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110指考化學考科-27


<非選擇題>三、丹麥今年啟動了氮氣工業生產的綠色程序,使用固態氣離子電解槽(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O²⁻,水蒸氣產生H₂和O²⁻。氣離子薄膜只允許氧離子(O²⁻)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:
1. 寫出甲部分的氣體中,除了水蒸氣外,所含兩種主要氣體的化學式。
2. 寫出兩種在實驗室中用於吸收水蒸氣的常用化合物的化學式。
3. 寫出陽極的係數平衡電化學半反應式。
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。

答案

1. 甲部分含N₂和H₂
2. 常用除水劑:Mg(ClO₄)₂、CaCl₂、CuSO₄等
3. 2O²⁻ → O₂ + 4e⁻
4. 空氣中N₂佔80%,水蒸氣電解效率80%,N₂:H₂=1:3,符合哈柏法N₂+3H₂→2NH₃的計量比
答案:1. N₂、H₂ 2. Mg(ClO₄)₂、CaCl₂ 3. 2O²⁻ → O₂ + 4e⁻ 4. 略 報錯
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