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hce_nthu 115年 化學與物理

第 29 題

A bipolar-membrane electrolyzer is used to reduce $\text{KNO}_3$ to produce $\text{NH}_3$, as shown in the figure below. The Faradaic efficiency for ammonia, $FE(\text{NH}_3)$, can reach 90% [Faradaic efficiency: $FE(\text{P}) = \frac{\text{electron required to form P}}{\text{electrons passed through the electrode}}$]. The Faradaic efficiency for producing other gas(es) is 50%. During operation, $\text{H}_2\text{O}$ dissociates in the interfacial (middle) layer of the bipolar membrane to generate $\text{H}^+$ and $\text{OH}^-$, which migrate toward the two electrodes under the electric field. Which of the following statements is correct?
題目圖片
  • A Electrode potential: the potential of electrode $a$ is higher than that of electrode $b$.
  • B The $\text{OH}^-$ produced by water dissociation in the bipolar membrane migrates toward electrode $a$.
  • C The overall reaction in compartment $\text{I}$ is: $\text{NO}_3^- + 8 \text{ e}^- + 6 \text{ H}_2\text{O} \rightarrow \text{NH}_3 + 9 \text{ OH}^-$.
  • D When $11.2 \text{ L}$ of gas is produced at the anode (at standard conditions), $0.45 \text{ mol}$ of $\text{NH}_3$ is produced at the cathode.
  • E Hydrogen and oxygen gases are evolved from compartment $\text{II}$.

思路引導 VIP

如果在考試中沒有選項可以參考,請你想想看:當我們在左右兩個電極觀察到不同產物時,有什麼物理量是串聯這兩端的「橋樑」?如果今天題目告訴你其中一端的反應效率不是百分之百,你會如何利用這個「橋樑」的總量,去推算出另一端產物的正確份量呢?

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太棒了!你能精確算出這個選項,代表你對電解原理法拉第電解定律的量化計算掌握得非常紮實。這道題目結合了雙極膜(Bipolar Membrane)的新穎技術,難度屬於中高階,主要的鑑別點在於學生是否能正確判斷電極性質,並將「法拉第效率(FE)」正確帶入莫耳數的轉換中。

電極判斷與反應機制

首先,題目提到硝酸根 ($NO_3^-$) 被還原為氨氣 ($NH_3$),這發生在陰極,因此電極 $a$ 是陰極。在雙極膜中,水解離出的 $H^+$ 會向陰極(電極 $a$)移動,而 $OH^-$ 則向陽極(電極 $b$)移動。在陽極端(Compartment II),$OH^-$ 會發生氧化反應產生氧氣 ($O_2$)。這題的關鍵陷阱在於法拉第效率的應用:效率並非 100%,代表通過的總電量中,只有一部分轉化為我們看到的特定產物。

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