ast_essay
110年
化學
第 34 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）
4. 已知 SOEC 電解水的效率可達 80%。由化學計量的觀點，說明在此效率下，需要通入莫耳數比為 $1:3$ 的空氣和水蒸氣的原因。（2 分）
📝 此題為申論題
思路引導 VIP
這是一題要求綜合思考的申論題。解題關鍵在於連結「原料輸入」、「轉化效率」和「最終反應所需比例」這三者。終點是哈柏法：$\text{N}_2 + 3\text{H}_2 \rightarrow 2\text{NH}_3$，需要 $\text{N}_2$ 和 $\text{H}_2$ 嚴格遵守 $1:3$ 的莫耳數比。回到輸入端：假設輸入 1 莫耳空氣與 3 莫耳水蒸氣，已知空氣中 $\text{N}_2$ 占比約為 80%，所以有效提供的 $\text{N}_2$ 為 $1 \times 0.8 = 0.8$ 莫耳；而 3 莫耳的水蒸氣電解效率為 80%，能產生出的 $\text{H}_2$ 為 $3 \times 0.8 = 2.4$ 莫耳。最後將實際生成的兩氣體比例拿來算：$0.8 : 2.4 = 1 : 3$，剛好巧妙滿足哈柏法所需，這就是為什麼設定輸入比例為 $1:3$ 的理由。
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空氣中氮氣含量約為 80%，且水蒸氣轉換成氫氣的效率為 80%，故 $\text{n}_{\text{N}2} : \text{n}{\text{H}2} = 1 \times 80% : 3 \times 80% = 1:3$。氮氣與氫氣剛好可以完全反應產生氨氣，兩者的計量係數 $\text{n}{\text{N}2} : \text{n}{\text{H}_2}$ 為 $1:3$。