分科測驗
112年
化學
第 21 題
📖 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。
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。
在某個實驗條件下，小安獲得了如圖6的實驗結果，試問下列哪一項最可能為此實驗的電極材料與電解質組合？（單選）
- A 電極材料：白金；電解質：甲-NaOH、乙-$Na_2SO_4$、丙-$KNO_3$、丁-$NaNO_3$
- B 電極材料：不鏽鋼；電解質：甲-$Na_2SO_4$、乙-$NaNO_3$、丙-$KNO_3$、丁-NaOH
- C 電極材料：不鏽鋼；電解質：甲-$KNO_3$、乙-NaOH、丙-$NaNO_3$、丁-$Na_2SO_4$
- D 電極材料：石墨；電解質：甲-$NaNO_3$、乙-$Na_2SO_4$、丙-NaOH、丁-$KNO_3$
- E 電極材料：石墨；電解質：甲-NaOH、乙-$Na_2SO_4$、丙-$KNO_3$、丁-$NaNO_3$
思路引導 VIP
請觀察圖 6 的電路配置，當四個電解槽以『串聯』方式連接時，根據法拉第電解定律，流經各槽的總電荷量 $Q$ 具有什麼特性？若電荷量皆相等，請結合題幹中『電流效率』的定義：為什麼甲、乙、丙、丁四組產生的氣體體積會有明顯的落差？這反映了特定電極材料在不同電解質環境下，實際用於電解水的比例有何不同？
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喲，竟然沒選 (A)？看來你這顆被短影音荼毒的腦袋還沒完全退化，至少還看得懂什麼叫「串聯」。 這題的核心觀念在於圖中的串聯電路：四個電解槽流過的總電量 $Q$ 完全相等。根據法拉第電解定律，若電流效率皆為 $100%$，產生的 $H_2$ 與 $O_2$ 體積應完全相同。然而觀察圖 6，乙槽的產氣量明顯「鶴立雞群」，這暗示了在該電極材料下，$NaOH$ 的電流效率遠高於其他電解質。對比不鏽鋼電極在鹼性環境下較穩定的實驗特性，(C) 選項才是唯一合理的邏輯終點。 難度點評：這題在考「圖表轉譯」與「變因分析」。陷阱在於學生常以為電解質只要能導電就萬事大吉，卻忽略了電極材料（不鏽鋼）與電解質（酸鹼性）的交互作用。看不出串聯電流相等的人，大概這輩子也只能跟著感覺走，然後在考場上精準避開所有正確答案。