子要先于OH^-离子放电，并生成Cl₂。这个过程可以用上图四（b）右侧的箭号表示出来。

将本身没有参与化学反应的两电极划掉（注意一个物质只要有一个离子参与了反应，就不能将其划掉），就得到了上图四（c）。

不难看出，发生反应的是电解质MgCl₂中的Cl^-离子，及溶剂H₂O中的H⁺离子。而在溶液中剩余了Mg²⁺离子与OH^-离子，它们会以沉淀的形式析出。

这样电解MgCl₂溶液的反应方程式就应该写成MgCl₂+2H₂O H₂↑+Cl₂↑+ Mg(OH)₂↓。

电解NaCl溶液的反应也属于这个反应类型，只是NaOH不会沉淀罢了。

五、对简单电池反应的分析

当较熟练地掌握这个分析方法后，也可用于对电池反应的分析。

例5，将铜片与锌片插入CuSO₄溶液中构成一个原电池。写出其电池反应的化学方程式。

反应所涉及的物种及关系如下图五（a）所示。其中，电解质和溶剂水仍按前面的方法来拆分（有氧化性的离子在左列，有还原性的离子在右列）。这样，两金属电极中还原性较强的锌电极就当然要排在右列了。

 

看起来，这个装置与电解池在形式上也没有多大的区别。因为图五(a)左列的有氧化性物质将要发生的还是还原反应，这个电极也仍是阴极。

在这个阴极区，氧化性最强的当然还是Cu²⁺离子。它会优先得电子，被还原成金属铜而在阴极析出。如图五（b）左侧所示。

在阳极区还原性最强的是锌片了。它要向外电路给出电子，而本身以Zn²⁺离子的形式进入溶液。由于外电路的电子是从锌片流向铜片，相当于电流（正电荷流向）从铜电极流向锌电极。所以锌片也是电池的负极。

从图中再去除掉没有参与反应的物种，就可得到图五（c）。据图五（c）中的反应物Zn与CuSO₄，产物Cu与ZnSO₄，不难写出化学方程式，Zn+ CuSO₄= Cu+ ZnSO₄。

总之，图示法来分析一些简单电化学过程，有简单、明了的优点。在化学教学中是一个可取的方法。