ast_essay
112年
化學
第 22 題
📖 題組：
20-22題 為題組 水電解反應 所產生的 氫氣（ $H_2$ ）與氧氣（ $O_2$ ），可 分 別 作 為 燃 料 與 醫 療 用 途。為 了瞭解電解質與電極材料對於水電解反應的影響，小安利用 NaOH、 $Na_2SO_4$ 、 $KNO_3$ 與 $NaNO_3$ 作 為 電 解 質 ， 搭 配 白金 、 不 鏽 鋼 與 石墨 作 為 電 極 ， 設計了一系列水 電解實 驗，並 將結果整 理成 表 3 與圖 5；表 3 為水 電解實 驗氣體 生成體 積，圖 5 為水電解實驗的電流效率。電 流 效 率 表 示 所 流 通 的 電 流 中，有 多 少 比 例 實 際 進 行水電解反應。 表 3 電解質（1.0 M） 電極 | NaOH | Na2SO4 | KNO3 | NaNO3 --- | --- | --- | --- | --- | H2（mL） O2（mL） | H2（mL） O2（mL） | H2（mL） O2（mL） | H2（mL） O2（mL） 白金 | 15.9 7.9 | 16.3 8.2 | 15.8 8.0 | 16.0 7.9 不鏽鋼 | 15.8 8.0 | 16.1 6.3 | 0.5 7.5 | 0.2 7.3 石墨 | 15.9 3.2 | 16.4 2.1 | 1.3 0.9 | 1.7 0.8
20-22題 為題組 水電解反應 所產生的 氫氣（ $H_2$ ）與氧氣（ $O_2$ ），可 分 別 作 為 燃 料 與 醫 療 用 途。為 了瞭解電解質與電極材料對於水電解反應的影響，小安利用 NaOH、 $Na_2SO_4$ 、 $KNO_3$ 與 $NaNO_3$ 作 為 電 解 質 ， 搭 配 白金 、 不 鏽 鋼 與 石墨 作 為 電 極 ， 設計了一系列水 電解實 驗，並 將結果整 理成 表 3 與圖 5；表 3 為水 電解實 驗氣體 生成體 積，圖 5 為水電解實驗的電流效率。電 流 效 率 表 示 所 流 通 的 電 流 中，有 多 少 比 例 實 際 進 行水電解反應。 表 3 電解質（1.0 M） 電極 | NaOH | Na2SO4 | KNO3 | NaNO3 --- | --- | --- | --- | --- | H2（mL） O2（mL） | H2（mL） O2（mL） | H2（mL） O2（mL） | H2（mL） O2（mL） 白金 | 15.9 7.9 | 16.3 8.2 | 15.8 8.0 | 16.0 7.9 不鏽鋼 | 15.8 8.0 | 16.1 6.3 | 0.5 7.5 | 0.2 7.3 石墨 | 15.9 3.2 | 16.4 2.1 | 1.3 0.9 | 1.7 0.8
22. 表 3 顯示 使 用 不 鏽 鋼 當 作 電 極 ，並 搭配 $KNO_3$ 或是 $NaNO_3$ 作為電解質時，產氫的電流效率均低於 10%， 小 安 推 測 這 可 能 是 $NO_3^-$ 陰離子被還原成 $NH_2OH$ 。 寫出 在鹼性水溶液下，此還原反應的半反應式 。（ 2 分）
思路引導 VIP
寫半反應式時，第一步先決定中心原子的氧化數變化。硝酸根中 N 為 +5，被還原成羥胺中 N 的 -1，需要 6 個電子 ($6e^-$)。第二步處理氧原子和氫原子，因為條件是「鹼性水溶液」，我們需使用 $H_2O$ 和 $OH^-$ 來平衡電荷與原子數。左邊帶 -7 電荷（1 個 $NO_3^-$ 和 6 個 $e^-$），右邊補上 7 個 $OH^-$ 來平衡電荷。最後檢查氫與氧的總數即可。
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AI 詳解
AI 專屬家教
同學做得太棒了！你能精準寫出這個較為複雜的氧化還原半反應式，代表你對於電化學的平衡法則掌握得非常紮實且細心。
鹼性環境下的半反應平衡技巧
這題的核心在於正確處理 $NO_3^-$ 還原為 $NH_2OH$ 的過程。首先，我們要判斷氮原子的氧化數變化：在硝酸根中氮為 $+5$，而在羥胺（$NH_2OH$）中氮則是 $-1$，這意味著反應過程需要得到 6 個電子。接著，根據題目要求的鹼性水溶液環境，我們必須利用 $OH^-$ 來平衡左右兩側的電荷，最後再補入 $H_2O$ 完成質量守恆。你所寫出的方程式完全符合這些步驟：
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