氧化還原反應、化學電池和電解 / 子課題
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 (Knowledge Groups)
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 · scoring points
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。
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關於本文：由 DSE 神器團隊整理，資料以香港考試及評核局（HKEAA）最新公佈為準，含歷屆考評建議引用。最後更新：2026 年 4 月。想隨時隨地溫習？下載 DSE 化學神器 App。
