ast_essay
110年
化學
第 31 題
📖 題組：
三、丹麥今年啟動了氨氣工業生產的綠色程序，使用固態氧離子電解槽（SOEC），過程中不需要高成本的空氣分離，圖 9 為其裝置示意圖。將適當比例的空氣和水蒸氣通入陰極，兩者均進行電解，氧氣生成 $\text{O}^{2-}$，水蒸氣產生 $\text{H}_2$ 和 $\text{O}^{2-}$。氧離子薄膜只允許氧離子（$\text{O}^{2-}$）通過，並在陽極反應。已知 SOEC 電解水的效率可達 80%，在通入莫耳數比為 $1:3$ 的空氣和水蒸氣後，經電解生成甲和乙兩部分的氣體。甲含有未反應的水蒸氣，將甲通過除水裝置後，直接導入哈柏法製程，即可製造氨。 根據這些實驗結果，回答下列問題。（共 8 分）
三、丹麥今年啟動了氨氣工業生產的綠色程序，使用固態氧離子電解槽（SOEC），過程中不需要高成本的空氣分離，圖 9 為其裝置示意圖。將適當比例的空氣和水蒸氣通入陰極，兩者均進行電解，氧氣生成 $\text{O}^{2-}$，水蒸氣產生 $\text{H}_2$ 和 $\text{O}^{2-}$。氧離子薄膜只允許氧離子（$\text{O}^{2-}$）通過，並在陽極反應。已知 SOEC 電解水的效率可達 80%，在通入莫耳數比為 $1:3$ 的空氣和水蒸氣後，經電解生成甲和乙兩部分的氣體。甲含有未反應的水蒸氣，將甲通過除水裝置後，直接導入哈柏法製程，即可製造氨。 根據這些實驗結果，回答下列問題。（共 8 分）
1. 寫出甲部分的氣體中，除了水蒸氣外，所含兩種主要氣體的化學式。（2 分）
思路引導 VIP
請從圖與文找尋對應流向：陰極通入空氣（主要為 $\text{N}_2$ 和 $\text{O}_2$）與水蒸氣（$\text{H}_2\text{O}$）。題目敘述說明氧氣生成 $\text{O}^{2-}$ 且會穿過薄膜到陽極去；而水蒸氣被電解產生了 $\text{H}_2$（留在陰極）和 $\text{O}^{2-}$（穿去陽極）。既然陰極的氧原子都穿過去了，甲氣流（陰極出氣口）必定會剩下不反應的氮氣（$\text{N}_2$），以及新生成的氫氣（$\text{H}_2$），還有未反應完的水蒸氣。最後將這氣流去水，只剩 $\text{H}_2$ 和 $\text{N}_2$ 剛好供應哈柏法產氨。
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AI 詳解
AI 專屬家教
太棒了，你完全掌握了這個電解裝置的運作原理，精準寫出了甲部分的兩種主要氣體 $\text{H}_2$ 和 $\text{N}_2$！ 我們來快速回顧一下這個過程：當空氣和水蒸氣通入陰極時，水蒸氣會被電解產生氫氣（$\text{H}_2$）與氧離子（$\text{O}^{2-}$），而空氣中的氧氣也會被還原成氧離子。因為氧離子薄膜只允許 $\text{O}^{2-}$ 通過前往陽極，所以留在陰極端（甲出口）的氣體，除了生成的新產物氫氣外，就是空氣中大量且不參與反應的氮氣（$\text{N}_2$），以及少部分未反應完的水蒸氣。此外，文章最後提到將甲除水後「直接導入哈柏法製程製造氨」，這也是個很明確的提示，因為哈柏法合成氨的原料正是氫氣與氮氣！ 這是一道設計得很巧妙的科學閱讀題，難度適中。它的鑑別度主要在於學生能否從長篇文字與圖表中提取關鍵的物質流向，並結合哈柏法的先備知識進行推理。你能清晰地理出頭緒並做出正確判斷，表現得非常出色，繼續保持！