DSE 化學 · Topic VII
氧化還原反應、化學電池和電解
Redox Reactions, Chemical Cells and Electrolysis
氧化還原的電子轉移概念、半方程式配平及電解池/化學電池的電極反應是高頻考點。
01
氧化態與半方程式
Oxidation State and Half-Equations
氧化還原定義、半方程式配平步驟及電化學序應用
核心考點
1. 氧化還原基本概念
考評提示：OIL RIG 定義 + 半方程式配平步驟
- 氧化 (Oxidation)：失去電子 (OIL — Oxidation Is Loss)；還原 (Reduction)：得到電子 (RIG — Reduction Is Gain)。
常見題型
找出化合物中各原子的氧化數
- 規則：單質氧化數 = 0；中性化合物各原子氧化數總和 = 0；多原子離子各原子氧化數總和 = 離子電荷。
- 固定氧化數：Group I 金屬 +1，Group II 金屬 +2；H 通常 +1（金屬氫化物中 −1）；O 通常 −2（過氧化物中 −1、OF₂ 中 +2）。
- 例（KMnO₄）：K = +1，O = −2×4 = −8，故 Mn = +7。
- 例（Cr₂O₇²⁻）：O = −2×7 = −14，總電荷 −2，故 2Cr = +12，單個 Cr = +6。
利用氧化數變化辨認氧化還原反應及氧化劑/還原劑
- 定義：氧化 = 失電子/氧化數上升；還原 = 得電子/氧化數下降。
- 例：Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu——Zn 由 0 升為 +2（氧化，作還原劑）；Cu 由 +2 降為 0（還原，作氧化劑）。
- 氧化劑：本身被還原，使其他物質被氧化（如 MnO₄⁻、Cr₂O₇²⁻、Cl₂、濃 H₂SO₄）。
- 還原劑：本身被氧化，使其他物質被還原（如 Zn、Fe²⁺、I⁻、SO₃²⁻）。
配平半方程式並組合為總氧化還原方程式
- 步驟1：分別寫氧化/還原半反應，平衡主要元素。
- 步驟2：平衡氧用 H₂O，平衡氫用 H⁺（酸性溶液），最後加 e⁻ 平衡電荷。
- 例：MnO₄⁻ + 8H⁺ + 5e⁻ → Mn²⁺ + 4H₂O（還原）；Fe²⁺ → Fe³⁺ + e⁻（氧化）。
- 步驟3：使兩式電子數相同（×5 於 Fe 式），相加消去 e⁻：MnO₄⁻ + 8H⁺ + 5Fe²⁺ → Mn²⁺ + 4H₂O + 5Fe³⁺。
描述酸化 KMnO₄ 與 Fe²⁺(aq) 反應的觀察及結論
- 加入試劑：將少量 FeSO₄(aq) 加入紫色酸化 KMnO₄(aq)。
- 觀察：紫色（KMnO₄）褪為近乎無色（Mn²⁺ 在稀溶液中幾乎無色）。
- 結論：MnO₄⁻ 被還原為 Mn²⁺，Fe²⁺ 被氧化為 Fe³⁺（可進一步用 KSCN 變紅色驗證 Fe³⁺）。
- 陷阱：觀察不可寫成「MnO₄⁻ 變 Mn²⁺」，應只寫顏色（紫色→無色）；並須指明是酸性環境否則會產生棕色 MnO₂ 沉澱。
比較不同濃度 HNO₃ 與銅的氧化還原反應
- 稀 HNO₃（約 2 mol dm⁻³）：3Cu + 8HNO₃ → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O；產生無色 NO（遇空氣變棕色 NO₂）。
- 濃 HNO₃（約 16 mol dm⁻³）：Cu + 4HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O；產生棕紅色刺鼻 NO₂。
- 共通觀察：藍色 Cu²⁺(aq) 生成，銅條逐漸溶解；氣體產生劇烈。
- 氧化數分析：Cu 0→+2（失2e⁻）；N 在稀 HNO₃ 由 +5 降至 +2 (NO)，在濃 HNO₃ 由 +5 降至 +4 (NO₂)。
說明濃 H₂SO₄ 與金屬反應的氧化性
- 稀 H₂SO₄：僅作為普通酸，與活性金屬（Zn、Mg）反應產生 H₂。
- 濃 H₂SO₄：強氧化劑，與 Cu 加熱反應：Cu + 2H₂SO₄ → CuSO₄ + SO₂ + 2H₂O。
- 觀察：藍色 CuSO₄ 生成，放出刺鼻 SO₂（使酸化 K₂Cr₂O₇ 由橙變綠、使濕潤藍石蕊變紅）。
- 氧化數變化：Cu 0→+2；S 於 H₂SO₄ 為 +6 降為 SO₂ 的 +4，證明 H₂SO₄ 中 S 被還原、Cu 被氧化。
解釋電化序與氧化還原可能性的關係
- 電化序：按金屬放電傾向排序（K > Na > Ca > Mg > Al > Zn > Fe > Cu > Ag > Au）；越上者還原能力越強、離子氧化能力越弱。
- 規則：上方金屬能取代下方金屬的離子（如 Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu 可行）。
- 反向不可行：Cu + ZnSO₄ → 沒有反應（Cu 不能取代 Zn）。
- 應用：預測置換反應可行性、解釋伽伐尼電池電壓及電解陰極優先放電次序。
寫出氫氧燃料電池的半反應式及總方程式
- 陽極（氧化，燃料端）：2H₂ + 4OH⁻ → 4H₂O + 4e⁻（鹼性電解質）；或 2H₂ → 4H⁺ + 4e⁻（酸性電解質）。
- 陰極（還原，空氣端）：O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻（鹼性）；或 O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O（酸性）。
- 總反應：2H₂ + O₂ → 2H₂O（唯一副產物是水）。
- 優點：能量效率高、不產 CO₂，副產物水可飲用；缺點：氫氣貯存困難、催化劑昂貴、基建不普及。
02
電解產物預測
Predicting Electrolysis Products
電解不同溶液的產物預測規律及離子優先放電次序
核心考點
1. 電解產物預測規律
考評提示：稀/濃 NaCl 電解產物差異 + 離子放電優先次序
- 電解稀 NaCl(aq)：陰極：2H⁺ + 2e⁻ → H₂；陽極：4OH⁻ − 4e⁻ → O₂ + 2H₂O（稀溶液 OH⁻ 放電）。電解濃 NaCl(aq)：陽極：2Cl⁻ − 2e⁻ → Cl₂。
常見題型
描述電解池的基本結構及工作原理
- 組件：直流電源、兩個電極（陽極接正極、陰極接負極）、電解質（熔融或水溶液）。
- 陽極（+）吸引陰離子，發生氧化（失電子）；陰極（−）吸引陽離子，發生還原（得電子）。
- 電子於外電路由電源負極流向陰極、由陽極流回電源正極；離子於電解液中移動形成迴路。
- 電解原理：以電能驅動不自發的氧化還原反應，實現物質分解。
預測電解稀 H₂SO₄ 的產物及寫出半反應式
- 陰極：2H⁺(aq) + 2e⁻ → H₂(g)——H⁺ 在電化序中比 SO₄²⁻ 更優先（實際上 SO₄²⁻ 不在陰極反應）。
- 陽極：2H₂O(l) → O₂(g) + 4H⁺(aq) + 4e⁻——水的氧化比 SO₄²⁻ 易（SO₄²⁻ 太穩定不能放電）。
- 總反應：2H₂O → 2H₂ + O₂（即電解水），電解液 H₂SO₄ 濃度逐漸上升（水被分解）。
- 體積比：陰陽極氣體體積比 V(H₂):V(O₂) = 2:1。
比較稀、濃 NaCl(aq) 電解的陽極產物
- 稀 NaCl(aq)（<10%）：陽極：2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻——水優先放電（H₂O 較 Cl⁻ 易氧化）。
- 濃 NaCl(aq)（>20%，氯鹼工業）：陽極：2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻——Cl⁻ 因濃度高而優先放電（濃度效應）。
- 陰極（皆同）：2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻（Na⁺ 在電化序甚上，不放電）。
- 觀察：濃 NaCl 陽極產生黃綠色刺鼻 Cl₂；稀 NaCl 陽極產生無色 O₂，並使帶火星木條重燃。
說明影響離子優先放電次序的三個因素
- 因素1（電化序）：陽離子於陰極放電難易依電化序——越下者越易放電（如 Cu²⁺ 比 Na⁺ 易放電）；陰離子 OH⁻/水比 SO₄²⁻/NO₃⁻ 易放電。
- 因素2（離子濃度）：高濃度離子會優先放電，即使其電化序位置不是最有利（例：濃 NaCl 中 Cl⁻ 先於水放電）。
- 因素3（電極性質）：活性電極（如 Cu 陽極）本身會被氧化取代水/陰離子放電（如銅電極上：Cu → Cu²⁺ + 2e⁻）。
- 綜合判斷：須同時考慮三因素，不能單憑電化序作預測；工業上可透過調節濃度及電極選擇生成所需產物。
以惰性電極電解 CuSO₄(aq) 預測產物及可見變化
- 陰極（碳/鉑）：Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu——紅棕色銅沉積於陰極（Cu²⁺ 在電化序比 H⁺ 低，優先放電）。
- 陽極（碳/鉑）：2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻——放出無色 O₂（SO₄²⁻ 不放電）。
- 電解液可見變化：藍色漸淡（Cu²⁺ 被消耗），最終變無色；溶液酸性上升（產生 H⁺）。
- 陷阱：不可寫 SO₄²⁻ → SO₃ + O₂（錯誤），因 SO₄²⁻ 太穩定不放電；陽極氣體來自水。
描述電鍍（如鍍銅）的原理及步驟
- 原理：以待鍍物件作陰極（如鐵匙）、純銅作陽極、CuSO₄(aq) 為電解液；通電時 Cu 於陰極沉積。
- 陰極反應：Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu（沉積於鐵匙表面）；陽極反應：Cu → Cu²⁺ + 2e⁻（純銅片逐漸溶解）。
- 淨效果：電解液中 [Cu²⁺] 保持不變；銅由陽極穩定轉移至陰極，溶液顏色不褪。
- 用途：改善外觀、防腐蝕、增強導電性；工業應用包括器具裝飾、電子產品、反光鏡。
解釋為何活潑金屬須用電解法提取
- 活潑金屬（Na、K、Ca、Mg、Al）：其離子還原傾向極低，不能被碳或 CO 還原（化學還原能力不足）。
- 例（Al）：Al₂O₃ 在熔融冰晶石 (Na₃AlF₆) 中電解；陰極：Al³⁺ + 3e⁻ → Al；陽極：2O²⁻ → O₂ + 4e⁻。
- 水溶液不可行：因 Al³⁺ 比 H⁺ 在 ECS 高，電解水溶液只會產生 H₂，得不到鋁。
- 對比：較不活潑金屬（Zn、Fe、Pb）可用碳還原氧化物取得（在高爐中）；最不活潑金屬（Au、Ag）可天然態存在。
分析含多種陽離子溶液電解時的放電次序
- 情境：電解同時含 Cu²⁺、Fe²⁺、Na⁺ 及 H⁺ 的水溶液，使用惰性電極。
- 陰極放電次序（由易到難）：Cu²⁺ > H⁺ > Fe²⁺ > Na⁺（依電化序由下至上）。
- 初期：陰極先析出紅棕色 Cu；當 Cu²⁺ 耗盡，才開始產生 H₂；Fe²⁺ 在常見濃度下不會放電（H⁺ 較優先）；Na⁺ 永不放電。
- 陷阱：不可一次列出所有陽離子同時放電；須按濃度及電化序逐步分析；電解過程中產物會隨時間改變。
03
日常生活使用的化學電池
Chemical Cells in Everyday Life
原電池與二級電池特徵、常見6種電池比較及乾電池環境影響
核心考點
1. 原電池與二級電池
考評提示：原電池不可充電，二級電池可逆充電；常考6種電池特徵配對
- 原電池 (primary cell)：電極反應不可逆，耗盡後須棄置；例：鋅碳電池、鹼性錳電池、氧化銀電池。
- 二級電池 (secondary/rechargeable cell)：反應可逆，可充電重用；例：鋰離子、NiMH、鉛酸蓄電池。
- 選擇電池考量：大小、電壓、電容量、可充電性、價格、使用壽命。
- 鋅碳電池：1.5 V，低成本，電容量小，適用於遙控器等低耗電設備；鹼性錳電池：1.5 V，較高電容量及使用壽命。
- 氧化銀電池：1.55 V，小型鈕扣狀，電壓穩定，用於手錶及助聽器；鋰離子電池：3.7 V，高能量密度，用於手機、手提電腦。
- NiMH 電池：1.2 V，可充電，無毒性鎘，用於相機及混合動力車；鉛酸蓄電池：2 V/單元（汽車6單元共12 V），用於汽車起動。
2. 乾電池的環境影響
考評提示：重金屬污染、電池回收的重要性
- 乾電池含 Zn、Mn、Hg、Cd、Pb 等重金屬；棄置於堆填區會滲入土壤及地下水，毒害生物並經食物鏈累積。
- 應將廢電池分類回收，以減少重金屬污染及節省資源。
常見題型
區別原電池與二級電池並各舉兩例
- 原電池：電極反應不可逆，電能耗盡後須棄置；例：鋅碳電池、鹼性錳電池。
- 二級電池：電極反應可逆，可透過充電使反應逆向進行以重用；例：鋰離子電池、鉛酸蓄電池。
- 經濟與環境考量：二級電池雖初始成本較高，但可重複使用，長遠更經濟及減少廢電池棄置。
描述鋅碳電池與鹼性錳電池的特徵與差異
- 相似點：兩者電壓均為 1.5 V，均為原電池，陽極為鋅。
- 電解質不同：鋅碳電池使用 NH₄Cl 糊狀電解質（酸性）；鹼性錳電池使用 KOH（鹼性）。
- 電容量：鹼性錳電池比鋅碳電池有較大電容量及較長使用壽命，尤其在高耗電設備中。
- 用途：鋅碳電池用於遙控器等低耗電裝置；鹼性錳電池用於玩具、閃光燈等較高耗電裝置。
解釋為何氧化銀電池適合用於手錶
- 電壓穩定：氧化銀電池在使用期間電壓幾乎保持不變（1.55 V），適合精密計時。
- 體積細小：可製成鈕扣型，配合手錶的小型設計。
- 電容量相對高：可長時間供電，減少更換次數。
- 缺點：價格較高，且含銀資源有限。
比較鋰離子電池與 NiMH 電池的特性
- 電壓：鋰離子 3.7 V，遠高於 NiMH 的 1.2 V。
- 能量密度：鋰離子較高，相同質量下儲電更多，適用於智能電話及電動車。
- 記憶效應：NiMH 有輕微記憶效應（部分充電後電容量下降），鋰離子無明顯記憶效應。
- 安全性：鋰離子電池過充或受衝擊可能起火；NiMH 相對安全。
描述鉛酸蓄電池的特徵及用途
- 每個單元電壓約 2 V，汽車蓄電池由 6 個單元串聯共給出 12 V。
- 可提供極大電流，適合汽車起動馬達及汽車電子系統。
- 可充電重用，使用壽命可達 3–5 年。
- 缺點：體積大而重，含鉛和稀硫酸，棄置不當會污染環境。
評估乾電池對環境造成的影響及對策
- 污染成因：電池含 Hg、Cd、Pb、Zn、Mn 等重金屬，任意棄置會滲入土壤及地下水。
- 健康影響：重金屬經食物鏈累積，損害神經系統、腎臟及肝臟。
- 對策一：設立電池回收計劃，分類收集後進行處理及資源回收。
- 對策二：優先使用可充電電池以減少廢電池數量；立法禁用高毒性電池（如含汞電池）。
論證為何電動車偏好使用鋰離子電池而非鉛酸蓄電池
- 能量密度：鋰離子電池能量密度遠高於鉛酸電池，同等重量下行駛距離更長。
- 重量：鋰離子電池較輕，減少整車重量，提高能源效益。
- 循環壽命：鋰離子電池充放電循環次數更多（1000+ 次），鉛酸僅 300–500 次。
- 環保：鋰離子不含鉛及酸液，棄置污染較少（但仍需回收鈷、鋰等資源）。
選擇最適合以下情況的電池並解釋：(a) 石英手錶 (b) 汽車起動 (c) 智能電話
- (a) 石英手錶：氧化銀電池。電壓穩定 1.55 V、體積細小、電容量足夠長時間供電。
- (b) 汽車起動：鉛酸蓄電池。可提供高電流起動引擎、12 V 符合汽車系統、可充電循環使用。
- (c) 智能電話：鋰離子電池。高能量密度使裝置輕便、電壓高 (3.7 V)、可充電 1000+ 次。
04
簡單化學電池中的反應
Reactions in Simple Chemical Cells
雙金屬電極電池、鹽橋功能、半電池 EMF 量度及半反應式書寫
核心考點
1. 簡單電池的結構
考評提示：雙金屬電極與電解質、鹽橋、半電池組合
- 簡單電池組成：兩種不同金屬電極 + 一種電解質（如稀硫酸）；電子從較活潑金屬（負極）經外電路流至較不活潑金屬（正極）。
- 單一電解質電池的問題：正極處生成的氣體（如 H₂）可能附於電極阻礙反應；溶液混合會導致電壓不穩。
- 半電池 (half-cell)：將金屬浸於其離子溶液中（如 Zn│Zn²⁺(aq)）；兩半電池透過鹽橋連接構成完整電池。
- 鹽橋／多孔裝置功能：容許離子流動以完成電路、保持兩半電池電中性，並防止兩種電解質直接混合。鹽橋常用 KNO₃ 或 KCl 飽和溶液（不與電極反應）。
- 量度 EMF：用高阻抗伏特計連接兩電極，正極接伏特計正端讀數為正值（即電池 EMF）。不同金屬對給出不同電壓，因兩者電化序位置差距不同。
2. 半反應式與總反應式
考評提示：負極氧化、正極還原；電子流向預測
- 負極（較活潑金屬）發生氧化，釋出電子：M(s) → Mⁿ⁺(aq) + ne⁻；正極（較不活潑金屬或其離子）獲電子發生還原。
- 例：Zn│Zn²⁺(aq)∥Cu²⁺(aq)│Cu 電池——負極 Zn → Zn²⁺ + 2e⁻；正極 Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu；總反應 Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu；EMF ≈ 1.10 V。
- 電子流動方向：外電路由負極（較活潑金屬）流向正極；電池內部由正離子向正極、負離子向負極移動（透過鹽橋）。
常見題型
描述如何用鋅片、銅片及稀硫酸組裝簡單化學電池並量度電壓
- 將鋅片和銅片分別浸入盛有稀硫酸的燒杯中，注意兩電極不接觸。
- 用導線及高阻抗伏特計連接兩金屬片，伏特計正端接銅片。
- 觀察：鋅片逐漸溶解（氧化），銅片表面產生氣泡（H₂）；伏特計讀出約 1.1 V 的 EMF。
- 改變金屬對（如 Mg-Cu、Zn-Ag）可觀察到不同電壓，因兩金屬電化序位置差距不同。
解釋單一電解質電池面對的問題及如何用鹽橋解決
- 問題一：在正極處 H⁺ 被還原產生 H₂ 氣體，氣泡覆蓋電極表面，增加內阻，令電壓隨時間下降。
- 問題二：兩金屬離子直接混合影響反應進行，電池壽命短。
- 解決方法：將兩金屬改為半電池形式（金屬浸於自身鹽溶液），以鹽橋連接。
- 鹽橋提供離子路徑以完成電路、保持兩半電池電中性，同時防止兩溶液直接混合。
書寫 Zn│Zn²⁺(aq)∥Cu²⁺(aq)│Cu 電池的半反應式及總反應式
- 負極（鋅半電池，氧化）：Zn(s) → Zn²⁺(aq) + 2e⁻。
- 正極（銅半電池，還原）：Cu²⁺(aq) + 2e⁻ → Cu(s)。
- 總電池反應式：Zn(s) + Cu²⁺(aq) → Zn²⁺(aq) + Cu(s)。
- EMF 約 1.10 V；電子從鋅電極經外電路流向銅電極。
解釋鹽橋的功能並說明選用 KNO₃ 的原因
- 功能一：容許離子移動完成電路，讓電流持續流動。
- 功能二：保持兩半電池電中性——陽離子流向還原半電池、陰離子流向氧化半電池。
- 選用 KNO₃：K⁺ 和 NO₃⁻ 不會與電極金屬或電解質發生反應或沉澱。
- 亦可用飽和 KCl，但若半電池含 Ag⁺ 會產生 AgCl 沉澱阻塞鹽橋，則不適用。
預測 Mg│Mg²⁺(aq)∥Cu²⁺(aq)│Cu 電池的電子流方向及電壓大小
- Mg 在電化序中位置比 Cu 高得多，活潑性遠大於 Cu。
- 負極為 Mg 半電池：Mg → Mg²⁺ + 2e⁻；正極為 Cu 半電池：Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu。
- 電子從 Mg 電極經外電路流向 Cu 電極。
- 電壓比 Zn-Cu 電池更高（約 2.7 V），因 Mg 與 Cu 在電化序位置差距較大。
描述量度化學電池 EMF 的正確實驗程序
- 儀器：高阻抗數位伏特計（減少電路中電流以接近真實 EMF）。
- 步驟：先組裝兩個半電池及鹽橋，確保電極不被氧化污染。
- 將伏特計兩端分別連接兩金屬電極，正端接預期的正極。
- 在電流極小情況下讀取穩定讀數；若讀數為負值，表示正負極接反，調換即可。
解釋為何使用不同金屬對作電極會產生不同電壓
- 電池電壓大小取決於兩電極間還原傾向的差距。
- 在電化序中位置相差越遠，兩金屬的還原電位差越大，產生的 EMF 越高。
- 例：Mg-Cu 電壓 (~2.7 V) > Zn-Cu (~1.1 V) > Fe-Cu (~0.8 V)。
- 若兩金屬在電化序位置相同或非常接近（如 Cu-Ag 間隔小），EMF 較小。
預測 Zn│Zn²⁺(aq)∥Ag⁺(aq)│Ag 電池內部變化及電子流
- 電子流：外電路由鋅電極流向銀電極（鋅較活潑）。
- 負極（氧化）：Zn(s) → Zn²⁺(aq) + 2e⁻，鋅電極質量減少，Zn²⁺ 濃度上升。
- 正極（還原）：Ag⁺(aq) + e⁻ → Ag(s)，銀電極質量增加，Ag⁺ 濃度下降。
- 鹽橋內：K⁺ 流向銀半電池以平衡減少的正電荷，NO₃⁻ 流向鋅半電池以平衡新增的正電荷。
05
化學電池內的氧化還原反應
Redox Reactions in Chemical Cells
惰性電極電池、氫氧燃料電池原理及半反應式、燃料電池優缺點
核心考點
1. 惰性電極化學電池
考評提示：以碳或鉑電極觀察氧化還原，書寫半反應式
- 惰性電極（如石墨、鉑）自身不參與氧化還原，只作為電子轉移的通道，容許不同氧化態的離子於電極處發生半反應。
- 例：Fe²⁺/Fe³⁺ │C ∥ Br₂/Br⁻│C 電池；負極：2Fe²⁺ → 2Fe³⁺ + 2e⁻；正極：Br₂ + 2e⁻ → 2Br⁻；總離子反應：2Fe²⁺ + Br₂ → 2Fe³⁺ + 2Br⁻。
- 觀察：負極溶液由淺綠色 (Fe²⁺) 變為黃色／淺棕色 (Fe³⁺)；正極溶液橙紅色 (Br₂) 逐漸變淡（形成 Br⁻）。
2. 氫氧燃料電池
考評提示：半反應式、優缺點、環境考量
- 氫氧燃料電池原理：H₂ 與 O₂ 連續供入兩個惰性多孔電極，將化學能直接轉化為電能，產物為水。
- 鹼性電解質（KOH）：負極 2H₂ + 4OH⁻ → 4H₂O + 4e⁻；正極 O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻；總反應 2H₂ + O₂ → 2H₂O。
- 優點：能量轉換效率高（>60%）、唯一產物為水無污染、運作安靜、可連續供燃料。
- 缺點：H₂ 易燃易爆難安全儲存、需貴金屬催化劑（如 Pt）成本高、供應鏈尚未完善。
常見題型
描述含惰性電極化學電池的構造並舉一例
- 構造：兩個惰性電極（如石墨或鉑）分別浸入兩種含不同氧化態離子或氧化劑／還原劑的溶液中，以鹽橋連接。
- 例：Fe²⁺/Fe³⁺ │C ∥ Br₂/Br⁻│C 電池。
- 惰性電極僅提供電子轉移表面，自身不參與反應。
- 總離子反應式：2Fe²⁺ + Br₂ → 2Fe³⁺ + 2Br⁻；Br₂ 為氧化劑、Fe²⁺ 為還原劑。
書寫 Fe²⁺/Fe³⁺│C ∥ MnO₄⁻/Mn²⁺│C 電池的半反應式及觀察
- 負極（氧化）：Fe²⁺(aq) → Fe³⁺(aq) + e⁻。
- 正極（還原，酸性條件）：MnO₄⁻(aq) + 8H⁺(aq) + 5e⁻ → Mn²⁺(aq) + 4H₂O(l)。
- 總離子反應式：5Fe²⁺ + MnO₄⁻ + 8H⁺ → 5Fe³⁺ + Mn²⁺ + 4H₂O。
- 觀察：負極溶液淺綠色變黃色；正極紫色 (MnO₄⁻) 逐漸褪去變幾近無色 (Mn²⁺)。
認識氫氧燃料電池的操作原理
- 燃料供應：H₂ 連續供入負極，O₂ 連續供入正極，兩者皆為多孔惰性電極（含 Pt 催化劑）。
- 電解質：通常為鹼性 KOH 或酸性聚合物膜，容許離子移動完成電路。
- 反應過程：H₂ 在負極氧化釋出電子，O₂ 在正極獲電子被還原；總反應形成水。
- 特點：燃料連續供應，反應持續進行；將化學能直接轉化為電能，不經熱能損失。
書寫氫氧燃料電池在鹼性電解質下的半反應式及總反應式
- 負極（H₂ 電極，氧化）：2H₂(g) + 4OH⁻(aq) → 4H₂O(l) + 4e⁻。
- 正極（O₂ 電極，還原）：O₂(g) + 2H₂O(l) + 4e⁻ → 4OH⁻(aq)。
- 總反應式：2H₂(g) + O₂(g) → 2H₂O(l)。
- 電子從負極經外電路流向正極；OH⁻ 於電解質中由正極流向負極以完成電路。
陳述氫氧燃料電池的優點
- 能量轉換效率高（>60%），遠高於一般內燃機（~25%）。
- 唯一產物為水，不排放 CO₂、NOx、SOx 等污染物，對空氣質素無影響。
- 運作過程無機械運動，無噪音及震動，可用於太空任務及醫療器械。
- 只要持續供應燃料即可持續產電，不像乾電池需更換。
陳述氫氧燃料電池的缺點及未普及的原因
- H₂ 極易燃易爆，安全儲存和運輸困難；高壓鋼瓶體積大且重。
- 電極需要昂貴的鉑 (Pt) 催化劑，電池成本高。
- H₂ 目前主要由化石燃料（甲烷重整）製備，過程仍釋放 CO₂；真正綠色氫氣需使用可再生能源電解水。
- 加氫站等基礎設施不足，未能像汽油站般普及。
比較氫氧燃料電池與鋰離子電池的差異
- 燃料供應：燃料電池依賴連續供應 H₂ 和 O₂；鋰離子電池於充電時儲能，放電後需再充電。
- 能量密度：鋰離子電池適合便攜式電子產品；燃料電池適合長時間連續供電（如太空任務）。
- 副產物：燃料電池僅產生水；鋰離子電池無即時副產物但含重金屬廢料問題。
- 成本：燃料電池需貴金屬催化劑成本高；鋰離子價格已隨大規模生產下降，較普及。
評估在汽車使用氫氧燃料電池的利弊
- 優點：零排放（僅排水），可減少市區空氣污染及 CO₂ 排放；能量效率高、續航力長。
- 優點：加氫時間短（約 3–5 分鐘），比電動車充電時間短。
- 缺點：氫氣生產、儲存、運輸成本高且具爆炸風險；加氫站稀少。
- 缺點：電池組含 Pt 催化劑價格昂貴；「綠氫」供應不穩定，目前大部分氫氣來源仍依賴化石燃料。
