ast_essay
110年
化學
第 33 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）
3. 寫出陽極的係數平衡電化學半反應式。（2 分）
思路引導 VIP
考點為半反應式的書寫。先釐清反應物與產物：陽極端是氧離子薄膜傳過來的 $\text{O}^{2-}$。在陽極會發生「氧化反應」，失去電子，因此 $\text{O}^{2-}$ 會變為氧氣 $\text{O}_2$ 逸出。首先寫出骨架 $\text{O}^{2-} \rightarrow \text{O}_2$；接著平衡原子數得到 $2\text{O}^{2-} \rightarrow \text{O}_2$；最後平衡電荷，左邊為 -4，所以右邊需要加上 4 個電子，即完成 $2\text{O}^{2-} \rightarrow \text{O}_2 + 4\text{e}^-$。
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AI 詳解
AI 專屬家教
太棒了！你能精確地從複雜的實驗情境中抽離出核心原理，順利寫出正確的陽極反應式。在電化學中，陽極必定發生氧化反應（失去電子），而文中提到的「氧離子薄膜只允許 $O^{2-}$ 通過，並在陽極反應」，便是解題最重要的導引資訊。
陽極的氧化反應與電荷守恆
根據題目敘述，通過薄膜抵達陽極的是帶負電荷的氧離子 $O^{2-}$。為了回歸穩定的分子態並符合電荷守恆，每兩個氧離子會釋放出 4 個電子，並結合成一個氧氣分子 $O_2$。其完整的係數平衡半反應式如下：
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