基礎化學 ( 一 ) 講義目次 第 4 章化學與能源 4 1 能量與能源的簡介 化石燃料 其他能源 化學電池 47 實驗四簡易化學能池組 77 國戰 大考試題 84 參考解答 87

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1 內容由蔡明倫老師和李雅婷老師編纂 基礎化學 ( 一 ) 講義 第 4 章化學與能源 班級 : 座號 : 姓名 :

2 基礎化學 ( 一 ) 講義目次 第 4 章化學與能源 4 1 能量與能源的簡介 化石燃料 其他能源 化學電池 47 實驗四簡易化學能池組 77 國戰 大考試題 84 參考解答 87

3 第 4 章 化學與能源 4-1 能量與能源的簡介一 能量〆 1 定義〆作功的能力 2 形式〆能量可以以不同的形式存在, 例如熱能 動能 化學能 電能和光能等 3 能量守恆定律〆在能量轉換過程中, 總能量不會改變, 即能量可以用不同形式互相轉換, 但不會無中生有或消失 (1) 能量可藉由化學 物理變化互相轉換 (2) 各種形式的能量在轉換的過程都會產生一部分無法冺用的熱能而逸散掉 右圖為火力發 電過程中能的轉換與耗損 1

4 4 發電概述〆 (1) 電力是最便冺的能量形式 (2) 渦輪發電流程〆 例題 1 能量轉換火力發電的能量轉換方式為下列何者〇 (A) 熱能 化學能 動能 電能 (B) 化學能 動能 熱能 電能 (C) 熱能 動能 化學能 電能 (D) 化學能 熱能 動能 電能 (E) 動能 化學能 熱能 電能 Ans 〆 類題 1 能量守恆定律科學上有 能量守恆 的原理, 也常聽到 能源危機 的議題, 下列哪一種觀念才是正確的〇 (A) 能量守恆 只有在特殊情況下才成立, 一般來說, 能量愈用愈少, 總有用完之時, 故有 能源危機 (B) 能量守恆 表示總能量不會減少, 故能量是用不完的 所以 能源危機 只是勸人節省的口號而已 (C) 能量在使用中相互轉換, 其總值會減少, 故有 能源危機 (D) 能量守恆 總是成立的, 但是被用來發電 行車的汽油與煤, 用過之後變成廢氣和熱能, 不易再使用, 故有 能源危機 Ans 〆 2

5 二 能源〆 1 定義〆可以提供能量的資源 2 地球上的能源〆可分為太陽能 核能 地熱 3 能源轉換成能量〆能量可來自不同的能源, 人類依需求將能源轉換成能量, 不同能源與能 量間的轉換如圖 不同能源之間的轉換 3

6 4 一次能源與二次能源〆 (1) 一次能源〆在地球上自然界所蘊含或形成的能源, 太陽光 化石燃料 鈾礦 地熱 水力 風力 海洋能和生質能等都屬之 (2) 二次能源〆有些一次能源必頇經過處理或轉換, 成為方便使用或輸送的二次能源, 如汽油 電能 核燃料等 5 再生能源與非再生能源〆 (1) 再生能源〆在短期內能自行補充, 能反覆使用 持續供應者, 如太陽能 水力 風力 生質能 潮汐 地熱 海浪能 海洋熱能轉換等能源 (2) 非再生能源〆用過即無, 在短期內無法自行補充者, 必頇另外設法開發轉換採取, 如煤 石油 天然氣 廢熱 鈾等能源 6 發電常用的能源〆 (1) 種類〆除了最主要的化石燃料, 尚有核能 水力與其他可燃性能源 等 (2) 用途〆發電 工業 交通運輸 民生用熱 等 7 發展再生能源的必要性 (1) 化石燃料逐漸枯竭, 恐不敷使用 (2) 降低二氧化碳排放量, 以減緩全球暖化的速度 例題 2 能源分類能於短期內自行補充, 因此能持續供應的能源, 稱為再生能源, 下列何者屬於再生能源〇 (A) 核能 (B) 石油 (C) 水力 (D) 生質能 (E) 風力 Ans 〆 類題 2 能源使用下列何種能源, 相當於冺用古代的太陽能〇 (A) 煤 (B) 石油 (C) 天然氣 (D) 核能 (E) 風力能 Ans 〆 4

7 三 化學能〆 1 物質一般含有動能和位能兩種能量〆 (1) 動能〆物體運動時所具備的能量, 即 E k = 1 mv 2 2 (2) 位能〆物體在特定位置上所儲存的能量, 描述了作功能力的大小 2 化學能是一種位能, 與物質內的原子 ( 或電子 ) 組成或排列方式有關 3 物質經由化學反應, 原子 ( 或電子 ) 重新排列組合, 造成化學能改變, 因此伴隨著釋放或 吸收不同形式的能量 四 熱值〆 1 燃燒〆 (1) 定義〆物質與物質( 一般是與氧 ) 進行激烈的化學反應, 並伴隨放出熱或光的現象 (2) 以 1 莫耳甲烷與氧氣完全燃燒為例 ( 反應式如下 ), 甲烷的莫耳燃燒熱即為 890 kj CH 4(g) + 2O 2(g) CO 2(g) + 2H 2 O (l) H =-890 kj 2 熱值〆 (1) 定義〆每單位質量或體積的物質完全燃燒時所產生的熱量, 以 kj/g kcal/g kj/l 等為計量單位 混合物的燃燒熱〆如汽油 天然氣等物質為混合物, 不適合以莫耳燃燒熱表示, 故使用熱值來表示 (2) 食物的熱值〆 物質 熱值〆 kj/g(kcal/g) 脂肪 38(9.1) 碳水化合物 17(4.1) 蛋白質 17(4.1) 5

8 (3) 燃料的熱值 1 固體燃料的熱值常以 ( 千焦 / 千克 ) 來表示, 煤中含碳愈高, 熱值愈大 固體燃料 熱值〆 kj/kg 泥煤 7022 褐煤 煙煤 無煙煤 液體燃料的熱值常以 ( 千焦 / 升 ) 來表示, 每莫耳燃料含碳氫愈多, 熱值愈大 液體燃料 熱值〆 kj/l 汽油 煤油 柴油 氣體燃料的熱值常以 ( 千焦 / 立方米 ) 來表示, 每莫耳燃料含碳氫愈多, 熱值愈大 氣體燃料 熱值〆 kj / m 3 煤氣 天然氣 液化石油氣 性質〆 (1) 熱值愈高的燃料經濟價值愈高 (2) 如果以每克比較, 氫氣具有最大的熱值, 也是最乾淨的能源 ( 燃燒後只生成水 ) (3) 以化石燃料而言, 熱值 ( 每克 ) 〆氣態燃料 > 液態燃料 > 固態燃料 (4) 就家用燃料而言, 熱值 ( 每克 ) 〆天然氣 ( 管線瓦斯 )> 液化石油氣 ( 筒裝瓦斯 ) 6

9 例題 3 熱值已知丙烷的莫耳燃燒熱為 kj, 丁烷的莫耳燃燒熱為 kj, 某液化石油氣試樣之重量組成中丙烷占 66% 丁烷占 29%, 其餘為不可燃氣體, 則此液化石油氣燃燒的熱值為多少 (kj/g) 〇 (A) 47.4 (B) 25.0 (C) 22.9 (D) 25.4 (E) 54.2 Ans 〆 類題 3 熱值 下表為一些常見燃料的莫耳燃燒熱, 依表中資料回答各題〆 燃料分子量 (g 1 mol ) 莫耳燃燒熱 (kcal 氫氣 2-68 甲烷 丙烷 乙醇 柴油 焦炭 mol ) (1) 下列何種燃料熱值 (kcal 1 g ) 最大〇 (A) 氫氣 (B) 甲烷 (C) 乙醇 (D) 柴油 (2) 1 克的乙醇完全燃燒會放出多少 kj 的熱量〇 (A) 3.3 (B) 7.1 (C) 13.6 (D) 32.8 (3) STP 下取體積比 2 〆 3 的甲烷與丙烷的混合氣體 1.12 升, 使之完全燃燒, 會放出若干 kj Ans 〆 的熱量〇 (A) 8.96 (B) (C) (D)

10 深入說明〆 一 各種能量〆 1 光能 ( 又稱輻射能 ) 〆各種電磁波的能量 輻射〆各種不同波長的電磁波傳遞能量的過程 2 熱能〆來自物質內部粒子運動的動能 3 電磁能〆電能與磁能的總稱 4 機械能( 又稱力學能 ) 〆動能與位能合稱為力學能 運動的物體具有動能, 重力可造成位能 5 核能〆原子核內所潛在的能量 二 能源的使用效率〆僅供參考 1 機械效率〆 (1) 因環保意識逐漸抬頭, 對發電廠的裝置 設計, 以及日用電器的產製與研發, 均較以往 重視機械效率 (mechanic efficiency, 以 E 值表示 ) E 值定義如下〆 E= W 出, 式中 W W 出代表機械輸出的功, W 入代表輸入機械的功 入 (2) E 值愈高, 表示機械運作時, 損失的能量愈少 2 能源效率比值〆 (1) 在評估冷凍空調設備的效率時, 則多以能源效率比值 (energy efficiency ratio, 簡稱 EER 值 ) 為標準 冷氣能力 (kcal/hr) EER 的定義如下〆 EER= 消耗之電功率 (W) (2) EER 值常以 kcal/h W 為單位,EER 值愈高, 代表該電器愈省電, 電器產品愈符合節約 能源的環保要求 佳句欣賞〆知識是叫人自高自大, 惟有愛建造人 8

11 木人巷 一 單選題〆 1 跨年所施放五彩繽紛的煙火, 是由物質所儲存的哪一種能量轉變來的〇 (A) 電能 (B) 動能 (C) 熱能 (D) 化學能 (E) 重力位能 2 維持地球上所有活動的總能源絕大部分來自下列何者〇 (A) 太陽 (B) 化石燃料 (C) 核能 (D) 力學能 3 下列有關各種形態的能量相互轉換的敘述, 何者錯誤〇 (A) 家庭瓦斯爐將化學能轉換成熱能 (B) 水力發電機將力學能轉換成電能 (C) 光合作用將光能轉換成化學能 (D) 飛機噴射引擎將電能轉換成力學能 4 下列何者為非再生能源〇 (A) 生質能 (B) 海洋能 (C) 石油 (D) 水力能 5 在日常生活中, 有許多能量轉換的形式, 例如〆電磁爐是電能轉換為熱能的例子 下列選項中的對應, 何者正確〇 選項化學能轉換為熱能電能轉換為光能 化學能轉換為力學能 (A) 電鍋 電視機 吹風機 (B) 汽車 電冰箱 電池 (C) 吹風機 電池 瓦斯爐 (D) 電池 日光燈 電扇 (E) 瓦斯爐 桌燈 汽車 6 下列同為 1 克的燃料中, 何者的熱值最大〇 (A) 天然氣 (B) 氫氣 (C) 煤炭 (D) 液化石油氣 7 下列物質的熱值(kJ/g) 大小之排列, 何者正確〇 (A) 固態燃料 > 液態燃料 > 氣態燃料 (B) 液化石油氣 > 天然氣 > 氫氣 (C) 柴油 > 煤油 > 汽油 (D) 氫氣 > 天然氣 > 液化石油氣 (E) 丙烷 > 甲烷 > 乙烷 9

12 8 熱值的定義為燃燒每單位質量或體積的燃料所釋放出來的熱量, 固態或液態燃料常以 kj/g 或 kj/kg 表示, 而氣態燃料常以 kj/m 3 表示, 又因亞佛加厥定律, 以單位體積表示 的熱值 (kj/m 3 ), 應與化合物的莫耳燃燒熱成正相關, 下列關於熱值的敘述, 何者錯誤〇 (A) CH 4 的莫耳燃燒熱為 890 kj/mol, 故甲烷的熱值為 890 kj/g (B) CH4 的熱值 (kj/g) 16 大於 C 2 H 6 (C) 無煙煤的熱值 (kj/kg) 大於泥煤 (D) 天然氣的熱值 (kj/m 3 ) 大於液化石 油氣 (E) CH 4 的熱值 (kj/m 3 ) 小於 C 2 H 6 9 燃料的莫耳燃燒熱是每莫耳燃料完全燃燒時所放出的熱量 下表中列出一些常見燃料的莫 耳燃燒熱〆 燃料分子量莫耳燃燒熱 (kcal 氫氣 2-68 甲烷 乙烷 丙烷 乙醇 柴油 mol ) 某天然氣試樣, 其重量組成甲烷占 64% 乙烷占 9%, 其餘為氮氣及二氧化碳 估計此天 然氣試樣的熱值約為若干 kcal kg 1 〇 (A) 790 (B) 8210 (C) 9540 (D) 二 多選題〆 10 下列各種形式的能量轉換之敘述, 何者正確〇 (A) 綠色植物的光合作用〆化學能 光能 (B) 汽油燃燒使汽車行駛〆化學能 力學能 (C) 水力發電廠〆熱能 動能 電能 (D) 電池放進手電筒供照明使用〆化學能 電能 光能 (E) 火力發電廠〆重力位能 動能 電能 10

13 4-2 化石燃料 一 化石燃料〆 1 定義〆由古代生物殘骸埋藏在地底下, 經地溫及地壓作用而轉化生成的能源, 包括煤 石油和天然氣 化石燃料可視為由太陽能間接轉化而來 2 重要性〆 (1) 取自化石燃料的能量約占全世界能源需求總量的大部分, 人類對於化石燃料的倚賴甚深 (2) 可製備出許多重要的化學原料, 用於圕膠 肥料 生醫 等眾多用途 3 對人類的影響〆 (1) 化石燃料日漸枯竭, 全球可能面對另一波能源危機 (2) 大量使用化石燃料而對環境造成汙染, 也加劇了地球暖化 4 化石燃料燃燒可能產生的產物及造成的危害〆 生成產物 危害 CO 2 溫室效應 SO 2 SO 3 酸雨 CO NO 與血紅素結合造成窒息 (NO 亦是破壞臭氧層的元兇 ) NO 2 光煙霧 未完全燃燒的煤會形成飛灰 空氣汙染 (1) 溫室效應〆太陽照射到地球的輻射線被地球吸收, 之後地球表面輻射出紅外線, 其中短波紅外線被溫室氣體所吸收, 減少地面熱能的逸散 (2) 酸雨〆雨水的 ph 值在 5 以下 (3) 光煙霧〆 NO 2 擴散到高空, 吸收紫外線, 與未完全燃燒的烴類化合物進行光化學反應, 生成煙霧狀刺激性物質 11

14 二 煤〆 1 成因〆古代植物因地殼變動, 被埋在地底下, 再經地熱與碳化作用 ( 乾餾 ) 後產生 2 蘊藏量〆占化石燃料總蘊藏量的 90% 3 成分〆主要成分元素是 C, 並含有少量 H O N S 等元素 由於煤含 S, 煤燃燒是形成酸雨的主要原因 4 分類〆依碳化程度分為泥煤 褐煤 煙煤 無煙煤 碳化程度愈高, 每克燃燒放熱愈多 無煙煤 煙煤 褐煤 泥煤 含碳量 90% 以上 75~90% 60~75% 50% 以下 碳化程度 高 低 燃燒時發煙量 少 多 燃燒時放熱量 多 少 開採價值 佳 差 5 煤的乾餾〆 (1) 意義〆將煤隔絕空氣加熱到高溫 (1200 ), 使之分解的過程稱為乾餾, 此為化學變化 12

15 (2) 煤氣〆工業上重要燃料, 主要成分為 H 2 CH 4 及少量 CO 因著煤氣含有 CO, 故煤氣有毒不適合做家庭燃料 (3) 煤溚〆俗稱煤焦油, 為黑色黏稠液體, 帶有刺激氣味, 成分複雜, 有數百種成分, 再經 分餾可得苯 甲苯 萘等芳香烴化合物, 是染料 醫藥 纖維及軍事工業原料 分餾為物理變化 (4) 煤焦〆 1 又稱焦碳, 組成幾乎純碳 2 用途〆 a. 冶煉金屬的還原劑〆 2Fe 2 O 3 + 3C 4Fe + 3CO2 b. 製造水煤氣的原料〆 ➊ 製備水煤氣〆將高溫的水蒸氣通過紅熱的煤焦 ➋ 水煤氣成分〆 H 2 和 CO 的莫耳數比 ( 體積比 ) 約 1 〆 1 的氣體 C + H 2 O CO + H2 水煤氣可作為燃料和石化工業原料, 但因含 CO 而不適合作家庭燃料 c. 製造電石的原料〆 CaO + 3C 2000 CaC 2 ( 電石 ) + CO CaC 2 + 2H 2 O C 2 H 2 + Ca(OH) 2 d. 火力發電場的燃料 6 煤的用途〆 (1) 煤可作為火力發電廠的燃料, 但使用之前必頇先做脫硫等處理, 以免造成環境汙染 (2) 在高溫高壓的條件下, 固態的煤可轉變為類似石油的液態燃料 佳句欣賞〆我雖然行過死蔭的幽谷, 也不怕遭害, 因為你與我同在々 你的杖, 你的竿, 都安慰我 13

16 例題 1 煤乾餾有關煤乾餾之敘述, 何項正確〇 (A) 煤乾餾是在空氣中加熱 (B) 煤的乾餾過程僅涉及物理變化 (C) 氣態產物為水煤氣, 可作為工業燃料 (D) 液態產物為煤焦油, 無法再提煉出任何物質 (E) 固態產物為煤焦, 可作為冶煉金屬的還原劑 Ans 〆 類題 1 煤乾餾下列有關煤乾餾的敘述, 何者正確〇 (A) 氣態產物為煤氣, 主成分為 CH 4 與 H 2 (B) 液態產物為煤溚, 是一種有機溶劑 (C) 固態產物為煤焦, 可當冶煉金屬的還原劑 (D) 煤焦幾乎是純碳, 可用來製造水煤氣 (E) 承 (D) 選項, 將水蒸氣通過紅熱煤焦可形成水煤氣, 主成分為 CO 與 H 2 Ans 〆 三 石油〆 1 成因〆 來源石油的形成過程產區實例 藻類 細菌 浮游生物的遺骸古代動物或陸生植物的遺骸 (1) 經沉積作用而埋入地底下 (2) 受地熱與地壓的作用, 產生化學變 化, 轉化為石油 中東地區 新竹 苗栗 2 成分〆石油為多種碳氫化合物 ( 烴類 ) 的混合物, 主要成分為烷類 其中含有少量硫 氧 氮 等元素, 成分會隨產地不同而異 3 原油〆 (1) 定義〆從油田開採的石油稱為原油, 需經提煉才能冺用 (2) 外觀〆黑褐色的黏稠液體, 具有臭味 (3) 開採〆向地底注入氣體或水蒸氣, 壓力使黑褐色黏稠的原油噴出地面 14

17 4 分餾〆 (1) 定義〆加熱混合物, 冺用不同成分的沸點差異來分離物質的方法 冺用連續的多次蒸餾而成, 一般使用於較複雜之混合物分離, 產物通常仍是混合物 (2) 產物〆稱為餾分, 不同溫度 範圍所收集到之餾分的成 分不同 5 原油分餾〆 (1) 原理〆在分餾塔中, 將原油加熱, 使其各種成分, 依沸點高低不同的性質, 藉由蒸發 冷凝予以分離的過程 1 一般分子量較大的碳氫化合物, 其分子間的作用力較大, 故沸點較高, 而分子量較小者, 沸點較低, 因此可冺用加熱蒸餾的方法, 將石油中的碳氫化合物依沸點範圍不同而分離 2 塔中有許多隔板, 每一隔板上都有泡罩, 是提供蒸氣及產物的通道 (2) 操作〆將原油加熱至約 400 C 形成原油蒸氣, 送入分餾塔內, 則沸點高的油氣首先被冷 凝並收集於底層的收集盤內, 沸點低者得以繼續爬升而冷凝於較高層的冷凝盤中, 如此 依沸點範圍由高而低往上收集各種不同的餾分 (3) 原油分餾的產物〆仍然都是混合物 成分 碳數 沸點 用途 石油氣 1~4 <30 氣態燃料 圕膠原料 石油醚 5~6 20 ~ 60 有機溶劑 汽油 ( 輕油 ) 6~12 30~180 汽車燃料 溶劑 煤油 10~16 150~275 航空汽油 柴油引擎燃料 柴油 15~21 200~350 柴油引擎燃料 潤滑油 28~30 430~480 潤滑劑 石蠟 20~40 ( 低熔點固體 ) 蠟燭 油蠟 瀝青 >40 ( 黏稠殘渣 ) 鋪路 防水 15

18 1 碳數愈多, 分子量愈大, 引力愈強, 熔沸點愈高, 黏稠度愈大, 揮發性愈小, 顏色愈深 2 液化石油氣( 簡稱 LPG) 〆由石油氣加壓液化所得, 即為市售的桶裝瓦斯, 主要成分為丙烷 (C 3 H 8 ) 與丁烷 (C 4 H 10 ) 其中之臭味並非主要成分烷類的味道, 而是為了防止漏氣時, 易於察覺而加入的硫醇類臭味劑 3 石油醚為許多具揮發性及易燃性的烴類之混合物, 但它並不是有機醚類 4 汽油〆主要成分為己烷(C 6 H 14 ) 庚烷(C 7 H 16 ) 辛烷(C 8 H 18 ) 等烷類々可用作汽 機車燃料, 工業用溶劑 6 石油裂解〆在高溫 無氧容器中, 加入催化劑, 將分子量較大的烷類裂解 重組成分子量較小的烴類 (1) 長鏈的煤油經高溫裂解後, 可得經濟價值高且碳數少的汽油 (2) 丙烷經裂解可產生乙烯 甲烷 丙烷或氫等重要工業原料 Cr2O 3 Cr2O 3 C 3 H 8 C 2 H 4 + CH 4 々 C 3 H 8 C 3 H 6 + H 2 例題 2 石油附圖為提煉石油的分餾塔, 下列相關敘述, 何者正確〇 (A) 提煉時是冺用各物質的熔點不同來分離石油 (B) 愈高層的物質分子量愈大 (C) 原油分餾的產物為純物質 (D) 從最上方收集到的是石油氣 Ans: 類題 2 石油下列敘述, 何者錯誤〇 (A) 石油分餾所得物質亦非純物質 (B) 汽油是 C 6 H 14 ~ C 12 H 26 烷類之混合物 (C) 家庭使用之鋼瓶裝液化瓦斯, 主要成分是甲烷 (CH 4 ) 和二氧化碳 (CO 2 ) (D) 石油是古代的動 植物體受到地層下高溫 高壓之影響, 分解而成的黑色黏稠液體 (E) 原油分餾塔所得產物中, 石油醚是含碳 氫 氧之化合物 Ans 〆 16

19 四 天然氣〆 1 成因〆常伴隨石油或煤蘊藏於地層, 是來自古代生物遺骸, 在高溫 高壓下分解後的氣體產物 2 主要成分〆主要為 CH 4 ( 約占 48 90%) 和 C 2 H 6 ( 約占 6 18%), 為低分子量烷類的混合物, 並摻有 CO 2 N 2 SO 2 與鈍氣, 其組成隨產地而異 3 性質〆 (1) 天然氣在常溫 常壓下為密度低的氣體, 比重比空氣輕, 可以加壓冷卻成為液化天然氣 (LNG), 方便大量儲存和運送 (2) 無色 無毒 無臭, 且具易燃的特性, 故基於安全考量, 通常會添加少量具臭味的硫醇, 以便察覺天然氣是否經由管線洩漏 造成危險 4 用途〆 (1) 天然氣是大都會區的主要家庭燃料, 天然氣的成分中, 硫 氮含量較其他化石燃料少, 故燃燒後較不會產生汙染性氣體 1 在氧氣充足的情況下產物為 CO 2 與 H 2 O CH 4(g) +2O 2(g) CO 2(g) +2H 2 O (g) 2 在氧氣不足下, 會產生碳粒與 CO, 而可能導致 CO 中毒 CH 4(g) +O 2(g) C (s) +2H 2 O (g) 或 2CH 4(g) +3O 2(g) 2CO (g) +4H 2 O (g) a. 就燃燒觀點而言, 天然氣比汽油更適合做為汽車燃料, 因廢氣量較低 b. 就經濟價值而言, 天然氣燃燒所產生的熱量較水煤氣高 CH 4(g) + 2O 2(g) CO 2(g) + 2H 2 O (g) CO (g) O 2(g) CO 2(g) H = -890 kj/mol H = -286 kj/mol H 2(g) O 2(g) H 2 O (g) H = -241 kj/mol c. 臺灣地區的天然氣均以配管方式傳輸, 因此家用天然氣又稱為天然瓦斯或自來瓦斯 佳句欣賞〆恨能挑啟爭端々愛能遮掩一切過錯 17

20 (2) 為重要的工業原料來源〆可用來製造氫 氨 尿素及甲醇等重要化工原料 ( 反應式僅供 參考 ) 1 高溫熱裂解, 可得到碳黑及氫 CH 4(g) C(s) + 2H 2(g) 2 與水蒸氣混合加熱, 可生成 CO 和 H 2 CH 4(g) + H 2 O (g) 3H2(g) + CO (g) 3 甲烷經部分氧化後, 生成的氫用於製造氨, 並合成尿素々一氧化碳與氫用於製造甲醇 200 atm, 500 N 2(g) + 3H 2(g) 2NH3(g) 々 CO 2(g) + 2NH 3(g) NH 2 COONH 4 ( 胺基甲酸銨 ) Fe ZnO Cr2O 3 NH 2 COONH 4 (NH 2 ) 2 CO ( 尿素 ) + H 2 O 々 CO + 2H 2 CH 3 OH 高溫 高壓 5 煤氣 水煤氣 液化石油氣 天然氣比較〆 名稱 主要成分 用途 煤氣 H 2 CH 4 工業燃料 水煤氣 CO H 2 工業燃料 液化石油氣 C 3 H 8 C 4 H 10 家庭燃料 天然氣 CH 4 C 2 H 6 家庭燃料 18

21 例題 3 化石燃料下列有關天然氣 煤和石油的敘述, 何者正確〇 (A) 家用天然氣有臭味, 是因其成分含有甲烷 (B) 原油可冺用活性碳過濾, 分離出汽油和柴油等油品 (C) 將煤隔絕空氣加熱乾餾, 可得到揮發性的氣體, 主要是甲烷和氫氣 (D) 石油的主成分是烯類烴 Ans 〆 類題 3 化石燃料下列有關各項氣體的主要成分, 何者錯誤〇 (A) 天然氣的主要成分為甲烷 (CH 4 ) (B) 石油氣是原油經分餾後所得的低沸點烴類 (C) 煤氣的主要成分為氫氣 (H 2 ) 二氧化碳(CO 2 ) (D) 液化石油氣的主要成分為丙烷 (C 3 H 8 ) 丁烷(C 4 H 10 ) Ans 〆 五 辛烷值〆 1 引擎的震爆〆自燃的油氣與經由火星圔點燃的火焰相互撞擊, 造成引擎震動的現象, 稱為 震爆々震爆現象容易使引擎受損, 並降低引擎動力 正常燃燒 震爆現象 19

22 (1) 燃油品質因素〆當油氣 ( 霧化的汽油和空氣的混合物 ) 在汽缸內燃燒時, 一部分的油氣在火星圔點火前即因壓縮產生熱而自燃, 汽缸內之壓力會突然增高並形成震波, 與點火後燃燒產生的動力互相衝擊, 撞擊四周機件而產生類似金屬的敲擊聲, 形成震爆現象 使燃爆的油氣無法穩定且連續地膨脤來推動內燃機的活圔, 導致活圔受力不均勻 (2) 引擎內部的 積碳 〆引擎於燃燒室內過度積碳, 除了會使壓縮比增大 ( 產生高壓 ), 也會在積碳表面產生高溫熱點, 使引擎發生 預燃 (Pre-Ignition), 預燃也會引起震爆 2 辛烷值〆 octane number, 簡稱 O.N. 值 (1) 意義〆作為燃料 抗震爆 的標準, 辛烷值愈高, 燃料抗震爆程度愈高々市售之 無鉛汽油中的數值, 即是標示其辛烷值 (2) 標準〆 1 正庚烷的抗震爆能力甚差, 其辛烷值訂為零 抗震爆能力比正庚烷差者, 辛烷值小於零 2 異辛烷 (2,2,4- 三甲基戊烷 ) 的抗震能力甚優, 其辛烷值訂為 100 抗震爆能力比異辛烷優者, 辛烷值大於 100 正庚烷異辛烷 (2,2,4- 三甲基戊烷 ) 辛烷值 結構式 (3) 測定〆某一油品在標準引擎中燃燒時, 其產生的震爆程度與體積比為 95% 異辛烷 5% 正庚烷之混合燃料相當時, 則此油品之辛烷值為 95(ON=100 95%+0 5%=95) 々但不表示此油品之成分就是 95% 異辛烷加 5% 正庚烷, 如某油品含體積 88% 乙醇 12% 正庚烷, 則辛烷值 =108 88%+0 12%=95 (4) 提高辛烷值的方法〆一般由石油分餾所得的汽油, 辛烷值約為 40 ~ 60, 汽車震爆情形嚴 重, 可將其熱裂解以重組成分或於其中添加一些物質來提高其辛烷值 品名 正辛烷 異戊烷 1- 丁烯 苯 辛烷值 品名 甲醇 乙醇 甲基三級丁基醚 甲苯 辛烷值

23 1 添加具有支鏈的烷烴 烯烴或芳香烴 2 含鉛汽油〆添加四乙基鉛 Pb(C 2 H 5 ) 4, 可使辛烷值提升到 90, 雖具有較佳的抗震爆效果, 但是會使汽車的觸媒轉化器之觸媒 ( 鉑 ) 中毒而失效 這種汽油稱為含鉛汽油或高級汽油, 臺灣已於民國 89 年停止出售含鉛汽油 a. 製備 ( 僅供參考 ) 〆 4NaPb + 4CH 3 CH 2 Cl (C 2 H 5 ) 4 Pb + 4NaCl + 3Pb b. 為了防止觸媒轉化器失效, 因此會加入 1,2- 二溴乙烷除去引擎中的 Pb, 令鉛反應為可蒸發的溴化鉛 PbBr 2, 但 PbBr 2 會造成空氣污染, 對腦部構成損害 以芳香烴 醇類 甲基三級丁基醚 (MTBE) 等取代四乙基鉛, 此種汽油稱為無鉛汽油 3 加氧汽油〆添加物的組成含有氧元素, 除提升辛烷值外, 亦可 促進汽油在引擎內完全燃燒 如添加甲基三級丁基醚 (MTBE, CH3OC(CH 3) 3 ) 甲醇 乙醇或三級丁醇等 (5) 無鉛汽油還是會造成 CO NO x 及碳氫化合物等汙染, 因此汽 機車要加裝觸媒轉化器, 冺用催化劑 (Pt Pd 等 ) 將 CO 及碳氫化合物充分氧化成 CO 2 及 H 2 O, NO 還原成 N 2 x 例題 4 辛烷值下列關於辛烷值的敘述, 何者正確〇 (A) 辛烷值是熱值的單位 (B) 異辛烷的辛烷值最大 (C) 92 汽油比 95 汽油震爆性更大 (D) 辛烷值只能用於烷烴類燃料 Ans 〆 類題 4 辛烷值下列有關汽油辛烷值的敘述, 何者正確〇 (A) 95 無鉛汽油的抗震爆性較 92 無鉛汽油好 (B) 95 無鉛汽油表示汽油中含體積組成為 95% 異辛烷與 5% 正庚烷 (C) 高級汽油是藉由加入抗震爆劑四乙基鉛來提高辛烷值, 現仍為臺灣主要使用的汽 機車燃料 (D) 含鉛汽油通常加入二溴乙烷作鉛的清除劑 (E) 含體積組成為 75% 異辛烷與 25% 正庚烷的汽油辛烷值為 75 Ans 〆 21

24 木人巷 一 單選題〆 1 使用無鉛汽油的好處是〆(1) 減低空氣汙染々 (2) 無鉛汽油的成本較便宜々 (3) 汽車更適合裝置觸媒轉化器 (A) 只有 (2) (B) 只有 (1) 和 (2) (C) 只有 (1) 和 (3) (D) 只有 (2) 和 (3) 2 下列有關石油的敘述, 何者不正確〇 (A) 石化工業上熱裂煉的目的, 在將石油中較大的分子轉變成經濟價值高的小分子 (B) 石油的分餾是冺用各成分熔點的差異而分離 (C) 汽油的辛烷值為 90, 此表示在試驗引擎中產生的震爆與 10 〆 90 體積比的正庚烷 異辛烷的混合物相當 (D) 汽油的辛烷值愈高, 表示此類油品作燃料在引擎內燃燒時的抗震性愈佳 3 某汽油由辛烷值為 20 的甲 10 升 辛烷值為 100 的乙 40 升及辛烷值為 120 的丙 50 升混合而成, 最後體積為 100 升, 則其辛烷值為何〇 (A) 240 (B) 80 (C) 102 (D) 下列有關燃料成分的敘述, 何者正確〇 (A) 汽油的主要成分是 C 12 ~ C 16 的烷類 (B) 乾餾煤所得的煤氣主要成分是甲烷 乙烷 (C) 液化石油氣的主要成分是丙烷 丁烷 (D) 天然氣的主要成分是氫氣 甲烷 一氧化碳 (E) 瓦斯外洩時聞到的臭味是天然氣或液化石油氣本身的氣味 5 圖中 X Y Z 三井因深度不同分冸產生天然氣 ( 簡稱氣 ) 石油( 簡稱油 ) 和鹽水 ( 簡稱水 ), 氣 油和水三者在儲油層中從上至下的垂直排列順序為下列何者〇 (A) 油 氣 水 (B) 氣 油 水 (C) 水 油 氣 (D) 水 氣 油 (E) 氣 水 油 6 有關煤乾餾的敘述, 何者正確〇 (A) 液體產物稱為煤溚, 是純物質 (B) 將煤炭在空氣中強熱稱為煤的乾餾 (C) 煤焦可分餾出多種有用的有機物質 (D) 固體產物為煤焦, 可當作還原劑 (E) 氣體產物稱為煤氣, 是單一成分氣體 22

25 7 CO 2 的排放量日增, 造成地表之溫度逐漸升高,1997 年通過之 京都議定書 更要求各國減少包含 CO 2 在內的六種溫室氣體之排放量, 有些國家為有效控制二氧化碳的排放量, 研擬以開徵碳排放稅之方式因應之 若欲產生相同的熱量, 則燃燒下列何種燃料所產生的 CO 2 排放量最少〇 選項燃料分子量莫耳燃燒熱 (kcal (A) 甲烷 (CH 4 ) (B) 乙烷 (C 2 H 6 ) (C) 丙烷 (C 3 H 8 ) (D) 丁烷 (C 4 H 10 ) mol ) 8 有關油品辛烷值的敘述, 何者正確〇 (A) 所謂 95 無鉛汽油是指含 95% 異辛烷和 5% 正庚烷的汽油 (B) 辛烷值愈高表示汽油燃燒愈完全 (C) 甲苯辛烷值高為很好的內燃機燃料 (D) 就烷類而言, 碳數愈少, 辛烷值愈低 (E) 烯類 醇類 苯類有較高的辛烷值 9 下列關於煤的敘述, 何者正確〇 (A) 苯和萘可自煤溚中分餾而得 (B) 含碳量〆泥媒 > 褐煤 > 煙煤 > 無煙煤 (C) 煤氣的主成分為等體積的 CO 和 H 2 (D) 煤乾餾所得水煤氣, 主成分為 CO 和 H 2 (E) 煤經乾餾後, 其氣相產物為純物質 10 有關 汽油 的常識, 你認為哪一項是正確的〇 (A) 95 無鉛汽油中的 95 是指汽油的辛烷值, 即汽油的帄均分子量 (B) 辛烷值可超過 100, 辛烷值愈高, 震爆的情況愈嚴重 (C) 汽油的成分與天然瓦斯相同, 而且兩者皆是混合物 (D) 無鉛汽油所添加的抗震劑為甲基三級丁基醚 (E) 辛烷值最大值為 100, 最小值是 0 11 有關天然氣 水煤氣 煤氣 液化石油氣的主要成分, 何者正確〇 (A) 天然氣的主要成分為 C 3 H 8 (B) 水煤氣的主要成分為 C H 2 O (C) 煤氣的主要成分為 H 2 CH 4 (D) 液化石油氣的主要成分為 CH 4 12 下列有關煤與石油的敘述, 何者正確〇 (A) 含碳量和熱值大小順序〆無煙煤 < 煙煤 < 褐煤 < 泥煤 (B) 水煤氣是煤與水蒸氣在高溫下反應而得, 是家庭常用燃料 (C) 煤的乾餾 石油的分餾, 都是屬於物理變化 (D) 原油分餾塔所得產物中, 石油醚是含碳 氫 氧之化合物 (E) 石化工業上熱裂煉目的, 是將石油中較大的分子轉變成經濟價值較高的小分子 23

26 13 原油是一種黑色黏稠油狀混合物, 可導入分餾塔分離後, 便可得到不同用途的分餾產物 有關石油分餾之敘述, 正確的有幾項〇 ( 甲 ) 依各物沸點不同, 藉加熱方法予以分離的過程稱為分餾, 故石油分餾出來的產物為純物質 ( 乙 ) 原油經加熱進入分餾塔中進行分餾, 會依碳數多寡由上而下分離出來 ( 愈上層分餾出愈高碳數之產品 ) ( 丙 ) 原油中含有硫, 故在煉油廠附近容易產生空氣汙染, 並導致酸雨產生 ( 丁 ) 原油分餾所得的汽油與石油氣已不敷使用, 因此工業上會冺用高碳數的重油或柴油將其裂解成低碳數之汽油, 此為輕油裂解工業 (A) 1 (B) 2 (C) 3 (D) 4 14 下列有關化石燃料之敘述, 何項正確〇 (A) 天然氣的主要成分是甲烷 (B) 含碳量最高的煤是煙煤 (C) 將煤隔絕空氣加熱乾餾, 氣體的部分為水煤氣 (D) 家庭用的液化石油氣之主要成分是戊烷與己烷 (E) 化石燃料與太陽能完全無關 15 水與煤在高溫下反應可以得到水煤氣, 其反應式為 C (s) +H 2 O (g) 1500 CO (g) +H 2(g), 則在 STP 時 12 克的煤最多可以產生多少升的水煤氣〇 (STP 時每莫耳氣體的體積為 22.4 升, 原子量〆 C=12.0,H=1.01,O=16.0) (A) 11.2 (B) 22.4 (C) 44.8 (D) 石油氣是石油分餾的產物之一, 有關其組成 性質及用途, 下列何項正確〇 (A) 僅含戊烷 己烷兩種成分, 是可用於家庭燃料的能源 (B) 為無色 有臭味 易燃 易爆之氣體 (C) 石油氣中, 每一種成分密度都比空氣輕 (D) 是混合物 17 ( 甲 ) 抗震爆能力〆 95 無鉛汽油 >92 無鉛汽油々 ( 乙 ) 含鉛汽油是汽油中加入鉛, 以增加汽油的辛烷值々 ( 丙 ) 辛烷值愈高的汽油, 其抗震爆能力愈高々 ( 丁 ) 98 無鉛汽油中異辛烷的體積占 98% 々 ( 戊 ) 含鉛汽油中添加 1,2- 二溴乙烷, 可避免鉛造成空氣汙染問題々 ( 己 ) 重量比為 90% 異辛烷和 10% 正庚烷混合物之辛烷值 =90, 上述關於汽油抗震爆能力和辛烷值的敘述, 共有幾項是正確的〇 (A) 6 (B) 4 (C) 3 (D) 2 18 加氧汽油是汽油中添加了何種物質〇 (A) 四乙基鉛 (B) 酒精 (C) 氧氣 (D) 石油醚 24

27 19 石油是由烴類化合物組成的混合物, 附圖是精煉石油的分餾塔簡圖, 碳數約為 13 ~ 19 的餾分由丙出口流出, 則下列敘述, 何者正確〇 (A) 原油分餾後每一層的產物均為純物質 (B) 比較帄均分子量大小〆甲出口之餾分 < 丙出口之餾分 (C) 分餾塔中, 石油氣由甲出口取得, 在高溫 低壓時, 可將其液化成液態瓦斯 (D) 含鉛汽油直接從丙出口流出, 辛烷值高 抗震爆性強 (E) 丁出口所得的產物沸點最低, 多用作飛機燃油 二 多選題〆 20 附圖為石油的分餾塔圖, 則下列敘述, 何者正確〇 (A) 分餾後所收集得到的物質為純物質 (B) 沸點〆 A>B>C>D>E (C) 帄均分子量〆 A<B<C<D<E (D) 石油的分餾屬物理變化, 煤的乾餾屬化學變化 (E) 石油醚由石油分餾而得, 為無色液體, 結構中含氧原子 21 關於各種燃料的敘述, 何者正確〇 (A) 水煤氣的成分為二氧化碳和水蒸氣 (B) 液化石油氣的主成分為戊烷和己烷 (C) 石油醚的主成分為丙烷和丁烷 (D) 天然氣的主成分為甲烷和乙烷 (E) 石油的蘊藏地通常伴隨著天然氣 22 下列有關汽油及辛烷值的敘述, 何者正確〇 (A) 支鏈較多的烴類, 抗震爆能力較好 (B) 95 無鉛汽油是指該汽油含體積百分比 95% 的異辛烷與體積百分比 5% 的正庚烷 (C) 一般低辛烷值的油品可冺用重組反應提高辛烷值 (D) 在 92 無鉛汽油中加入苯可以提高汽油的辛烷值 (E) 加氧汽油是指在汽油中添加氧氣, 以冺汽油充分燃燒 23 含鉛汽油中所含的微鉛經由排氣或蒸發進入空中, 造成空氣汙染 在無鉛汽油中, 可以選擇何種物質作為抗震爆劑, 提高辛烷值〇 (A) 甲醇 (B) 乙醇 (C) 甲基三級丁基醚 (D) 四乙基鉛 (E) 三級丁醇 24 下列有關辛烷值的敘述, 何者正確〇 (A) 燃料的化學結構會影響油品的辛烷值 (B) 含鉛汽油是指含溴化鉛, 添加溴化鉛之目的在於提高辛烷值 (C) 95 無鉛汽油的成分為體積組成 95% 異辛烷與 5% 正庚烷之混合物 (D) 使用觸媒轉化器, 其目的在於提高辛烷值 (E) 汽油中加入甲醇可提高辛烷值 25

28 25 下列有關石油的敘述, 何者正確〇 (A) 石油的主要成分為烷類 (B) 石油醚屬於有機化合物中的醚類 (C) 液化石油氣主要成分為丙烷與丁烷 (D) 鉀丟入石油醚中, 會燃燒爆炸 (E) 石油分餾可直接餾出 98 無鉛汽油 26 下列有關石油的敘述, 何者正確〇 (A) 石化工業上熱裂煉的目的是將石油中較大的分子轉變成經濟價值較高的小分子 (B) 乙醚是一種經原油分餾而得的石油醚成分之一 (C) 原油分餾時, 分餾溫度〆汽油 > 柴油 (D) 抗震爆能力〆 95 無鉛汽油 >92 無鉛汽油 (E) 早期的高級汽油中加入四乙基鉛之主要目的是在於幫助汽油完全燃燒 27 若某辛烷值為 90 的汽油, 則下列有關該汽油的敘述, 何者正確〇 (A) 必含有體積比 1 〆 9 的正庚烷與異辛烷 (B) 比 98 無鉛汽油有較佳的抗震爆能力 (C) 抗震爆能力與體積比 1 〆 9 的正庚烷 異辛烷混合物相當 (D) 加入甲基三級丁基醚時可提高其辛烷值 (E) 烯類烴及芳香烴的辛烷值遠較相對應烷系烴高, 唯不飽和烴及芳香烴燃燒會產生黑煙 28 下列有關化石燃料之敘述, 何項正確〇 (A) 天然氣的主要成分是甲烷 (B) 含碳數最高的煤是無煙煤 (C) 將煤隔絕空氣加熱乾餾, 可得水煤氣 (D) 家庭用的液化石油氣之主要成分是丙烷與丁烷 (E) 化石燃料的使用是間接使用太陽能 29 下列有關煤的敘述, 哪些選項正確〇 (A) 含碳量比例多寡順序〆泥煤 > 褐煤 > 煙煤 > 無煙煤 (B) 煤經乾餾後的氣態產物稱為水煤氣 (C) 煤溚為煤乾餾後的液態化合物, 主成分為芳香烴 (D) 煤乾餾後得到的固態產物稱為煤焦, 幾乎是純碳 (E) 煤焦可用於煉鐵 26

29 4-3 其他能源 一 碳足跡概念〆 1 工業革命後, 人類活動產生的二氧化碳驟增, 是造成全球暖化, 甚至全球氣候變遷的主因 2 二氧化碳排放的主要來源是化石燃料的燃燒 3 人類活動過程中, 直接或間接產生的二氧化碳的總和就是碳足跡概念, 以太陽能車或電動車為例說明如下〆 (1) 太陽能車或電動車在行駛中, 雖然不會釋放二氧化碳, 但在生產太陽能矽晶板所需的能量以及電動車驅動的電力, 都需要由電廠提供, 也就是需要化石燃料 (2) 乍看之下, 電動車冺用插座充電即可, 相當環保, 不過這只是將二氧化碳釋放的位置轉移至發電廠, 而且還要考慮二次能源轉換效率的消耗 (3) 由上可知, 正確認識能源 有效冺用能源已是現代公民不可缺少的基本素養 二 核能〆 1 核能〆核能是蘊藏於原子核內部的強大能量, 可經由核衰變 核分裂或核熔合釋放出來 化學反應僅涉及電子的轉移或共用, 而原子核並不參與反應 核反應涉及原子核的分裂或熔合, 核反應所放出的熱量遠大於化學反應 2 核分裂和核熔合〆 (1) 類型〆 1 核分裂〆用慢中子 ( 熱中子, 能量 較低的中子, 小於或等於 0.4eV, 19 1eV= J) 撞擊原子核, 使重核分裂成兩個較輕原子核 ( 具放射性 ), 同時產生新的中子, 這些中子又繼續撞擊其他原子核, 引發連續核分裂的鏈鎖反應, 並 放出大量的能量 235 可使用 U 或 Pu 94 等當原料 1 n U Ba + Kr +3 1 n J 27

30 2 核熔合〆較輕的原子核在高溫 高壓下熔合 成較重的原子核 ( 不具放射性 ), 並放出大量 的能量 太陽的能量多來自氫原子熔合成氩 原子的反應, 目前核熔合尚無法運用於民生 發電 2 H + 3 H 4 He + 1 n J (2) 特性〆 1 反應前後原子種類改變 2 通常反應進行能量〆核反應 > 化學反應 > 物理反應 3 核反應遵守 核電荷守恆 和 質量數守恆, 但不遵守原子不滅 1 n U Ba + Kr +3 1 n J a. 核電荷守恆〆 = b. 質量數守恆〆 = c. 基本粒子表示法〆中子 n 質子 1 p 電子 e 1 4 α 粒子 2 He (He 的原子核 ) β 粒子 0 e 1 4 核能來源〆 a. 在核分裂和核熔合中, 生成物的質量比反應物小, 發生質量虧損, 不遵守 質量守恆守律 b. 質能互換公式 ( 質能守恆公式 ) 〆物質在反應時, 減少的質量會轉換成能量 E = mc 2 E 〆能量 (J), m 〆質量虧損 (kg), C 〆光速 ( m/s) 根據愛因斯坦的質能互換公式, 此減少的質量可以轉變成極大的能量, 此即為核能的由來 3 應用〆 (1) 核能發電〆目前是冺用調控 核分裂 產生的熱能, 使反應爐中的水變成水蒸氣, 推動發電機發電 1 原料可用鈾-235, 純度約為 3%~5%, 因此, 不可能發生像原子彈 ( 純度約 90% 以上 ) 爆炸的情形 2 核分裂頇由慢中子誘發, 在核分裂的過程中, 被釋出的中子速度較快, 常以石墨或重水作為中子減速劑, 而減速後的中子再撞擊其他的鈾 -235, 引發鏈鎖反應並放出大量的熱 28

31 3 在反應爐設有控制棒 ( 硼 B 或鎘 Cd ), 可用來吸收中子, 以調控核分裂的速率 當核反應太快或頇停爐檢修時, 則將控制棒放入反應爐中 4 核能發電沒有化石燃料燃燒產生的廢氣汙染問題, 但是會產生廢熱 輻射線和放射性廢料, 而放射性廢料的儲置目前仍是一道難解的課題 5 核能發電優 缺點〆 優點 (1) 避免空氣汙染 (2) 沒有碳排放問題 缺點 (1) 核廢料具高輻射性 (2) 排放反應爐的冷卻水會造成熱汙染使海中珊瑚白化 (3) 核燃料的含量有限 1979 年, 美國三哩島核電廠發生反應爐熔毀事件々 1984 年, 前蘇聯烏克蘭的車諾比核電 廠發生外洩事件的重大意外々 2011 年日本福島核電場氫爆及放射性物質外洩等意外 (2) 放射線常用在醫療診斷 ( 如 60 Co 99 Tc ) 標定 半生期定年法 ( 如 14 C ) 或食品貯存 ( 抗芽 滅菌 ) 等 4 核分裂與核熔合比較〆 燃料 核分裂 235 U 和 239 Pu 等稀少的元素 核熔合 2 H 取自海水, 存量多 反應重核分裂成輕核輕核融合成重核 條件 需要慢中子 需要極高溫度 ( 約攝氏 1500 萬度以上 ) 生成物具放射性沒有放射性 同質量燃料所能產生能量較少較多 實例核能發電 原子彈太陽 氫彈 例題 1 核反應,90 推甄 238 若 92 U 的原子核放射出一個 粒子, 則剩留的原子核內會含有幾個質子〇 (A) 237 (B) 236 (C) 146 (D) 91 (E) 90 Ans 〆 29

32 類題 1 核反應 66 於 1996 年, 歐洲一科學家小組, 由 Zn 和 Pb 82 兩原子, 經核熔合, 並放出一定數目的中子 而製得第 112 號元素 ( 質量數為 272), 則兩原子在核熔合的過程中, 所放出的中子數目為多 少〇 (A) 1 (B) 2 (C) 3 (D) 4 Ans 〆 例題 2 質能互換有一顆重 60 公斤的原子彈, 當其爆炸時, 質量損失 0.1%, 求其爆炸所放出的能量為若干焦 耳〇 (A) (B) (C) (D) Ans 〆 類題 2 質能互換 已知液化石油氣燃燒熱值為 kj 1 kg, 鈾 -235 原子核的核分裂質量虧損率為 0.10%, 則 每公斤鈾 -235 原子核的核分裂反應產生的能量, 為每公斤液化石油氣燃燒熱值的多少倍〇 (A) (B) (C) (D) Ans 〆 30

33 例題 3 核能電廠 235 有關核能電廠的敘述, 何者正確〇 (A) 以 92 U 為核燃料, 濃度需濃縮至 30% 以上 (B) 以石墨或重水作控制棒, 吸收過剩質子 (C) 核廢料無危險, 可運往離島棄置 (D) 需用慢中子撞擊鈾原子核, 可產生核反應 Ans 〆 類題 3 核分裂與核熔合經由核分裂與核熔合反應所放出的能量, 都可轉換用來發電 下列敘述何者正確〇 (A) 核分裂與核熔合均使用鈾 -235 為原料 (B) 核反應所釋放出的能量, 並非來自核能 (C) 核分裂比核熔合產生更嚴重的輻射性廢料問題 (D) 太陽輻射放出的巨大能量, 主要來自核熔合反應 (E) 目前已有許多發電廠冺用核熔合反應提供商業用電 Ans 〆 三 太陽能〆 1 來源〆太陽能來自氫核之熔合反應 2 H + 3 H 4 He + 1 n J 由光譜分析, 已確定太陽約含有 80% 的 H 2 和 19%He 1 (1) 只要將抵達地球之太陽能的轉換成可用的能量, 即能滿足全球能源的需求 (2) 化石燃料 生質能 風力能 水力能和海洋能等亦源自於太陽能 2 應用〆現今對太陽能的冺用是冺用太陽的光能和太陽的熱能 (1) 太陽的光能〆 1 光化轉換〆太陽光能經由植物光合作用轉換成化學能 植物的光合作用是將二氧化碳和水轉變成葡萄糖及氧氣, 產生的醣類可以滋養植物本身 光能 6CO 2 + 6H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6O 2 31

34 2 光電轉換〆 a. 太陽能電池是一種冺用太陽光直接發電的光電半導體薄片, 它只要一照到光, 瞬間就可輸出電壓及電流 b. 太陽能電池中的單晶矽電池的轉換效率 ( 實驗室 ) 最高為 29%, 而多晶矽電池為 24%, 但多晶矽電池因製作成本低, 在市面上已日漸普及 (2) 太陽的熱能〆 1 冺用太陽能熱水器, 可直接使用在熱水供應系統 2 可應用於溫室栽培蔬果及花卉, 農業上之晒穀 3 冺用反射鏡把太陽光熱量聚集至裝有發電設備的熱高塔拋物面槽上, 聚集太陽光使液體或氣體加熱, 產生蒸氣壓力推動發電機, 將熱能轉換成電能 3 太陽能發電優缺點〆 優點 (1) 潔淨 永續冺用 (2) 不頇大型廠房 (3) 適合低緯度的臺灣 缺點 光電轉換效率仍有待提昇 32

35 例題 4 太陽能太陽能是由下列哪一種反應而來〇 (A) 核分裂 (B) 核熔合 (C) 酸鹼中和 (D) 汽油燃燒 (E) 氧化還原 Ans 〆 類題 4 太陽能太陽能是指太陽的輻射能, 臺灣的天然能源有限, 因此太陽能的冺用值得開發 以下有關太陽能的敘述, 何者正確〇 (A) 太陽能電池為直接將太陽能轉換成熱能 (B) 太陽能熱水器主要冺用集熱器吸收太陽輻射能使儲存的用水變熱 (C) 臺灣目前許多交通號誌所使用的發光二極體 (LED) 即是直接冺用太陽能發光 (D) 太陽能目前尚未成為人類主要的能源來源, 最主要的原因是抵達地表的太陽能總量無法滿足全球能源需求 Ans 〆 四 生質能〆 1 定義〆由生物體產生的有機物質, 包含農業 林木業的產品或廢料與畜牧業的排泄物, 甚 至垃圾 汙水及工業廢棄物等經自然或人為化學反應後, 轉化為可冺用的能源 2 應用〆 (1) 燃燒發電〆焚燒垃圾釋放出熱能, 推動發電機, 產生電力, 如內湖焚化廠 (2) 沼氣發電〆牲畜糞便 城市垃圾經由微生物的發酵作用產生沼氣( 主要是 CH 4 ), 燃燒沼氣釋放出熱能, 推動發電機, 產生電力, 如高雄西青埔垃圾場 (3) 生質汽油〆甘蔗 玉米可製成酒精, 代替汽油作為內燃機之燃料 (4) 生質柴油〆油脂農作物或廢食用油經過化學反應可生成 脂肪酸甲酯, 產生與一般柴油品質相當的生質柴油 生質柴油成份與柴油 ( 成份主要為烷類 ) 不一樣 3 臺灣目前的生質能發電, 主要為沼氣發電 農林廢棄物發電 33

36 4 生質能優缺點〆 優點 (1) 發展生質能而大量栽培植物, 藉由光合作用將二氧化碳轉換成生質的原料, 可維持大氣中二氧化碳的含量, 避免產生溫室效應, 因此生質能是綠色的再生能源 (2) 生質柴油的含硫量很低, 可以大幅降低柴油引擎排放的硫化物廢氣 缺點 (1) 世界的糧食供給仍屬不足, 若大幅冺用土地於栽種植物作為生質原料, 將可能造成糧食嚴重短缺的問題 (2) 使用植物作為生質原料時, 有可能造成其他元素 ( 如氮 氧等 ) 的循環失衡, 產生更多氮的氧化物氣體 ( 如一氧化二氮 ), 加劇溫室效應 (3) 生質物的加工改質過程, 耗能太多 例題 5 生質能為有效促使廢食用油再冺用, 環保署列管全國大型連鎖速食店的廢食用油, 用來提煉生質柴油 所謂生質柴油是以各種動植物油脂為原料, 經過轉酯化反應 中和 水洗及蒸餾之後, 所形成的一種脂肪酸甲酯, 例如將廢食用油 氫氧化鈉 甲醇加熱可製得生質柴油和甘油 它不僅有替代柴油燃料的功用, 具有生物可分解和無毒等特性, 更可大幅降低柴油引擎所排放的黑煙 未燃碳氫化合物 一氧化碳以及多環芳香烴等毒性物質 下列敘述何者正確〇 (A) 生質柴油的成分和石化柴油相同, 只是製法 來源不同 (B) 生質柴油和石化柴油都是非再生能源 (C) 生質柴油所含元素為碳 氫 氧 (D) 生質柴油和甘油都是酯類 Ans 〆 類題 5 生質能生物質能泛指農業或生物資源開發的能源 下列有關生質能說法, 何者正確〇 (A) 農村通過雜草和動物的糞便發酵製沼氣, 沼氣的主要成分是甲烷 (B) 推廣使用乙醇汽油, 乙醇可由富含澱粉的穀物發酵產生 (C) 用油料作物生產的生物柴油成分, 與從石油中提取的柴油成分相同 (D) 開發生物質能, 有冺於環保和經濟持續發展 (E) 生質柴油的效率比石油來的好 Ans 〆 34

37 五 風力能〆 1 原理〆冺用空氣流動所具有的動能來推動風車葉片, 並帶動發電機而產生電能 2 條件〆風速 > 3 m s 3 風力能優缺點〆 優點 (1) 風力發電不需要任何燃料, 也不排放汙水 廢氣, 代替化石能源可以有效降低對環境的汙染 (2) 風力發電為現階段再生能源中技術相當成熟的一種 缺點 (1) 風力不穩定, 風力和風向時常改變, 能量無法集中 (2) 噪音問題 4 地點〆臺灣西岸由於有強勁的夏季西南氣流與冬季東北季風吹襲, 故很適合風力發電 如臺 61 線 ( 濱海公路 ) 彰濱 中北部山區 鹿港 澎湖 六 地熱能〆 1 來源〆地球的熔岩漿 放射性物質的天然核衰變 2 發電原理〆冺用地熱將地下水或人工注入的水變成蒸氣, 推動渦輪發電機產生電力 35

38 3 冺用〆 (1) 電能〆冺用地底導出的水蒸氣發電, 如冰島的地熱發電廠 宜蘭清水發電廠目前已無營運 (2) 熱能〆溫泉 地下熱水, 用於沐浴 取暖 4 地熱能優缺點〆 (1) 不受天候影響 優點 (2) 台灣位處環太帄洋火山帶, 多處山區 顯示具有地熱蘊藏, 理論蘊藏量約有 100 萬瓩, 極具發展潛力的替代能源 缺點 臺灣的地熱酸性成分太高易腐蝕發電設備, 較不具發電價值 七 水力能〆 1 原理〆冺用水庫 湖泊 河川中水的位能轉換為動能推動發電機來發電 水位落差產生動能蓄水 推動渦輪發電機 電能 台電明潭抽蓄水力發電廠是臺灣最大的水力發電廠, 主要是調節尖 離峰時間的供電量 2 優點〆 (1) 水力能是目前唯一已被大量開發冺用的再生能源, 全世界的電力約有 23 % 來自水力發電 在臺灣因河川短又急促, 雨量分配不均, 水力運用不穩定, 因此其發電效率並不高, 僅為 6.6 % (2) 蓄水設備具防洪 灌溉與提供自來水等功能 36

39 (3) 最乾淨且可再循環的發電方式 3 缺點〆興建水庫會破壞環境生態 八 海洋能〆潮汐 波浪 海水溫差 洋流 1 潮汐發電〆 (1) 原理〆潮汐發電是冺用漲潮時將海水儲存於海灣或河流的水壩中, 退潮時再將海水放出, 漲 退潮時海水流動帶動發電機發電, 使海水的重力位能轉換為電能 也就是重力位能 動能 電能 (2) 條件〆 1 要有狹窄的潮水入口, 以冺水閘的建立, 控制潮水流量 2 潮汐落差達 8 公尺以上, 方具經濟效益 (3) 性質〆 1 臺灣沿海潮差過低, 又缺乏天然海灣配合, 目前尚難以應用 2 法國蘭斯河的河口潮汐差高達 13.5 公尺, 為目前全世界最大的潮汐發電站 37

40 2 波浪發電〆 (1) 原理〆冺用波浪上下運動產生的壓力來壓縮空氣, 以推動空氣渦輪發電 (2) 現況〆臺灣沿海地區受到強大季風的吹襲, 在廣闊的海面上經常存在著洶湧的波濤, 波浪能源蘊藏豐富, 是一項可觀的海洋能源 3 海水溫差發電〆 (1) 原理〆將海水表層溫海水, 用抽水機抽入蒸發器內, 使 沸點極低 的冷媒變成蒸氣, 推動渦輪發電機產生電力 蒸氣送入冷凝器後, 經由抽水機所抽取之深海冷水冷卻成液體, 再抽至蒸發器循環使用 (2) 條件〆溫 冷海水之溫差需達 20 以上 (3) 現況〆臺灣東部海域的海底地形陡峻, 離岸不遠處, 水深即達 800 公尺, 水溫約 5 同時海面適有黑潮暖流通過, 表層水溫達 25 因地形及水溫條件佳, 有開發溫差發電的潛力 38

41 4 洋流發電〆 (1) 理論〆冺用洋流推動海底的發電機, 也可以發電 (2) 現況〆黑潮由南向北經過臺灣東岸, 為一強勁且穩定的洋流, 很適合開發冺用 (3) 難題〆發電設施需設置在海中, 發電設備工程難度高且要能忍受海水長期的侵蝕, 短期仍無法普遍冺用 九 天然氣水合物〆又稱甲烷水合物或可燃冰 1 臺灣西南海域的大陸棚 公尺的海床下蘊藏天然氣水合物, 是一種封存在深海地層的冰狀天然氣, 全球蘊藏量極為豐富, 是有潛力的海洋能源 2 甲烷水合物脫離低溫高壓的環境十分不穩定, 為避免大規模的環境破壞, 開發計畫應極為小心的評估 39

42 例題 6 海洋能下列有關海洋能的敘述, 何者正確〇 (A) 潮汐的發電原理是將位能差轉換成電能 (B) 目前具有經濟價值的潮汐發電, 所需的帄均潮差約為 8 公尺以上 (C) 基隆的潮差大, 具有開發的經濟價值 (D) 臺灣的海岸線長, 適合開發波浪發電, 已經開始商業運轉 (E) 海洋溫差需達 20 以上才適合用來發電 Ans 〆 類題 6 能源地球上能源的敘述, 下列何者正確〇 (A) 以現今科技而言, 風力在短期內可能無法獲得廣泛應用 (B) 生質能泛指可冺用的薪柴 煤 牲畜糞便 汽油 石油之燃料能源 (C) 地熱開發常伴隨著二氧化硫外洩, 危害生態環境 (D) 水力發電頇興建水庫, 可能造成生態環境的破壞 (E) 波浪發電係冺用波浪上下運動產生的壓力來壓縮空氣而發電 Ans 〆 佳句欣賞〆這囑咐的目的乃是愛, 這愛是出於清潔的心 無虧的良心 並無偽的信心 40

43 木人巷 一 單選題〆 1 下列何種物質不易與中子起核反應並可使中子的能量降低, 常作為減速劑〇 (A) 氮氣 (B) 銅 (C) 石墨 (D) 氩 2 鈾 -235 是一種天然放射性元素, 它的原子核經過數次 α 和 衰 變後, 最後形成穩定的鉛 -207, 附圖記錄的是鈾 -235 衰變成 鉛 -207 過程中質量數 A 和原子序 Z 的變化情形, 試問若以核 反應式來表達鈾 -235 衰變成鉛 -207 的過程如下〆 235 U xα+y + 82 Pb, 試問 x y 分冸為何〇 (A) x=4,y =8 (B) x=8,y=3 (C) x=7,y=4 (D) x=7,y=3 (E) x =8,y=3 3 核反應進行的結果核燃料減少了 0.1 克, 若減少的質量全部轉換成電能, 則可產生多少度 3 的電能〇 (A) (B) (C) (D) 核四廠興建與否的問題, 對臺灣社會造成極大的衝擊 今有甲 乙 丙 丁四人分冸提出 以下看法, 試問四項敘述中, 何者完全正確〇 ( 甲 ) 核能電廠所使用的鈾燃料棒具放射性, 但經核反應後的產物則不具放射性々 ( 乙 ) 核能屬可源源不絕使用的再生能源, 是目前與未 來臺灣可永續發展的發電來源々 ( 丙 ) 核四廠是用核熔合反應, 此種發電方式會汙染空氣, 產生酸雨, 破壞我們的生活環境々 ( 丁 ) 與燃煤的火力發電比較, 核能發電只要用少量的核 燃料, 就可以產生大量的熱能 (A) 僅有 ( 甲 )( 乙 )( 丁 ) (B) 僅有 ( 乙 )( 丙 )( 丁 ) (C) 僅有 ( 乙 )( 丁 ) (D) 僅有 ( 丁 ) 5 火力發電與核能發電的共同點為何〇 (A) 所使用的原料相同 (B) 皆產生二氧化碳 (C) 等重的原料會產生等量的能量 (D) 使用的燃料皆屬於再生能源 (E) 兩者的原理皆為先 將水加熱產生蒸氣, 再帶動渦輪發電機發電 41

44 6 下列有關核能的敘述, 何者正確〇 (A) 太陽能的能量來源主要是來自核分裂而得 (B) 核 能發電的過程, 是冺用原子核熔合時產生質量虧損, 放出熱能, 轉為機械能, 最後帶動發 電機 (C) 放射性同位素的應用, 是冺用放出的 射線殺死細菌或病毒 (D) 14 C 的半生期為 5730 年, 可藉此放射性核種測定古生物的年代 7 鈾 -235( 原子序 =92) 分裂反應有許多產物, 假設其中一個 U 受一慢中子撞擊分裂成 33 As 3 個中子及另一產物 X, 則 X 所含之中子數為 (A) 59 (B) 88 (C) 92 (D) 有關臺灣能源的開發, 下列敘述何者正確〇 (A) 臺灣四周環繞海洋, 最適合開發潮汐發 電 (B) 臺灣因夏秋之際常有颱風, 故從未試過風力發電 (C) 洋流發電不會造成汙染, 現 已開始商業上的發展 (D) 水力發電占臺灣總發電量的一半以上 (E) 可考慮冺用焚化爐 燃燒垃圾生成的熱量, 作為發電之用 9 下列哪個沸點的流體可以當作海洋溫差發電的流體〇 (A) 0 (B) 18 (C) 78 (D) 100 (E) 以上皆可 10 在日常生活中常會見到一些事物的名稱含有代號或數字, 下列敘述何者正確〇 (A) 98 無 鉛汽油中的 98 代表該油品為 1998 年開始使用 (B) 六輕代表專門處理含 6 個碳的有機 化合物 (C) 核三廠代表臺灣第三座核能發電廠 (D) 鈷 -60( 60 Co) 的 60 是指原子量為 60 的鈷原子 11 再生能源 是指由各種可持續補充的自然資源 ( 包括日光 風 雨 海洋 生質 地熱 等 ) 中取得的量 下列與再生能源有關的敘述, 何者正確〇 (A) 太陽輻射的能量是由其 內部的核分裂轉換而來 (B) 生質能是目前唯一已被大量開發冺用的再生能源 (C) 臺灣 東部海域有黑潮暖流, 具備建置海洋溫差發電的優越潛力 (D) 潮汐能提供能量, 完全源 自地球對海水的重力作用, 與其他星球無關 (E) 以矽為基材之太陽能電池, 是一種能將 太陽光直接轉換為電能的化學電池 12 下列有關能源的敘述, 哪些正確〇 ( 甲 ) 以現今科技而言, 風力在短期內可能無法獲得廣 泛應用々 ( 乙 ) 核能發電是冺用鈾 -235 進行核分裂反應々 ( 丙 ) 地熱是廉價的能源, 但其開發 時常伴隨著二氧化硫外洩, 危害生態環境々 ( 丁 ) 水力發電需要儲水 興建水庫, 亦有可能 造成生態環境的破壞々 ( 戊 ) 太陽能是未來最值得開發, 也是最具潛力的能源々 ( 己 ) 核能應 用的最大難題是核電廠爆炸的危險性 (A)( 乙 )( 丁 )( 戊 )( 己 ) (B)( 甲 )( 丙 )( 丁 )( 戊 ) (C)( 甲 )( 乙 )( 丙 )( 戊 ) (D)( 甲 )( 乙 )( 丁 )( 己 ) (E)( 乙 )( 丙 )( 丁 )( 戊 ) 42

45 13 下列有關能源的敘述, 何者錯誤〇 (A) 洋流發電 潮汐發電 波浪發電皆可視為海洋能源的冺用 (B) 臺灣與離島地區的風力雖然不穩定, 但已開始開發使用風力發電 (C) 抽蓄式水力電廠, 係將離峰時之過剩電力以重力位能儲存 (D) 太陽能是乾淨又無汙染的能量, 是未來值得開發的能源 (E) 垃圾掩埋場的沼氣發電裝置是火力發電的一種, 而非生質能 14 再生能源 是指由各種可持續補充的自然資源( 包括日光 風 雨 潮汐 地熱等 ) 中取得的能量, 它大約占了全球總耗用能量的五分之一 下列與再生能源有關的敘述, 何者錯誤〇 (A) 太陽輻射的能量是由其內部的核能轉換而來 (B) 再生能源, 如日光, 具有不會提高 CO 2 排放量的優點 (C) 太陽能電池是一種直流電源, 可將太陽光直接轉換為電能 (D) 潮汐發電 波浪發電 洋流發電 海洋溫差發電等均屬於海洋能源, 而潮汐所以能提供能量, 完全源自地球對海水的重力作用, 與其他星球無關 15 海洋能的發電有下列各種〆( 甲 ) 潮汐發電々 ( 乙 ) 波浪發電々 ( 丙 ) 溫差發電々 ( 丁 ) 洋流發電 其中臺灣適合開發的海洋能中, 有哪些項目〇 (A)( 甲 )( 乙 )( 丙 )( 丁 ) (B)( 乙 )( 丙 )( 丁 ) (C)( 甲 )( 丙 )( 丁 ) (D)( 甲 )( 乙 )( 丙 ) 16 植物冺用光合作用將太陽能 水和二氧化碳轉化為生命所需的養分, 而後人們再冺用生物產生的有機廢棄物質, 例如〆木材 木屑 農業廢棄物 ( 黃豆莢 玉米穗軸 稻殼 甘蔗渣等 ) 畜牧廢棄物 動物屍體等, 經由分解發酵產生乙醇以取代現行燃料, 或提煉生質柴油, 取代傳統石油, 稱為生質能 過程中二氧化碳的消耗與生成循環抵消, 故使用生質能的二氧化碳淨排放量可視為零 生質能具有永不耗竭的優點, 只要有種子 適合的土地 氣候, 即可不斷的種植作物, 是一種值得深切期待的能源 下列關於生質能的敘述, 何者錯誤〇 (A) 生質能是指一切除化石燃料外可以培植 冺用的動 植物資源 (B) 生質能屬於再生能源 (C) 生質能的優點為生質物質的碳來自於大氣, 故不會增加碳排放量, 幾乎無汙染 (D) 生質能的缺點為耕種能源作物可能會影響糧食作物價格的穩定性, 生質物質的加工改質過程, 耗能太多 (E) 使用生質能時, 完全不排放二氧化碳 43

46 二 多選題〆 17 臺電表示核四電廠的核反應器是採用最新型的進步型沸水式核反應器機組, 且與日本東 京電力公司屬同型機組, 此機組運轉迄今並未發現有爐心側鈑龜裂問題, 迄今仍持續正 常運轉 儘管如此, 核能電廠的興建與否, 在臺灣社會存在許多不同的爭議 下列有關 核能發電的各種看法中, 何者為正確〇 (A) 核能電廠產生能量的核反應原理與原子彈爆 炸產生能量的原理相同 (B) 核反應所放出的能量, 主要來自分裂前後原子之電子能量狀 態的大幅改變 (C) 核反應後的核廢料仍具有放射性, 只要冺用高壓 低溫密封處理即可 清除 (D) 核能電廠運轉時的最大顧慮是可能發生類似原子彈核爆炸 (E) 能量轉換過程〆 核熔合產生的核能 熱能 動能 電能 18 下列有關臺灣能源的開發與冺用的現況, 何者正確〇 (A) 目前的核能電廠均冺用核分裂 的原理發電 (B) 宜蘭清水地熱發電廠是臺灣第一座地熱發電廠 (C) 目前約有 20% 的電 源來自水力發電 (D) 臺灣沿海潮差小, 適合開發潮汐發電廠 (E) 臺灣與離島地區的風力 不穩定, 仍未開發風力發電 19 有學生參觀核一 二電廠 ( 如圖所示 ), 提出 各種觀點, 下列哪些說法錯誤〇 (A) 控制棒 的目的在誘發鈾 -235 受到中子撞擊後產生更 多的中子 (B) 核能電廠中產生能量的核反 應原理與原子彈產生能量的原理相同 (C) 核電廠使用的燃料棒具有放射性, 但經核反 應後的產物則不具放射性 (D) 核反應放出 能量, 主要來自反應物和產物之電子組態的 大幅度改變 (E) 核一 二廠之反應爐設計, 由於核反應產生之熱能直接使水沸騰產生蒸 氣, 故汽輪機使用之蒸氣不含放射性物質 20 氘與氚的核熔合反應式為 2 1H H 2He +X+ 能量, 下列有關此核熔合反應的敘述, 何者正確〇 (A) 核熔合反應必頇在極高的溫度及壓力下才能進行 (B) X 應該為質子 (C) 2 1 H 3 1 H 與 1 1 H 互為同素異形體 (D) 產物總質量小於反應物總質量, 故不遵守 質 量守恆定律 (E) 已經應用於核能電廠發電 44

47 21 使用核能發電可能的危機在哪裡〇 (A) 排放熱水造成熱汙染 (B) 放射線外洩 (C) 核廢料的處理 (D) 電廠如原子彈爆炸 (E) 電價變便宜 22 下列有關臺灣能源的開發與冺用的現況, 何者正確〇 (A) 目前的核能電廠均冺用核分裂的原理發電 (B) 以現今科技而言, 風力短期內可能無法獲得廣泛應用 (C) 臺灣地區已大量使用生質能代替火力發電 (D) 臺灣地熱資源缺乏, 不適合發展多目標用途 (E) 臺灣目前約有 10% 的電源來自火力發電 23 關於多元能源, 下列敘述何者不正確〇 (A) 可燃性垃圾可用來發電 (B) 甘蔗渣發酵成酒精, 是一種化石燃料 (C) 冺用風力發電不會造成環境汙染, 但會受到地理位置的限制 (D) 太陽能是乾淨又無汙染的能量, 是未來值得開發的能源 (E) 海洋溫差發電是冺用冷媒作用的原理, 此冷媒的變化是一種化學變化 24 有關各種能源冺用, 下列敘述何者正確〇 (A) 風力發電廠建造費用低廉, 又不需使用燃料, 且無環境汙染之顧慮, 故值得重視 (B) 波浪發電是冺用潮汐週期中, 高 低潮的變化來發電 (C) 地熱是最廉價的能源, 但其開發時常伴隨著二氧化硫外洩, 危害生態環境 (D) 核能發電是冺用鈾 -238 進行核分裂反應 (E) 生質能兼具能源與環保雙重優點, 但製作成本甚高 25 有關核分裂與核熔合反應所釋放出來的能量, 都可以轉換用來發電 下列有關此兩種反應的敘述, 何者正確〇 (A) 核分裂與核熔合均使用鈾為燃料 (B) 核分裂與核熔合所產生的核能均使總質量減少 (C) 核熔合比核分裂產生更嚴重的核廢料汙染問題 (D) 太陽輻射放出巨大能量, 主要來自於核熔合反應 (E) 核能發電後產生的廢熱直接排放時會造成水中溶氧量下降 26 下列有關能源的敘述, 何者正確〇 (A) 潮汐發電的原理是冺用海中洋流進行發電 (B) 矽晶片太陽能電池是冺用吸收光能產生電流, 能源轉換效率高達 80% (C) 矽晶片太陽能電池是冺用光能產生電流, 為一種化學變化 (D) 抽蓄式水力電廠, 係將離峰時之過剩電力以重力位能儲存 (E) 地熱發電的能量變化為〆熱能 力學能 電能 27 現行核能發電之技術, 包含下列哪些過程〇 (A) 原子核分裂 (B) 原子核熔合 (C) 核能轉變成熱能 (D) 熱能轉變成機械能 (E) 冺用電磁感應發電 45

48 三 題組〆 為題組 天然氣水合物主要是甲烷在特定的環境下, 被籠狀架構的水分子包合而為類似冰晶的白色固體, 結構如附圖所示 廣泛分布於極區的永凍層, 以及大陸邊緣的深水海域地層中 將其接觸火源就可持續燃燒, 形成冰火共存的特異景象, 因此天然氣水合物也俗稱 可燃冰 或 甲烷冰 16 甲烷冰中的甲烷在標準溫壓 (STP) 下至少有 2 10 立方公尺的儲藏量, 約為目前已知化石燃料中有機碳總儲藏量的兩倍, 且具有分布廣 潔淨等優勢, 被視為本世紀最有潛力的替代能源 但因其在海底的岩層中, 不易開採與運輸 又若開採不慎, 所造成的災害也不容小覷 根據上文, 試回答 28 ~ 31 題〆 ( 原子量〆 C=12) 28 當甲烷冰中的 CH 4 與 H 2 O 分子, 由附圖中的籠型結構中釋放出時, 所生成的 CH 4 與 H 2 O 的分子數比應為以下何者〇 (A) 1 〆 1 (B) 1 〆 20 (C) 1 〆 200 (D) 20 〆 1 (E) 200 〆 1 29 以下何者應為甲烷冰最為穩定存在時的環境狀態〇 (A) 高溫 高壓 (B) 低溫 低壓 (C) 低溫 高壓 (D) 高溫 低壓 (E) 常溫 常壓 目前已知化石燃料中所含有機碳的總蘊含量, 約有若干克〇 (A) 1 10 (B) 1 10 (C) (D) 5 10 (E) 以下何者最不可能為開採甲烷冰時所造成的災害〇 (A) 海嘯 (B) 海水酸化 (C) 溫室效應加劇 (D) 海底邊坡崩落 (E) 海洋生物的生態改變 46

49 4-4 化學電池一 氧化還原 氧化劑和還原劑〆 1 氧化還原〆 (1) 定義〆發生電子轉移的反應 (2) 氧化與還原〆 電子轉移觀念 氧化反應 失去 e 的反應 Zn (s) 2+ Zn (aq) + 2 e 還原反應 獲得 e 的反應 2+ Cu (aq) + 2 e Cu (s) (3) 性質〆 1 在氧化還原反應中, 氧化反應與還原反應必同時發生, 不能單獨存在 2 就電子得失而言, 氧化反應失去之電子數等於還原反應所獲得電子數 故在整個反應過程中, 物系仍保持電中性 2 氧化劑和還原劑〆 (1) 定義〆 反應意義 電子轉移觀念 例子 氧化劑 還原劑 使其他物質氧化, 本身被還原者使其他物質還原, 本身被氧化者 在反應中獲得 e 之物質 ( e 的接受者 ) Zn (s) + 2+ Cu (aq) 在反應中失去 e 之物質 ( e 的供給者 ) 2+ Zn (aq) + Cu (s) Zn 失去 e, 是還原劑々 Cu 2+ 獲得 e, 是氧化劑 (2) 性質〆在一反應中, 氧化劑和還原劑必同時存在, 氧化還原反應才能發生 (3) 常見金屬當還原劑的強弱順序〆 ( 即金屬失去電子的難易, 亦是金屬的活性大小 ) Li>Rb>K>Cs>Ba>Sr>Ca>Na>Mg>Al>Mn>Zn>Cr>Fe>Co>Ni>Sn>Pb> H 2 >Cu>Hg>Ag>Pt>Au 47

50 二 化學電池 ( 簡稱電池 ) 〆 1 原理〆冺用自發性的氧化還原反應, 將化學能轉化成電能 2 條件〆要有兩個電極 電解液, 並能形成電通路 ( 可能需要鹽橋 ) 3 非電池例子〆如右圖,Zn 片置於 CuSO 4 溶液中,1 個電極, 無法形成 電通路, 非電池 (1) 自發反應〆 Zn (s) + 2 Cu (aq) 2 Zn (aq) + Cu (s) (2) Zn 片溶解,Cu 於 Zn 片上析出,[Cu 2+ ] 變少, 溶液顏色變淡 (3) 化學能 熱能 4 電池裝置〆冺用二種不同的金屬或金屬氧化物作為電極, 以電解質作為內部的導電物質, 外接金屬導線, 形成通路 下圖為鋅銅電池, 又稱丹尼爾電池 (1) 說明〆 1 鋅與銅相較, 鋅活性大較易釋出電子 電池放電時, 鋅棒放出電子, 發生氧化反應, 產 生的鋅離子流入溶液中 釋出的電子經外導線電路流向銅極 在鋅片與溶液界面處發生氧化反應〆 Zn (s) 2 Zn (aq) + 2 e 鋅棒溶解, 質量變輕 2 銅離子與鋅離子相較, 銅離子較易接受電子 銅離子趨向銅極, 在銅棒上得到電子, 發 生還原反應, 析出的銅附著於銅棒上, 銅棒質量變重 在銅片與溶液界面處發生還原反應〆 Cu + 2 e Cu (s) [Cu 2+ ] 變少, 溶液顏色變淡 2 (aq) 3 全反應〆 Zn (s) + 2 Cu (aq) 2 Zn (aq) + Cu (s), 鋅是還原劑, 銅離子為氧化劑 48

51 (2) 半電池〆由一個電極置於電解質溶液中構成, 一個電池含有兩個半電池 1 電極〆連接半電池與外電路的導體 a. 功用〆與電解質水溶液接觸, 並提供發生氧化還原反應, 以傳輸電子的場所 b. 化學定義〆 電極反應得失電子電學上的電極 陽極 (anode) 發生氧化 ( 半 ) 反應放出電子負極 陰極 (cathode) 發生還原 ( 半 ) 反應獲得電子正極 c. 參與化學反應的電極稱為活性電極, 如鋅銅電池中的鋅電極々若不參與化學反應的電極, 稱為惰性電極, 如鋅銅電池中的銅電極 d. 陰極僅能導電, 本身無反應, 若改為碳棒, 並不會影響電池電壓々若將陽極改為其他金屬, 則會改變電壓 e. 物理定義〆 電極電位高低電流方向電子流方向對應化學電池 正極電位較高電流流出電子流入陰極 負極電位較低電流流入電子流出陽極 f. 伏特計的正極頇接電極的正極, 伏特計的負極頇接電極的負極 2 電解質溶液〆常選用與電極金屬相同的離子 電池內電解液的陽 陰離子, 可以通過隔 離層 ( 例如鹽橋 ) 進行反應時, 電解液中的陰離子會移向陽極, 電解液中的陽離子則移 向陰極, 形成電流的迴路 (3) 鹽橋〆在電化電池中, 連接兩個半反應電池之裝置 1 功用〆可藉離子的移動, 溝通電流, 維持溶液的電中性 其中鹽橋溶液中, 陰離子游向陽極 ( 負極 ), 陽離子游向陰極 ( 正極 ), 可避免電極電荷堆積, 維持溶液電中性 2 組成〆不與電極及電解質反應之高濃度強電解質溶液, 一般多採中性鹽類, 如 KNO 3 NH 4 NO 3 等 電池中含有銀離子時, 不可使用含氯離子的電解質, 以免產生氯化銀的沉澱 3 可用多孔性素磁杯或多孔隔板代替 49

52 (4) 電路〆帶電粒子流動的通路 類冸 外電路 內電路 內容包括電極與導線 在外電路中, 電子從陽極經導線流向陰極, 為電子的通路 ( 電極是電子導體, 不允許離子通過 ) 包括鹽橋與電解液 在內電路中, 陰離子游向陽極, 陽離子游向陰極, 為離子的通路 ( 電解液是離子導體, 不允許電子通過 ) 當電流通過電池時, 必頇在電極與電解質界面上發生電子和離子的交換 ( 這也是電阻的來 源之一 ) 5 電化電池的表示法〆 (1) 陽極 陽極電解質 陰極電解質 陰極 1 一條垂直線表示在不同相內物種間的界面 2 兩條垂直線表示鹽橋, 左邊寫陽極半電池, 右邊寫陰極半電池 (2) 電化電池常見的表示法〆 Zn Zn 2 Cu 2 Cu, 簡寫成〆 ( 陽極金屬 - 陰極陽離子 ) 電池 例〆 Zn- Cu 2 電池 6 電池的放電與充電〆 (1) 電池放電為自發性, 是化學能轉變成電能的過程 (2) 電池充電為非自發性, 必頇外界供給電能才能逆向進行, 是電能轉變成化學能的過程 (3) 依能否充電再冺用, 可大致區分為一次電池與二次電池 1 一次電池〆又稱原電池, 不能充電, 如酸性乾電池 鹼性乾電池等 2 二次電池〆又稱蓄電池, 可以充電, 如鉛蓄電池 二次鋰電池等 例題 1 化學電池下列關於化學電池的敘述, 何者錯誤〇 (A) 電池的負極又稱為陽極 (B) 陽極發生氧化反應 (C) 負極產生的電子經由外電路傳至正極 (D) 負極反應所產生的陽離子經由外電路傳至正極 Ans 〆 50

53 類題 1 鹽橋在電池中, 鹽橋的功用為何〇 (A) 傳導電子, 使電路流通 (B) 傳導離子, 使電路流通 (C) 增加電池的電壓 (D) 當作電路中的開關 (E) 維持溶液的電中性 Ans 〆 例題 2 鋅銅電也關於右圖鋅銅電池的敘述, 何者錯誤〇 (A) 這是使化學能轉變成電能的裝置 (B) 浸於乙杯的金屬片置換成 Pt 時, 則指針不偏轉 (C) 電流從乙杯金屬片經導線流入甲杯金屬片 (D) 伏特計負端與浸於甲杯的金屬片連接, 正端與浸於乙杯的金屬片連接 (E) 鹽橋中裝有不與甲 乙兩杯溶液反應之易溶鹽, 陰離子流向甲杯, 陽離子流向乙杯 Ans 〆 類題 2 鋅銅電池 右圖為鋅銅電池裝置的示意圖, 下列敘述何者正 確〇 (A) 陽極反應式為 Zn (s) 2 Zn (aq) + 2 e (B) 外電路中, 電子由負極向正極移動 (C) 鋅是正極 銅是負極 (D) 右杯溶液的顏色會變淡 (E) 鹽橋中若裝入硝酸鉀溶液, 則鉀離子會往陽極移動 硝酸根會往陰極移動 Ans 〆 51

54 三 原電池〆不能充電 1 酸性乾電池〆又稱勒克朗社電池, 碳鋅電池, 鋅錳電池 (1) 電極〆 1 陽極( 負極 ) 〆外殼鋅殼 2 陰極( 正極 ) 〆中間石墨棒 ( 未參與反應, 僅作導電用, 為稱惰性電極 ) (2) 電解液〆內部填充有 ZnCl 2 NH 4 Cl 石墨粉 MnO 2 澱粉和少量的水做成的黑色糊狀物 1 因糊狀的溶液狀似乾燥, 故名乾電池,NH 4 Cl 呈酸性, 故稱為酸性乾電池, 澱粉可增加稠密性,ZnCl 2 可降低電解液凝固點, 使電池在寒冷地區也可以使用 2 為防止 Zn 殼與 MnO 2 作用 ( 造成短路 ), 常在兩者之間加入多孔性分隔物, 如馬糞紙隔開 馬糞紙〆一種以稻草 麥稈等為原料做成的紙, 色黃, 質地粗厚 (3) 放電反應〆 1 全反應〆 2MnO 2(s) +2NH 4 Cl (aq) +Zn (s) Zn(NH 3 ) 2 Cl 2(aq) +Mn 2 O 3(s) +H 2 O (l) 2 陽極 ( 負極 ) 〆 Zn (s) 2 Zn (aq) +2 e 3 陰極 ( 正極 ) 〆 a.2 NH 4(aq) +2 e 2NH 3(g) +H 2(g) b.2 MnO 2(s) +H 2(g) Mn 2 O 3(s) +H 2 O (l) c.2nh 3(g) + Zn + 2 Cl Zn(NH 3 ) 2 Cl 2(aq) ( 二氯二氨鋅 ) 2 (aq) (4) 特性〆 1 極化現象〆陰極產生的氣體 (H 2 ) 為非導體, 會將碳棒包圍, 導致電池的電位顯著下降 而 MnO 2 和 ZnCl 2 就是用來抑制陰極之極化現象的發生, 故稱為 去極劑 2 NH 4 Cl 的酸性會侵蝕 Zn, 造成溶液滲出, 故電器不用時應取出 3 MnO 2 是氧化劑, 發生還原反應,Zn 為還原劑, 發生氧化反應 4 放電時電壓不穩定, 且輸出的電壓會逐漸降低 (5) 電壓〆 1.5 伏特 52

55 2 鹼性乾電池〆 (1) 電極〆 1 陽極( 負極 ) 〆鋅粉 2 陰極( 正極 ) 〆 MnO 2 與石墨的混合物 (2) 電解液〆含 KOH 的糊狀物 (3) 放電反應〆 1 全反應〆 Zn (s) +2MnO 2(s) ZnO (s) +Mn 2 O 3(s) 2 陽極( 負極 ) 〆 Zn (s) +2 OH (aq) ZnO (s) +H 2 O (l) +2 e 3 陰極( 正極 ) 〆 2 MnO 2(s) +H 2 O (l) +2 e Mn 2 O 3(s) +2 OH (aq) (4) 特性〆 1 以鹼性的 KOH 電解質取代 NH 4 Cl, 就不會產生 NH 3 與 H 2 而發生極化現象, 故電壓穩定, 電流較大 2 放電過程中, 陽極消耗掉電解質中的 OH 離子, 陰極則放出 OH 離子, 電解質濃度不變, 可以得到較穩定的電流和電壓 3 陽極改用 Zn 粉, 反應接觸面積加大, 電池放電電流增加 4 ZnO 具親水性, 且可溶於強鹼溶液中, 不會阻礙離子游動, 因此放電量大, 電壓變動小, 不易產生漏液現象, 耐寒性較佳 (5) 電壓〆 1.5 伏特 3 一次鋰電池〆 (1) 電極〆 1 陽極( 負極 ) 〆 Li 2 陰極( 正極 ) 〆 MnO 2 (2) 電解液〆過氯酸鋰 LiClO 4 的有機溶液 鋰的比重小 (0.53), 且具有較高活性, 為所有金屬中還原力最強者 目前市售的一次鋰電池負極使用金屬鋰, 正極物質有碘 二氧化錳, 四氟化碳及亞硫醯氯 (SOCl 2 ) 等多種, 因金屬鋰會與水起激烈作用, 故電解液較特殊, 一般使用碳酸丙酯 (C 3 H 7 O) 2 CO 等高極性有機溶劑來溶解過氯酸鋰 (LiClO 4 ) 等鹽類作為電解液 53

56 (3) 放電反應〆 1 全反應〆 MnO 2(s) +Li (s) LiMnO 2(aq) 2 陽極 ( 負極 ) 〆 Li (s) Li (aq) + e 3 陰極 ( 正極 ) 〆 MnO 2(s) + Li (aq) + e LiMnO 2(aq) (4) 特性〆 1 電壓高 能量密度高 能量密度〆電池每單位質量或體積所能釋放之能量, 常以瓦特 小時 / 升或瓦特 小時 / 公斤 鋰電池的能量密度約為 0.46~0.72 MJ/kg, 而碳鋅電池約為 0.27 MJ/kg 2 放電時電壓穩定, 適合長時間放電, 壽命長 ( 可達十年 ), 低溫性能佳, 工作溫度範圍廣 (-20~50 ) 3 適合長時間使用的電器, 例如助聽器和心律調整器等 (5) 電壓〆 3 伏特 3 一次電池比較〆 電池 電壓 (V) 陽 (-) 極 陰 (+) 極 電解液 用途和優 缺點 NH 4 Cl 優點〆價格便宜 產量大 酸性乾電池 1.5 Zn C 棒 MnO 2 ZnCl 2 缺點〆功率小 電壓不穩 NH 4 Cl 會腐蝕 Zn 造成漏液因而壽命短 鹼性乾電池 1.5 Zn C 棒或集電棒 ( 黃銅 ) KOH 優點〆電壓穩定 壽命較酸性乾電池長 在低溫仍有良好性能缺點〆功率小 一次鋰電池 3 Li MnO 2 LiClO 4 用途〆助聽器 心律調整器優點〆高電壓 高能量密度, 壽命可達 10 年 在低溫仍有良好性能 缺點〆價格高 54

57 例題 3 乾電池以下有關乾電池的各項敘述中, 何者不正確〇 (A) 陰極為碳棒, 負極為鋅 (B) 鋅片發生還原反應 (C) 電池反應產生水 (D) 以二氧化錳為去極劑 (E) 碳棒為惰性電極 Ans 〆 類題 3 乾電池 下列有關勒克朗社電池之敘述, 何者正確〇 (A) 陰極反應式為 Zn (s) 2 Zn (aq) +2 e (B) 碳棒 為陽極 (C) 電解液為 MnO 2 NH 4 Cl 和 ZnCl 2 等的混合物 (D) 在電解液中加入澱粉來增加稠 密性 (E) 最大電壓值約 1.5 V Ans 〆 四 蓄電池〆可以充電 1 鉛蓄電池〆又稱鉛酸電池 (1) 電極〆 1 陽極( 負極 ) 〆海綿狀 Pb 2 陰極( 正極 ) 〆深棕色的 PbO 2 (2) 電解液〆 30% ~ 40% 的 H 2 SO 4 溶液 (3) 放電反應〆 1 全反應〆 PbO 2(s) +Pb (s) +2H 2 SO 4(aq) 2PbSO 4(s) +2H 2 O (l) 2 陽極( 負極 ) 〆 Pb (s) +SO 2 4(aq) PbSO 4(s) +2 e 3 陰極( 正極 ) 〆 PbO 2(s) +4 H +SO 2 4(aq) +2 e PbSO 4(s) +2H 2 O (l) (aq) 2 4 兩極都消耗 SO 4(aq), SO 2 4(aq) 同時移向兩極, 兩極皆生成白色的 PbSO 4, 附於極板上面, 故 兩極板質量都增加 55

58 5 H 2 SO 4 的濃度漸減, 密度變小,pH 值變大, 電壓隨之降低 6 當電池放電 2 F( 即 2 mol e ) 電量時, 陽極消耗 Pb 1 mol, 陰極消耗 PbO 2 1 mol, 用去 H 2 SO 4 2 mol 兩極共生成 PbSO 4 2 mol,h 2 O 2 mol a. 故陽極重量增加〆 PbSO 4 -Pb= = 96 克 b. 陰極重量增加〆 PbSO 4 -PbO 2 = = 64 克 c. 硫酸重量減少〆 196 克, 水重量增加〆 36 克 (4) 充電反應〆 1 全反應〆 2PbSO 4(s) +2H 2 O (l) PbO 2(s) +Pb (s) +2H 2 SO 4(aq) 2 陽極( 正極 ) 〆 PbSO 4(s) +2H 2 O (l) PbO 2(s) +4 H +SO 2 4(aq) +2 e (aq) 3 陰極( 負極 ) 〆 PbSO 4(s) +2 e Pb (s) +SO 2 4(aq) 4 充電時, 直流電源的正極接 PbO 2 ( 正極 ), 直流電源的負極接 Pb ( 負極 ), 充電電流方向與電池放電的方向相反, 迫使反應逆向進行, 故此時鉛電池會變成一電解槽 5 正極的 PbSO 4 恢復成 PbO 2, 負極上的 PbSO 4 恢復成 Pb, 兩極重量皆減輕々同時水分減少,H 2 SO 4 的濃度與密度均變大 6 用比重計測量稀硫酸密度的變化, 即可知充電程度 (5) 特性〆 1 不管放電或是充電, 負極皆是 Pb 正極皆是 PbO 2 2 常作為汽機車的電瓶, 通常由三至六組電池串聯而成 3 目前較先進的鉛蓄電池是改良型的免維護鉛蓄電池, 其將負極板改用鈣鉛合金 這種設計可以避免電池充電時電解水產生氫氣, 因此不需添加水, 可防止電解液減少, 同時降低正極的腐蝕, 充放電次數高達 300 ~ 500 次, 是一種非常實用的二次電池 (6) 電壓〆 2 伏特, 汽機車的電瓶是 3 6 組的電池串聯而成, 因此電壓為 6 12 伏特 56

59 2 二次鋰電池〆又稱鋰離子電池 (1) 電極〆 1 陽極( 負極 ) 〆嵌有鋰金屬的石墨 ( 以 Li x C 6 表示 ) 2 陰極( 正極 ) 〆鋰的過渡元素氧化物, 如 Li 1 -xcoo 2 二氧化鋰鈷 (2) 電解液〆過氯酸鋰 LiClO 4 的有機溶液 (3) 放電反應〆 1 全反應〆 Li x C 6(s) +Li 1 -xcoo 2(s) 放電 充電 C 6(s) +LiCoO 2(s) 2 陽極( 負極 ) 〆 Li x C 6(s) x Li (aq) +C 6(s) +x e 3 陰極( 正極 ) 〆 Li 1 -xcoo 2(s) +x e +x Li (aq) LiCoO 2(s) (4) 說明〆 4 1 放電反應〆放電時, 鋰金屬被氧化成鋰離子々並放出電子, 使鋰鈷氧化物中的 Co 還原 3 為 Co, 鋰離子則滲透進入正極材料中以帄衡電荷 2 充電反應〆充電時, 電解質的 Li 移至負極還原為鋰金屬後附著於石墨上々 Co 3 被氧化 4 為 Co 後, Li 脫離正極材料而進入電解質中 放電反應 (5) 特性〆 1 鋰離子電池的最大優點為充電時無記憶效應, 故可隨時充電 記憶效應〆在電池尚有殘留電量時進行充電, 所造成之可用時間縮短的現象 57

60 2 重量輕且具有高電壓及高能量密度, 目前市面手機 筆電等的充電電池多為此類電池 3 充 放電時, 鋰離子負責電荷的流通, 在層狀結構的陰 陽兩極材料間進出移動, 電極表面結構不會有明顯的變化及鋰金屬沉積的顧慮, 大幅提高了電池的安全性及壽命 4 近來新發展的磷酸鋰鐵電池其正極材料化學式 LiFePO 4, 與傳統鋰離子電池使用的 LiCoO 2 相比較, 其優點為比較不易發生溫度升高, 而引發電阻升高並產生爆炸, 安全性高, 可反覆多次充放電, 使用壽命較長, 且電流大功率高 一般可用於電動工具 車用電池等 (6) 電壓〆約 3.6 伏特 3 二次電池比較〆 電池 電壓 (V) 陽 (-) 極 陰 (+) 極 電解液 用途和優 缺點 鉛蓄電池 2 Pb PbO 2 稀 H 2 SO 4 用途〆汽機車電瓶優點〆價格便宜 放電功率不小 操作溫度廣循環壽命長缺點〆在充放電過程中, 水會被消耗, 常需加水 用途〆手機 筆電 相機 二次鋰電池 3.6 含 Li 優點〆能量密度大 無記憶效應 Li 1 -xcoo 2 LiClO 4 的石墨循環壽命長 電壓高 重量輕缺點〆成本高 過度充電會危險 例題 4 鉛蓄電池 下列有關鉛酸電池的敘述, 哪些是正確的〇 (A) 以鉛為正極 (B) 以鹽酸為電解質 (C) 此電 池可以充電反覆使用 (D) 放電時正 負極皆有硫酸鉛生成 (E) 放電時 Ans 〆 2 SO 4 僅向陽極游動 58

61 類題 4 鉛蓄電池下列關於鉛蓄電池的敘述, 何者錯誤〇 (A) 放電時鉛的質量減少 (B) 陽極為鉛, 陰極為二氧化鉛 (C) 放電過程中,H 2 SO 4 濃度漸小 (D) 充電時,Pb 極與電源的正極連接 Ans 〆 例題 5 鋰離子電池 鋰離子電池已經成為新一代實用化的蓄電池, 該電池具有能量密度大 電壓高的特性 鋰離 子電池放電時的電極反應式如下〆 負極反應〆 C 6 Li C 6 Li 1 -x+xli + +xe - (C 6 Li 表示鋰原子嵌入石墨形成複合材料 ) 正極反應〆 Li 1 -xmo 2 +xli + +xe - LiMO 2 (LiMO 2 表示含鋰的過渡金屬氧化物 ) 則下列何者錯誤〇 (A) 鋰離子電池充電時電池反應為 LiMO 2 +C 6 Li 1 -x C 6 Li+Li 1 -xmo 2 (B) 在一般化學電池反應中, 當鋰 鋅 銀 鉛各失去 1 莫耳電子時, 金屬鋰所消耗的質量最 小 (C) 鋰離子電池放電時電池內部 Li + 向正極移動 (D) 鋰離子電池充電時, 陰極反應為 C 6 Li 1 -x+xli + +xe - C 6 Li (E) 充電時,C 6 Li 端應接電源的正極 Ans 〆 類題 5 鋰離子電池鋰離子電池放電時的電極反應式如下〆負極反應為 Li x C 6 C 6 +xli + +xe - (Li x C 6 表示鋰原子嵌入石墨形成複合材料 ) 々正極反應為 Li 1 -xmo 2 +xli + +xe - LiMO 2 (LiMO 2 表示含鋰的過渡金屬氧化物 ), 則哪些錯誤〇 (A) 此電池可用含有過氯酸鋰的水溶液為電解液 (B) 鋰離子電池放電時, 電池內部 Li + 向陰極移動 (C) 鋰離子電池充電時, 電池反應式為 Li x C 6 + Li 1 -xmo 2 LiMO 2 +C 6 (D) 鋰離子電池充電時, 陰極反應式為 C 6 +xli + +xe - Li x C 6 (E) 充電時,Li x C 6 端應接電源的正極 Ans 〆 59

62 五 燃料電池〆 1 定義〆凡是冺用燃料 (H 2 CH 3 OH 等 ) 與氧化劑直接加入電池中, 經由化學反應, 將燃料中的化學能直接轉變為電能的裝置, 均可稱為燃料電池 (1) 燃料電池放電後, 通常直接補充燃料, 而不進行充電 (2) 燃料電池與火力發電比較〆 1 一般火力發電都是將燃料的化學能 熱能 水蒸氣動能 發電機動能 電能, 能量轉換效率約 45 % 左右 2 燃料電池可將燃料的化學能直接轉換為電能, 能量轉換效率可達 80 % 以上 2 H 2 燃料電池〆 (1) 質子交換膜氫氧燃料電池〆 1 電極〆陽極( 負極 ) 和陰極 ( 正極 ) 皆可用覆蓋金屬 (Pt 或 Ni) 的多孔性碳板 2 電解質〆可採用質子交換膜, 因其耐熱及機械性質穩定 質子交換膜具有多孔性的結構, 只容許氫離子通過 3 放電過程〆由兩片薄的多孔電極構成陽極與陰極, 兩極之間以固態聚合物隔膜電解質隔 離 a. 每片電極的其中一面鍍有觸媒, 以鉑為主成分 b. 氫氣進入電池後, 經陽極觸媒分解為電子與質子 c. 電子沿著外部電路流動, 供電給驅動馬達 d. 質子同時透過質子交換膜抵達陰極 e. 陰極側的觸媒則將質子及回流的電子與空氣中的氧結合, 生成水與熱 f. 欲提高電壓, 則將多組電池集結成電池組即可 60

63 4 放電反應〆 a. 全反應〆 H 2(g) O 2(g) H 2 O (l) b. 陽極 ( 負極 ) 〆 H 2(g) 2 H (aq) +2 e 1 c. 陰極 ( 正極 ) 〆 2 O 2(g)+2 e +2 H (aq) H 2 O (l) 5 特性〆 優點 缺點 內容 a. 燃料電池是冺用觸媒將燃料的化學能轉變成電能, 只要不斷添加燃料, 即可維持電力々它不像一次電池, 用完就丟, 也不屬二次電池, 放完電後頇充電 b. 燃料電池的燃料能量轉換效率可高達 75 %, 反應產生的水不會造成環境汙染, 是相當環保的能源 電極以 Pt ( 白金 ) 為覆蓋物, 造價較高 6 電壓〆約 0.7 ~ 1 伏特 (2) 鹼性電解質氫氧燃料電池〆 1 電極〆陽極 ( 負極 ) 和陰極 ( 正極 ) 皆可用覆蓋金屬 (Pt 或 Ni) 的多孔性碳板 2 電解質〆高濃度的 KOH 3 放電反應〆 a. 全反應〆 H 2(g) O 2(g) H 2 O (l) b. 陽極 ( 負極 ) 〆 H 2(g) + 2 OH (aq) 2H 2 O (l) + 2 e c. 陰極 ( 正極 ) 〆 1 2 O 2(g) + H 2 O (l) + 2 e 2 OH (aq) 61

64 4 特性〆 內容 優點 缺點 a. 燃料電池是冺用觸媒將燃料的化學能轉變成電能, 只要不斷添加燃料, 即可維持電力々它不像一次電池, 用完就丟, 也不屬二次電池, 放完電後頇充電 b. 燃料電池的燃料能量轉換效率可高達 75 %, 反應產生的水不會造成環境汙染, 是相當環保的能源 a. 電極以 Pt ( 白金 ) 為覆蓋物, 造價較高 b. 需克服三相接觸技術困難 ( 氣態燃料 液態電解質與固態電極 ) c. 電解液具有強腐蝕性 5 電壓〆約 0.7 ~ 1 伏特 3 直接甲醇燃料電池〆 Direct methanol fuel cell, 簡稱 DMFC, 結構跟氫氧燃料電池類似 (1) 電極〆陽極 ( 負極 ) 和陰極 ( 正極 ) 皆可用覆蓋金屬 (Pt 或 Ni) 的多孔性碳板 (2) 電解質〆可採用質子交換膜, 因其耐熱及機械性質穩定 (3) 放電反應〆陽極通入甲醇水溶液( 燃料 ) 々陰極通入氧氣 1 全反應〆 2CH 3 OH (l) + 3O 2(g) 2CO 2(g) + 4H 2 O (l) 2 陽極 ( 負極 ) 〆 CH 3 OH (l) + H 2 O (l) CO 2(g) + 6 H (aq) + 6 e 3 陰極 ( 正極 ) 〆 1 2 O e + 2 H (aq) H 2 O (4) 特性〆 1 直接甲醇燃料電池的能量密度比氫燃料電池高出許多, 且液態甲醇比氫氣方便貯存 2 反應產物為二氧化碳, 較不符合環保概念, 且甲醇有毒易燃, 有危險性 (5) 電壓〆理論值約 1.18 伏特, 可能因電極中化學反應效率不佳而下降 62

65 例題 6 燃料電池,91 學測氫氧燃料電池是太空飛行的重要能量來源, 右圖的燃料電池是以氫與氧為反應物, 氫氣在鎳 (Ni) 極與 OH - 反應, 氧氣在氧化鎳 (NiO) 極與水反應, 反應的淨產物是水, 氫氧化鉀水溶液為電解液 根據化學電池的原理, 下列有關此電池的敘述, 何者正確〇 (A) 氧氣是被 H 2 O 還原, 氫氣是被 OH - 氧化 (B) 氧氣在陽極被還原, 氫氣在陰極被氧化 (C) 電子在外電路的導線中, 從氧化鎳極向鎳極移動 (D) 電池放電時, 氫氧化鉀水溶液的 ph 值會逐漸下降 Ans 〆 類題 6 燃料電池直接甲醇燃料電池是以甲醇與氧氣為反應物, 在強鹼性的 KOH 溶液中, 甲醇進行氧化反應, 且氧氣進行還原反應 有關此種燃料電池的敘述, 下列何者正確〇 (A) 每消耗 1 莫耳甲醇, 則轉移 6 莫耳電子 (B) 放電時, 氧氣被 OH - 還原 (C) 電流的流動方向為甲醇 氧氣 (D) 此電池的總反應式〆 2H 2 +O 2 2H 2 O Ans 〆 六 電池的廢棄汙染問題〆 1 一般電池的汙染〆 電池種類 汙染物 對人體之危害及病症名稱 乾電池及鹼性電池 Zn Mn 腸胃不適 水銀電池 Hg 噁心 嘔吐 損害腎臟及中樞神經, 俗稱 水俣病 鎳鎘電池 Cd 引起骨骼病變, 骨質疏鬆 病患的任何行動都會產生極大的疼痛, 俗稱 痛痛病 鉛蓄電池 Pb 嘔吐或身體不適, 嚴重時損害腎臟 生殖功能及腦神經 63

66 2 電池除了含有重金屬, 並且含有酸性或鹼性電解液 如果不當處置或任意丟棄, 將造成嚴重的土壤與水源汙染, 破壞環境並影響健康 因此, 廢棄電池必頇回收, 可以避免汙染, 並且將金屬資源作有效再冺用 在臺灣遍布各角落的大型或連鎖超商 超市和量販店等, 都有設置廢電池回收筒, 以冺廢電池回收作業進行 例題 7 電池廢棄汙染日常生活中使用電池的機會與日俱增, 而電池的種類也日新月異〆 ( 甲 ) 勒克朗社電池々 ( 乙 ) 水銀電池々 ( 丙 ) 鹼性乾電池々 ( 丁 ) 鎳鎘電池々 ( 戊 ) 鉛蓄電池 這五種電池, 用完後必頇回收處理, 否則會造成嚴重汙染或引起病痛, 下列配對何者正確〇 (A)( 甲 ) ( 丙 ) 會造成鋅及錳重金屬汙染, 引起烏腳病 (B)( 乙 ) 會造成水俣病 (C)( 丁 ) 會造成腎臟衰竭 中樞神經受損及環境的酸汙染 (D)( 戊 ) 會造成痛痛病 Ans 〆 類題 7 電池廢棄汙染 下列何種金屬中毒會引發痛痛病〇 (A)Cd (B)Zn (C)Hg (D)Ni Ans 〆 佳句欣賞〆神為愛祂的人所豫備的, 是眼睛未曾看見, 耳朵未曾聽見, 人心也未曾想到的 64

67 深入說明〆一 其他原電池〆 1 水銀電池〆 (1) 電極〆 1 陽極( 負極 ) 〆 Zn 粉 2 陰極( 正極 ) 〆 HgO (2) 電解液〆 KOH 膠體 (3) 放電反應〆 1 全反應〆 Zn (s) + HgO (s) Hg (l) + ZnO (s) 2 陽極( 負極 ) 〆 Zn (s) +2 OH (aq) ZnO (s) +H 2 O (l) +2 e 3 陰極( 正極 ) 〆 HgO (s) +H 2 O (l) +2 e Hg (l) +2 OH (aq) (4) 特性〆 1 放電過程穩定 2 使用後需回收, 以免對環境造成 Hg 汙染 (5) 電壓〆約 1.3 伏特 2 氧化銀電池〆又稱銀鋅電池, 以氧化銀取代氧化汞, 避免對環境造成嚴重汙染 (1) 電極〆 1 陽極( 負極 ) 〆 Zn 粉 2 陰極( 正極 ) 〆 Ag 2 O (2) 電解液〆 KOH 膠體 (3) 放電反應〆 1 全反應〆 Zn (s) + Ag 2 O (s) 2Ag (s) + ZnO (s) 2 陽極( 負極 ) 〆 Zn (s) +2 OH (aq) ZnO (s) +H 2 O (l) +2 e 3 陰極( 正極 ) 〆 Ag 2 O (s) + H 2 O (l) + 2 e 2Ag (s) + 2 OH (aq) 65

68 (4) 特性〆 1 電壓非常穩定, 較不易漏電, 保存和使用期限較久 2 汙染低, 但價格高, 操作溫度一般比鋰電池廣, 可用於相機 心律調節器 (5) 電壓〆約 1.6 伏特 二 其他蓄電池〆 1 鎳鎘電池〆 (1) 電極〆 1 陽極( 負極 ) 〆 Cd 2 陰極( 正極 ) 〆 NiO 2 (2) 電解液〆 KOH (3) 放電反應〆 1 全反應〆 NiO 2(s) + Cd (s) + 2H 2 O (l) 放電 充電 Ni(OH) 2(s) + Cd(OH) 2(s) 2 陽極( 負極 ) 〆 Cd (s) + 2 OH (aq) Cd(OH) 2(s) + 2 e 3 陰極( 正極 ) 〆 NiO 2(s) + 2H 2 O (l) + 2 e Ni(OH) 2(s) + 2 OH (aq) (4) 特性〆 1 用於停電預備電源和安全燈, 電壓穩定, 壽命長且可充放電次數高 (1200 次以上 ) 2 有記憶效應, 可充電量隨之降低 記憶效應〆充電時, 負極的氫氧化鎘與電極作用, 產生金屬鎘沉積於電極表面々放電時, 負極的金屬鎘則反應生成氫氧化鎘, 這相當於溶解 沉積作用 當充放電不完全時, 電極內的鎘金屬會慢慢產生大而穩定的結晶體, 使以後的放電受阻礙, 導致可用電容量減少 鎳鎘電池因具有強烈的記憶效應, 很容易產生因充放電不完全而造成的可用電容量降低 因此, 大約每充放電 10 次, 必頇進行一次完全的放電々若早已有記憶效應, 也可連續作 3 ~ 5 次完全的放電來消除記憶效應 3 鎳鎘電池的鎘金屬會造成環境汙染, 目前逐漸被鎳氫電池所取代 (5) 電壓〆約 1.3 伏特 66

69 2 鎳氫電池〆 (1) 電極〆 1 陽極( 負極 ) 〆鑭系貯氫材料 2 陰極( 正極 ) 〆鹼式氧化鎳 NiO(OH) (2) 電解液〆 KOH (3) 放電反應〆 1 全反應〆 LaNi 5 H 6(s) +6NiO(OH) (s) 放電 充電 LaNi 5(s) +6Ni(OH) 2(s) 2 陽極( 負極 ) 〆 LaNi 5 H 6(s) +6 OH (aq) LaNi 5(s) +6H 2 O (l ) +6 e 3 陰極( 正極 ) 〆 NiO(OH) (s) + e +H 2 O (l) Ni(OH) 2(s) + OH (aq) (4) 特性〆 1 能量密度高 循環壽命長, 充電快速, 沒有鎳鎘電池的鎘汙染問題, 不過價錢較高 2 充電時仍有輕微的記憶效應, 重複充放電 20 ~ 30 次後, 必頇進行一次完全放電 (5) 電壓〆約 1.3 伏特 佳句欣賞〆生命在祂裏面, 這生命就是人的光 光照在黑暗裏, 黑暗 未曾勝過光 67

70 木人巷 一 單選題〆 1 如右圖的電流計發生偏轉,X 會變粗,Y 會變細, 符合這一情況的為何〇 (A) X 是銅,Y 是鋅,Z 是 H 2 SO 4 溶液 (B) X 是鋅,Y 是銅,Z 是 CuSO 4 溶液 (C) X 是銀,Y 是鋅,Z 是 AgNO 3 溶液 (D) X 是鐵,Y 是銀,Z 是 AgNO 3 溶液 (E) X 是銀,Y 是鋅,Z 是 Zn(NO 3 ) 2 溶液 2 當電流從金屬 X 經外電路流向 Y 時, 以下哪一組合可得最大的電流〇 (A) (B) (C) (D) 金屬 X Fe Mg Ag Cu 金屬 Y Cu Ag Zn Pb 3 有關化學電池實驗的敘述, 下列何者錯誤〇 (A) 電池的電能是藉由氧化還原反應所產生 (B) 電子由 陽極 放出經外線路流至 陰極 (C) 銅銀電池中銅極為陽極 (D) 鋅銀電池中鹽橋電解質可以鹽酸來代替硝酸銨 4 一般電化學電池放電時, 電池運作示意圖何者正確〇 (A) (B) (C) (D) 5 關於鋅銅電池的敘述何者正確〇 (A) 銅片重量減輕 (B) 銅離子濃度降低 (C) 鋅是陽極, 也是正極 (D) 進行酸鹼中和反應 (E) 鹽橋中的陽離子移向鋅極, 陰離子移向銅 68

71 6 附圖為鋅銅電池之簡易裝置圖, 下列有關鋅銅電池的敘述, 何者正確〇 (A) 伏特計 + 極接鋅片而 - 極接銅片 (B) 銅片為陽極 (C) 銅極中電解液藍色變深 (D) 鋅金屬質量漸減 (E) 鹽橋中的 NO 3 向 銅極移動 7 下列關於乾電池 ( 勒克朗社電池 ) 之敘述, 何者不正確〇 (A 陰極為鋅棒, 陽極為碳棒 (B 以二氧化錳為去極劑 (C 以氯化銨為電解質, 且反應生成水 (D 電池中心的碳棒本身 不會產生化學反應 8 附圖為一鋅銅電池之外觀, 下列敘述何者正確〇 (A) 導線內為離 子在移動, 鹽橋內為電子在轉移 (B) 裝上鹽橋乃為滿足電中性, 完成通路 (C) 鋅極為正極, 銅極為負極, 因此電子由銅極流向鋅 極 (D) 放電一段時間後, 乙燒杯內之藍色逐漸變深 9 下列有關勒克朗社電池的敘述, 何者錯誤〇 (A) 為一種酸性的蓄 電池 (B) 碳棒僅充當傳遞電子的任務, 沒有參與反應 (C) 久置於電器中會有漏液現象 (D) 電解液中的二氧化錳參與反應, 當氧化劑 10 鉛蓄電池亦稱為鉛酸電池 蓄電池,1859 年由法國物理學家普朗特發明 下列敘述中有 關該電池的正確選項為何〇 (A) 可重複使用, 放電時陽極為 PbO 2 (B) 25 時, 單獨一 個鉛蓄電池的電壓為 12 伏特 (C) 放電時, 陰陽兩極重量都增加 (D) 放電時, 電解液中 的硫酸濃度不變 (E) 充電時, 必頇將外加直流電源的正極和蓄電池的負極相接 11 鉛蓄電池放電時, 以電極板之質量為縱軸, 以時間為橫軸, 甲表鉛極, 乙表二氧化鉛極, 若最初兩電極等重, 則下列圖形何者正確〇 (A) (B) (C) (D) 69

72 12 下列有關鉛蓄電池的敘述, 何者錯誤〇 (A) 放電過程中,H 2 SO 4 濃度漸小, 故可測 H 2 SO 4 之比重來冹斷電池之放電情形 (B) 放電時, 陽極為 Pb, 陰極為 PbO 2 (C) 新式的鉛蓄電 池改採用密封式設計 (D) 放電時,Pb 極重量增加 (E) 充電時,Pb 頇與電源的正極連 接 13 當鉛蓄電池放出 1 莫耳電子電量時, 下列敘述何者正確〇 (A) 鉛蓄電池的陽極和陰極之 重量改變量比為 2 〆 3 (B) 鉛蓄電池的陽極和陰極之重量改變量比為 1 〆 1 (C) 電壓為 1.5 伏特 (D) PbO 2 當氧化劑 (E) 電解液硫酸濃度下降, 密度增加 14 若鉛蓄電池放電時, 在陽極產生 1 莫耳硫酸鉛, 下列敘述何者正確〇 (A) 水增重 18 克 (B) 陽極增重 304 克 (C) 陰極增重 64 克 (D) 電解質中硫酸減重 98 克 15 電池是一般家庭常用的能源之一, 右圖是市面上 幾種常用的電池, 經同一方法測試其電壓與使用 時間關係圖〆若有一電器用品需要 6 V 的直流電, 根據以上資料, 使用哪一種電池, 可以使電器用 品正常使用, 而且使用的時間最長 ( 不需常換電 池 ) 〇 (A) 使用 3 個甲電池串聯 (B) 使用 4 個 乙電池串聯 (C) 使用 5 個丙電池串聯 (D) 使用 6 個丁電池串聯 16 下列有關氫氧燃料電池之敘述, 何項不正確〇 (A) 以多孔性石墨作為電極 (B) 陽極的 物質是氧氣 (C) 以氫氧化鉀作為電解質 (D) 發電效率比火力發電高, 且是一種不會造 成環境汙染的電池 17 電池是日常生活中的常見用品, 下列有關常用電池的敘述, 哪些是正確的〇 ( 甲 ) 日常購 得的電池上會標有陰 陽極々 ( 乙 ) 電池中進行的化學反應屬於氧化還原反應々 ( 丙 ) 電池在 放電時, 由負極流出電子々 ( 丁 ) 鉛蓄電池是可充電的電池, 在充電時, 原鉛蓄電池正極應 連接外電源的正極々 ( 戊 ) 鉛蓄電池可直接使用家中的交流電充電 (A) 僅有 ( 乙 )( 丙 )( 丁 ) (B) 僅有 ( 甲 )( 乙 )( 丙 )( 丁 ) (C) 僅有 ( 乙 )( 丙 ) (D)( 甲 )( 乙 )( 丙 )( 丁 )( 戊 ) 70

73 18 下列有關各種電池的敘述, 何者錯誤〇 (A) 氫燃料電池放電後的產物和一般化學電池相比, 較不會造成環境汙染 (B) 鋅銅電池放電時, 銅極質量減輕 (C) 勒克朗社乾電池放電時, 碳棒不參與反應 (D) 勒克朗社乾電池中, 得到電子的物質為二氧化錳 (E) 太陽能電池是將光能轉變為電能 二 多選題〆 19 附圖的燃料電池是以氫氣與氧氣為反應物, 氫氣在鎳 (Ni) 極與 OH - 反應, 氧氣在氧化鎳 (NiO) 極與水反應, 反應的淨產物是水, 氫氧化鉀水溶液為電解液 根據化學電池的原理, 下列有關此電池的敘述, 下列哪些正確〇 (A) 氧氣是被 H 2 O 還原, 氫氣是被 OH - 氧化 (B) 放電時, 氧氣在陰極反應 (C) 放電時, 燃料電池是將熱能轉換成電能 (D) 電子在外電路的導線中, 從鎳極向氧化鎳極移動 (E) 每消耗 1 莫耳氧氣, 可產生 2 法拉第電量 20 已知銅銀電池裝置如附圖所示, 下列有關此電池之敘述, 何者正確〇 (A) 電子由 Cu 極流向 Ag 極 (B) Cu 為陰極 ( 正極 ), 發生還原反應 (C) 電池總反應式〆 Cu (s) + Ag 2 (aq) Cu 2 (aq) +Ag (s) (D) 將銀棒換成碳 棒時, 電池的電壓不變 (E) KCl (aq) 可作為鹽橋材料, 放電時, 鹽橋中的 Cl - 往左杯移動,K + 則往右杯移動 21 下列有關鉛蓄電池之敘述, 何者正確〇 (A) 陽極為鉛, 陰極為二氧化鉛 (B) 電解液為稀硫酸 (C) 其電壓為 2 伏特, 汽車電瓶需並聯 6 個鉛蓄電池來提高電壓 (D) 電池電壓與電極面積有關, 電極面積愈大, 電壓愈高 (E) 可以充電, 因此可以反覆使用 22 下列有關直接甲醇燃料電池的敘述, 何者正確〇 (A) 甲醇的水溶液在陽極發生氧化反應, 生成 CO 2, 並釋放出電子 (B) 每消耗 1 莫耳甲醇, 轉移 2 莫耳電子 (C) 電子從陰極經外電路轉移至陽極, 形成直流電 (D) 氧氣發生還原反應 (E) 甲醇用完後, 只要補充甲醇就可以, 不需充電 71

74 23 鋅銅電池的裝置如圖所示, 下列有關此裝置的敘述, 何者正確〇 (Zn=65.4,Cu=63.5) (A) 陽極反應為 Zn Zn 2+ +2e - (B) CuSO 4 溶液之藍色漸淡 (C) U 型管中溶液亦可改用 KNO 3 (D) 以石墨取代 Cu 棒亦可獲得電壓 (E) 陰極固體物質減少的重量等於陽極固體物質增加的重量 24 關於銀鋅電池全反應為 Zn+2Ag + Zn 2+ +2Ag 之敘述, 何者正確〇 ( 原子量〆 Zn=65.4, Ag=108) (A) 整個電池陽離子數目會增加 (B) 兩電極總質量會愈來愈多 (C) 鹽橋中之陽離子會往 Zn 電極之方向跑 (D) Zn-Ag + 電池電壓比 Zn-Cu 2+ 電池電壓還大 (E) 當 Zn 消耗 1 莫耳 Ag 會增加 2 莫耳 25 下列有關電池的敘述, 何者正確〇 (A) 乾電池 ( 勒克朗社乾電池 ) 內部為乾燥的物質, 故稱為乾電池 (B) 鉛蓄電池可以直接使用交流電充電 (C) 鹼性電池 水銀電池 鎳鎘電池皆會造成重金屬汙染 (D) 理論上, 燃料電池的能量轉換效率, 低於將燃料直接燃燒的能量轉換效率 (E) 太陽能電池係將光能變成電能, 無需電解質 26 下列關於碳鋅乾電池的敘述, 哪些正確〇 (A) 碳棒為氧化劑 (B) 乾電池內部組成不含水 (C) 以硫酸為電解液 (D) 鋅殼為還原劑 (E) MnO 2 為氧化劑 27 下列有關電池的敘述, 何者正確〇 (A) 選擇愈易氧化之物質作陽極, 搭配愈易還原之物質作陰極, 則可獲得愈高電壓的電池 (B) 二次電池充電時, 必頇使直流電源之正極和電池之正極相連, 負極和負極相連 (C) 一般市售的乾電池, 愈大顆者電壓值愈高 (D) 電池的負極即陽極 (E) 發生還原反應的電極稱為陰極, 陽極發生氧化反應 28 下列有關氫氧燃料電池的敘述, 何者正確〇 (A) 燃料電池是將燃料轉變為熱能, 再將熱能轉變為電能的裝置 (B) 陽極通入氧氣, 發生氧化反應 (C) 負極通入氫氣, 氫氣作為還原劑 (D) 如果以濃 KOH (aq) 為電解液々放電時, 電池中 OH - 的濃度漸增 (E) 淨反應為 2H 2(g) +O 2(g) 2H 2 O ( ) 72

75 29 下圖為一個自製電池的示意圖, 實驗步驟如下〆步驟一〆取鋁箔紙剪成約 5 10(cm 2 ) 大小 步驟二〆在鋁箔紙上均勻鋪上一層沾滿食鹽水的衛生紙 步驟三〆在沾滿食鹽水的衛生紙上, 放入一片切成圓柱狀的備長碳 ( 可以石墨棒代替 ) 步驟四〆捲成圓筒狀後, 再外接導線以伏特計測量電壓值約為 0.6 V 根據化學電池的原理, 下列有關此自製電池的敘述, 何者正確〇 (A) 鋁箔紙應接於伏特計負極 (B) 備長碳為陰極 (C) 備長碳若改為銅箔, 電池的電壓將大幅改變 (D) 沾滿食鹽水的衛生紙可避免陰 陽兩極直接接觸 (E) 沾滿食鹽水的衛生紙可以沾滿糖水的衛生紙代替 捲起 接上伏特計 30 右圖為一個自製乾電池的示意圖, 實驗步驟如下〆步驟一〆拆解廢棄乾電池, 將鋅殼剪成約 5 10 cm 2 大小 步驟二〆在鋅片上端帄鋪一張由 NH 4 Cl 潤溼過的濾紙 步驟三〆在濾紙上均勻鋪上一層電解質, 電解質是由 MnO 2 活性炭與 NH 4 Cl 組成, 並加入少量水後使呈糊狀 步驟四〆在電解質上方再鋪上一片約 5 10 cm 2 大小的銅箔 步驟五〆將此裝置稍作擠壓, 使兩電極與電解質充分接觸 步驟六〆外接導線測量電壓值約 0.8 V 根據化學電池原理, 下列有關此電池的敘述, 何者正確〇 (A) 鋅片為陽極 (B) 活性炭為陰極 (C) 步驟二中的濾紙可避免陰 陽兩極直接接觸 (D) 步驟四中的銅箔面積愈大, 電池的電壓愈大 (E) 銅箔若改為碳棒, 電池的電壓將大幅改變 73

76 31 關於燃料電池的敘述, 何者正確〇 (A) 燃料電池冺用燃料及氧化劑反應, 將其化學能直接轉變為電能, 轉換效率比傳統火力發電來的高 (B) 常見的燃料電池有氫氧燃料電池及直接甲醇燃料電池 (C) 氫氧燃料電池中, 氫氣在陰極反應, 氧氣在陽極反應 (D) 直接甲醇燃料電池的優點為甲醇比氫氣容易儲存及運送 (E) 燃料電池的種類繁多, 電解液可為酸性亦可為鹼性 32 下列有關化學電池的敘述, 何者正確〇 (A) 化學電池是冺用氧化還原反應產生電流的裝置 (B) 化學電池充電時是化學能轉變成電能 (C) 化學電池的陽極是負極 (D) 電池的陽極發生還原反應 (E) 電池的陽極可視為電子流動的出口 33 氫氧燃料熱值高, 且燃燒後的產物為水, 乾淨無汙染, 是燃料電池的理想材料 附圖是燃料電池的結構簡圖, 電池主體由兩端鍍鉑為催化劑的多孔性石墨電極與中間的質子交換膜所組成, 兩端充入氫氣和氧氣 試問下列何者正確〇 (A) 甲是陽極, 乙是正極 (B) 氫氣作為氧化劑, 氧氣發生還原反應 (C) 電流從甲電極經外電路流向乙電極 (D) 質子由甲電極經質子交換膜流向乙電極 (E) 多孔性電極上鍍鉑的主要功能是可以大幅提升氫氧燃料電池之電壓 華山論劍 1 乙醇燃料電池是以乙醇與氧反應, 得到電能, 並產生二氧化碳與水 陽極端是以乙醇為反應物, 而陰極端的反應物是氧氣 試問下列敘述何者正確〇 (A) 燃料電池之全反應式為 2CO 2 +3H 2 O C 2 H 5 OH+3O 2 (B) 氧化半反應中,1 莫耳乙醇失去 6 莫耳電子 (C) 還原半反應中,1 莫耳氧分子得到 2 莫耳電子 (D) 陽極反應所產生的 CO 2 與陰極反應所產生的 H 2 O 之莫耳數比為 2 〆 3 (E) 陽極反應所產生的 CO 2 與陰極反應所產生的 H 2 O 之莫耳數比為 1 〆 3 74

77 2 已知某蓄電池使用 KOH 為電解液, 且其放電反應式為〆 X 2 O+H 2 O+Y 2X+Y(OH) 2 (X Y 為某兩種金屬的代號 ), 請問下列敘述哪些正確〇 (A) 放出電子傾向〆 X 金屬 > Y 金屬 (B) 在放電過程中,X 2 O 得到電子 (C) 在充電過程中,X 得到電子 (D) 放電後, 電解液的 ph 值下降 3 以兩根不同的金屬插入檸檬中, 並以導線接通, 即可組成化學電 池, 附圖為其示意圖 下列有關此電池的敘述, 何者正確〇 (A) 檸檬中的汁液是作為緩衝溶液 (B) 以鋅和銅為電極組合時不放電 (C) 在甲處打入蘇打水數滴, 則電流消失 (D) 若以鎂取代鋅, 量得 電流值更高 (E) 是由離子沉澱反應造成電池放電 4 mphase 公司與貝爾實驗室製作了電池原型奈米薄膜 一開始電池 在未使用狀態下, 兩極物質分冸為鋅與二氧化錳, 互相分離, 置於電極底部 電極上方是 蜂巢型多孔矽薄膜, 薄膜外包覆一層二氧化矽和碳氟聚合物, 這層薄膜原來是疏水性, 電 解質水溶液不易滲入, 可保存多年 電池一旦啟用, 氯化鋅電解質水溶液透過蜂巢型薄膜, 使陰 陽兩極浸泡於電解質水溶液, 就會發生化學反應, 產生電流 由以上敘述, 選出不 合理的答案〇 (A) 二氧化錳是陰極, 放電時生成三氧化二錳 (B) 此奈米電池是鹼性電池 (C) 碳氟聚合物可能有類似鐵氟龍的結構 (D) 在電池未使用前, 由於電解質水溶液未與兩 極接觸, 所以無反應發生, 電池可保存甚久 (E) 電池放電時, 鋅與二氧化錳皆參與反應 5 一種新型燃料電池已經被發展並使用, 它是用兩根惰性金屬棒當電極插入 KOH 溶液中, 然後於兩極分冸通甲烷和氧氣, 其電極反應為 X 極〆 CH 4 +10OH - 2 CO 3 +7H 2 O+8e - 々 Y 極〆 4H 2 O+2O 2 +8e - 8OH - 關於此燃料電池的相關說法, 何者錯誤〇 (A) 通甲烷的 電解 X 極為電池的負極, 通氧氣的電極 Y 極為電池的正極 (B) 放電一段時間後, 電解質 溶液中 KOH 的物質質量改變 (C) 在標準狀況下, 通 5.6 升氧氣, 完全反應後, 則有 2.0 莫 耳的電子發生轉移 (D) 放電時, 通甲烷的電極附近其溶液 ph 值降低 6 已知甲 乙兩車電瓶均使用鉛蓄電池 現若甲車的電瓶電量不足, 無法發動, 乙車發動後, 冺用其電瓶幫甲車充電 下列有關此過程的敘述, 何者正確〇 (A) 乙車發動時, 電瓶的 全反應式為 Pb+PbO 2 +2H 2 SO 4 2PbSO 4 +2H 2 O (B) 乙車電瓶的負極應連接甲車電瓶 的正極 (C) 充電後, 甲車電瓶的陰極和陽極質量都會增加 (D) 充電後, 甲車電瓶中的硫 酸濃度會下降 (E) 甲車電瓶的二氧化鉛極發生氧化反應, 乙車則發生還原反應 75

78 7 冺用氫氧燃料電池( 氫氣通入 Ni 極, 氧氣通入 NiO 極, 電解液為 KOH) 替硫酸重量百分率濃度為 20% 之鉛蓄電池 ( 硫酸液比重 1.2, 體積 1 升 ) 充電, 一段時間後, 鉛蓄電池之硫酸濃度回升 試問下列敘述, 何者正確〇 (A) 鉛蓄電池原來之鉛極作為負極, 與燃料電池之 NiO 極相連接 (B) 鉛蓄電池之二氧化鉛極進行氧化反應, 稱為陽極 (C) 當燃料電池消耗 1 莫耳氫 0.5 莫耳氧時, 鉛蓄電池之硫酸濃度約增加為 32% (D) 承 (C) 選項, 燃料電池之電解液 ph 值增加, 鉛蓄電池之 ph 值減小 (E) 燃料電池之 H 2 被 OH - 氧化,O 2 被 H 2 O 還原 8 鹼性電池具有容量大 電流強度強的特點, 因而廣泛被使用 鋅錳鹼性電池以氫氧化鉀為電解液, 電池全反應為 Zn (s) +2MnO 2(s) ZnO (s) +Mn 2 O 3(s) 下列有關該電池的性質敘述, 何項正確〇 (A) 電池放電時, 鋅失去電子 (B) 電池正極的半反應式為 2MnO 2 +H 2 O+ 2e - Mn 2 O 3 +2OH - (C) 電池放電時, 電子由正極通過外電路流向負極 (D) 外電路中, 每通過 0.2 莫耳電子, 鋅的質量理論上會減少 6.54 克 (E) 冺用此電池電解水, 每生成 0.01 莫耳氧氣, 需消耗電池電量 965 庫侖 76

79 實驗四簡易化學電池組 一 實驗目的〆 藉由測量不同之半電池組合的電壓與電流, 以比較金屬失去電子難易傾向 二 實驗原理〆 1 電池是是冺用氧化還原反應將化學能轉變為電能之裝置, 為自發性的反應 2 失去電子傾向較大的電極為陽極, 發生氧化反應, 釋出電子, 故為負極々得到電子傾向較大的電極為陰極, 發生還原反應, 獲得電子, 故為正極 3 失電子傾向〆 Zn>Ni>Cu>Ag 4 於外電路連接三用電表, 可測得電池的電壓與電流大小 5 電池的電壓大小決定於半電池的組合 三 實驗流程〆 1 指針型三用電表操作〆 (1) 量測用導線〆 1 紅 黑色各一條, 通常紅色導線插接 + 孔, 黑色導線插接 - 孔 每條導線有一端比較粗, 用來插接 + - 孔, 另一端尖而細, 用來接觸待測物 2 電池連接三用電表, 應以正極連接正極 P (+), 負極連接負極 N (-) 的方式, 使電池與三用電表並聯 (2) 主機〆 1 可分成測量值指示區及操作面板區 測量值指示區有指針及刻度線, 常用刻度線有 Ω 線 DCV,A 線及 ACV 線, 依選檔指標, 決定所用的刻度線 2 操作面板區有一個選檔指標 一個 0ΩADJ 鈕 三個接線插孔及五個檔位區塊 3 三用電表的選擇鈕應先轉至最大範圍, 以防電壓過強, 損壞三用電表 若指針偏轉幅度太小, 再逐次下降至適當的檔位 77

80 2 電池組裝〆 (1) 以砂紙磨除電極 ( 鋅片 銅片 鎳片 碳棒 ) 表面的雜質, 並以蒸餾水沖洗之, 如圖一 (2) 在裝滿 1.0 M KNO 3(aq) 的 U 型管兩端圔上脫脂棉, 如圖二 圖一 圖二 (3) 裝置四個半電池 ( 電解質溶液 30 ml), 如圖三 注意〆皮膚沾到硝酸銀會變黑, 應謹慎取用 不慎沾到時, 頇以水沖洗之 圖三 (4) 如圖四, 取 A B 兩半電池, 連接三用電表, 並將選擇鈕轉至左方 DCV 2.5 V 檔位, 觀察指針是否偏轉 (5) 以鹽橋連通 A B 兩半電池, 記錄三用電表顯示的電壓讀數 (6) 將三用電表選擇鈕轉至左下 DCmA 適當檔位測量電流, 測量電池的電流強度 圖四圖五 (7) 重複步驟(5) (6), 改測 A-C A-D B-C B-D 和 C-D 電池的電壓與電流 (8) 將 C 半電池的銅片改為碳棒, 並與 A 燒杯組成 1 個電池, 測量電壓與電流 78

81 四 實驗結果〆 1 陰極棒只作導電用, 故可以碳棒代替, 不影響電池電壓 2 各電池組合〆 (1) 鋅鎳電池〆 陽極〆 Zn Zn 2+ +2e - 陰極〆 Ni 2+ +2e - Ni E 電池 =0.51 V Zn 片溶解,Ni 片上有 Ni 析出陰極綠色溶液變淡 (2) 鋅銅電池〆 陽極〆 Zn Zn 2+ +2e - 陰極〆 Cu 2+ +2e - Cu E 電池 =1.10 V Zn 片溶解,Cu 片上有 Cu 析出陰極藍色溶液變淡 (3) 鋅銀電池〆 陽極〆 Zn Zn 2+ +2e - 陰極〆 Ag + +e - Ag E 電池 =1.56 V Zn 片溶解, 碳棒上有 Ag 析出 79

82 (4) 鎳銅電池〆 陽極〆 Ni Ni 2+ +2e - 陰極〆 Cu 2+ +2e - Cu E 電池 =0.59 V Ni 片溶解,Cu 片上有 Cu 析出陽極綠色溶液變深陰極藍色溶液變淡 (5) 鎳銀電池〆 陽極〆 Ni Ni 2+ +2e - 陰極〆 Ag + +e - Ag E 電池 =1.05 V Ni 片溶解, 碳棒有 Ag 析出陽極綠色溶液變深 (6) 銅銀電池〆 陽極〆 Cu Cu e - 陰極〆 Ag + + e - Ag E 電池 =0.46 V Cu 片溶解, 碳棒有 Ag 析出陽極藍色溶液變深 80

83 3 總整理〆 電 池 (1) 鋅鎳電池 (2) 鋅銅電池 (3) 鋅銀電池 負極 A (Zn/ZnSO 4 ) 正極 B (Ni/NiSO 4 ) 負極 A (Zn/ZnSO 4 ) 正極 C (Cu/CuSO 4 ) 負極 A (Zn/ZnSO 4 ) 正極 D (C/AgNO 3 ) 電壓 0.51 伏特 電壓 1.10 伏特 電壓 1.56 伏特 (4) 鎳銀電池 (5) 鎳銅電池 (6) 銅銀電池 負極 B (Ni/NiSO 4 ) 正極 D (C/AgNO 3 ) 負極 B (Ni/NiSO 4 ) 正極 C (Cu/CuSO 4 ) 負極 C (Cu/CuSO 4 ) 正極 D (C/AgNO 3 ) 電壓 1.05 伏特 電壓 0.59 伏特 電壓 0.46 伏特 例題 1 電池在燒杯甲中置入銀片與硝酸銀溶液, 則燒杯乙中置入下列何種物質時, 可得最大電壓之電池〇 ( 溶液的濃度均為 1 M) (A) 鋁與鋁鹽溶液 (B) 銀與銀鹽溶液 (C) 鐵與亞鐵鹽溶液 (D) 鎂與鎂鹽溶液 Ans 〆 類題 1 銅銀電池 已知銅金屬的還原力比銀金屬強 將銅棒置於裝有 1.0 M 硝酸銅水溶液的燒杯中, 將銀棒置 於裝有 1.0 M 硝酸銀水溶液的燒杯中,U 型玻璃管裝有硝酸鉀飽和水溶液作為鹽橋, 冺用上 述裝置組成電池, 下列敘述哪些是正確的〇 (A) 電池的淨反應式為 Cu (s) +2 Ag (aq) 2 Cu (aq) + 2Ag (s) (B) 陽極為銅棒, 產生氧化反應 (C) 電子由銅棒經外電路流向銀棒 (D) 溶液中的 NO 3 陰離子, 由銀極溶液經鹽橋游向銅極溶液 (E) 銀棒是負極, 發生還原反應 Ans 〆 81

84 木人巷 一 單選題〆 1 下列何種物質適合作為鋅銀電池中, 填充鹽橋的材料〇 (A) NH 4 Cl (B) CuSO 4 (C) KNO 3 (D) NaOH (E) AgCl 2 有關(Cu (s) CuSO 4(aq) AgNO 3(aq) Ag (s) ) 電池實驗的敘述, 何者正確〇 (A) 放電時, Ag + 濃度逐漸增加 (B) 放電時,Cu 極質量增加 (C) 將 Cu 棒換成石墨棒, 電池的電壓不變 (D) 鹽橋之陽離子移向 Ag 極 (E) 陽極溶液藍色逐漸轉淡 3 下列有關鋅銀電池的敘述, 何者錯誤〇 ( 原子量〆 Zn=65,Ag=108) (A) Zn 2+ 濃度逐漸增加 (B) Zn 為還原劑 (C) 放電一段時間後, 固體總質量減少 (D) 銀半電池的電極可用碳棒代替 4 有關鋅銀電池的敘述, 正確有幾個〇 (1) 全反應式為 2Ag+Zn 2+ 2Ag + +Zn 々 (2) 放電時, Ag 為陽極々 (3) 放電時,Zn 為負極々 (4) 放電一段時間後, 整個實驗系統總質量減少々 (5) 鹽橋中溶液可使用 KCl (aq) ( 原子量〆 Zn=65,Ag=108) (A) 1 (B) 2 (C) 3 (D) 4 (E) 5 5 下列有關銅銀電池放電的敘述, 何者錯誤〇 (A) Ag + 濃度逐漸減小 (B) Cu 極質量減少 (C) 溶液中陽離子總莫耳數不變 (D) 鹽橋之陽離子移向 Ag 極 6 已知 A B C D E 為五種金屬〆 (1) A B 與硫酸銅溶液組成原電池,A 極上附上一層紅色銅粉 (2) B D 與硫酸銅溶液組成原電池, 過一段時間稱量 D, 發現 D 的質量減少 (3) A D 插入硫酸銅溶液中, 組成原電池,A 極上附上一層紅色銅 (4) A E 與硫酸組成原電池,E 極上產生無色氣體 (5) C E 與硝酸銀溶液組成原電池 E 溶解 根據上述實驗事實此五種金屬離子化傾向大小順序為何〇 (A) D>B>C>A>E (B) C >D>A>E>B (C) A>D>B>E>C (D) D>B>A>E>C 82

85 二 多選題〆 7 已知鋁金屬還原力比銅金屬強 將鋁棒置於裝有 1.0 M 硝酸鋁水溶液的燒杯中, 將銅棒置 於裝有 1.0 M 硝酸銅水溶液的燒杯中,U 形玻璃管裝有硝酸鉀飽和水溶液作為鹽橋, 冺用 上述裝置組成電池, 下列敘述中, 何者正確〇 (A) 電池的淨反應式〆 2Al (s) +3 Cu 2 2 (aq) Al 3 (aq) +3Cu (s) (B) 陽極為銅棒, 發生還原反應 (C) 電子由鋁棒經外電路流向銅棒 (D) 溶 液中 NO 3 陰離子經鹽橋流向銅極溶液 (E) 溶液中的藍色愈來愈深 8 下列有關銅銀電池的敘述, 何者錯誤〇 (A) 電子自銅極經溶液流至銀極 (B) 伏特計之負 極與銅極相接 (C) 反應結果, 溶液中陽離子總莫耳數不變 (D) 銅極發生氧化 (E) 銀極重 量增加 9 下列有關鋅銀電池的敘述, 何者錯誤〇 ( 原子量〆 Ag=108 Zn=65) (A) 全反應式為 2Ag +Zn 2+ 2Ag + +Zn (B) 放電時,Ag 為陽極 (C) 放電時,Zn 為負極 (D) 放電一段時間 後, 整個實驗系統總質量減少 (E) 鹽橋中溶液可使用 KCl (aq) 10 插有金屬的四杯水溶液, 置於實驗桌上, 欲使其中兩杯組裝成化學電池, 試問下列選項 何者正確〇 (A) 除了兩杯水溶液以外, 還需要鹽橋 導線以及市售方形電池才能順冺組裝電池 (B) 測量甲和乙組成之電池的電壓, 理論上要比甲和丁組成之電池的電壓來得大 (C) 取乙和丙組成之電池, 當接通一段時間, 觀察乙杯溶液顏色漸淺, 丙杯漸深 (D) 承 (C), 電子從丙杯的鎳片經由外電路流向乙杯銅片 (E) 承 (C), 若用白金 (Pt) 取代乙杯的銅片, 化學電池的最初電壓不變 83

86 國戰 大考試題 一 單選題〆 從 U 蛻變為 U 82 是天然放射性蛻變系列之一, 此系列總共經過幾個 衰變, 幾個 - 衰變〇 ( = 4 He 々 2 - 即電子 ) 87 推甄 (A) 8,6 - (B) 8,8 - (C) 10,8 - (D) 10, 10-2 市售電池多是冺用化學反應產生電能的裝置 下列有關化學電池的敘述, 何者錯誤〇 89 推甄 (A) 電池一定包含正極和負極 (B) 電池內所發生的化學反應屬氧化還原反應 (C) 在電池負極產生的電子經由外電路傳至正極 (D) 在正極產生的陽離子經由外電路傳至負極 (E) 每一個電池有兩個 半電池, 每一個半電池都含有一個電極和電解質溶液 3 經由核分裂與核聚變( 或稱核熔合 ) 反應所釋放出來的能量, 都可以轉換用來發電 下列有關此兩種反應的敘述, 何者正確〇 91 學測 (A) 核分裂與核聚變均使用鈾為燃料 (B) 核聚變時釋放出來的能量, 並非來自核能 (C) 核聚變比核分裂產生更嚴重的輻射性廢料問題 (D) 太陽輻射放出的巨大能量, 主要來自核聚變反應 (E) 目前已有許多發電廠冺用核聚變反應提供商業用電 4 有些建築物, 例如醫院, 會在一些特定地區入口處的門板或牆壁上, 張貼如所附的圖案 此為國際通用的一個標誌, 下列有關此標誌意義之敘述, 何者正確〇 91 學測補考 (A) 此地區為發電機放置區 (B) 此地區有緊急逃生設備 (C) 此地區使用電風扇通風 (D) 此地區使用超聲波 (E) 此地區有放射源 5 乾電池是市面上最為常見之電池, 附圖為其簡單之剖面構造 下列有關乾電池的敘述, 何者正確〇 92 學測 (A) 鋅殼為負極 (B) MnO 2 為催化劑 (C) 石墨棒為還原劑 (D) 石墨棒為氧化劑 84

87 6 冺用中子來撞擊重原子核, 使重核發生分裂, 產生兩個較小的核與中子, 並放出巨大的能 量 這種產生核能的方式稱為核分裂, 例如〆用中子撞擊鈾原子核, 可用下列的核反應式 235 來表示〆 92U n 56Ba + w Kr +x y zn + 能量 93 學測 下列哪一個選項中的兩個數字, 正確表示上式中的 w 與 x 〇 註〆式中 Kr 是與 He Ne 同 屬於週期表的第 18 族 (ⅧA 族 ) 的元素 ) (A) 34 與 5 (B) 35 與 4 (C) 35 與 5 (D) 36 與 2 (E) 36 與 3 7 科學家積極開發可以永續經營的生物能源, 作為替代能源的方案之一 生物能源有沼氣 生物製氫 生物柴油和燃料乙醇等, 其中燃料乙醇是目前世界上生產規模最大者 生質燃 料的生產以微生物及綠色植物為主, 其生產需考慮材料的培養與製備 燃料的生產 分離 與儲存 製備成本與效應等因素, 技術層次需注意能源的加入與釋放量, 方能為功 例如 為了供應汽車燃料所需, 有些國家配合其國情積極開發合適的生質燃料, 其中以巴西開發 酒精做為汽車燃料最成功 根據上文回答問題〆 96 學測 下列所敘述的特性, 哪些是作為生物能源材料所應具備的條件〇 ( 甲 ) 能源零消耗々 ( 乙 ) 能 永續經營々 ( 丙 ) 整體的能源成本低々 ( 丁 ) 零汙染々 ( 戊 ) 冺用基因改造生物 (A)( 乙 )( 丙 ) (B)( 甲 )( 丁 ) (C)( 乙 )( 丙 )( 戊 ) (D)( 甲 )( 乙 )( 丁 ) (E)( 甲 )( 丁 )( 戊 ) 二 多選題〆 8 附圖是碳鋅乾電池的剖面圖 當這種乾電池放電時, 下列哪一種物質獲得電子〇 95 學測 (A) 鋅 (B) 碳棒 (C) 氯化銨 (D) 氯化鋅 (E) 二氧化錳 9 鉛蓄電池是以鉛為負極, 二氧化鉛為正極, 而兩種電極均浸於稀硫酸溶液所構成的一種電池 可用比重計測定溶液的比重, 來決定是否需要充電 鉛蓄電池在放電時, 下列相關的敘述, 哪些正確〇 96 學測 (A) 稀硫酸的濃度增大 (B) 稀硫酸的濃度減小 (C) 溶液的密度增大 (D) 溶液的密度減小 (E) 正極 負極的重量都增加 (F) 正極重量減少, 負極重量增加 85

88 10 海洋占地球表面積約 71%, 是生命的搖籃 海水儲量約為 億噸, 占地球總水量 97%, 不僅是寶貴的水資源, 也蘊藏著豐富的生物 礦物與能源 已知海水中含有鈾和 氘, 倘能妥善冺用並解決其後續的相關問題, 對解決能源問題會有相當大的助益 科學 家用聲納探測海洋地形與魚群位置 用溫鹽儀探測海水的溫度與鹽度等 有些國家也正 積極進行深層海水冺用 海水淡化 潮汐發電 海洋養殖 下列有關文中提及 鈾與氘 的敘述, 哪些正確〇 104 學測 (A) 臺灣核能發電是冺 用鈾 -235 進行核熔合反應 (B) 核反應遵守質能守恆定律, 符合愛因斯坦提出的質能互換 關係式 (C) 氫 ( 1 1 H ) 氘 ( 2 1 H ) 氚 ( 3 1 H ) 三元素稱為同素異形體 (D) 氘 ( 2 1 H ) 具有 1 個電子 2 個中子 (E) 氘與氧形成重水 (D 2 O), 化學性質與水相似 86

89 第 4 章化學與能源解答 4-1 能量與能源的簡介〆 例題 1 D 類題 1 D 例題 2 CDE 類題 2 ABC 例題 3 A 類題 3 (1) A 々 (2) B 々 (3) C 木人巷 一 單選題〆 1 D 2 A 3 D 4 C 5 E 6 B 7 D 8 D 9 C 二 多選題〆 10 BD 4-2 化石燃料〆 例題 1 E 類題 1 ACDE 例題 2 D 類題 2 CE 例題 3 C 類題 3 C 例題 4 C 類題 4 ADE 木人巷 一 單選題〆 1 C 2 B 3 C 4 C 5 B 6 D 7 A 8 E 9 A 10 D 11 C 12 E 13 B 14 A 15 C 16 D 17 D 18 B 19 B 二 多選題〆 20 CD 21 DE 22 ACD 23 ABCE 24 AE 25 AC 26 AD 27 CDE 28 ABDE 29 DE 87

90 4-3 其他能源〆 例題 1 E 類題 1 B 例題 2 D 類題 2 A 例題 3 D 類題 3 CD 例題 4 B 類題 4 B 例題 5 C 類題 5 ABD 例題 6 ABE 類題 6 BCDE 木人巷 一 單選題〆 1 C 2 C 3 B 4 D 5 E 6 D 7 B 8 E 9 B 10 C 11 C 12 E 13 E 14 D 15 B 16 E 二 多選題〆 17 A 18 AB 19 ACDE 20 AD 21 ABC 22 AB 23 BE 24 AC 25 BDE 26 DE 27 ACDE 三 題組〆 28 B 29 C 30 E 31 B 4-4 化學電池〆 例題 1 D 類題 1 BE 例題 2 B 類題 2 ABD 例題 3 B 類題 3 CDE 例題 4 CD 類題 4 D 例題 5 E 類題 5 ACE 例題 6 D 類題 6 A 例題 7 B 類題 7 A 木人巷 一 單選題〆 1 C 2 C 3 D 4 A 5 B 6 D 7 A 8 B 9 A 10 C 11 A 12 E 13 D 14 C 15 C 16 B 17 A 18 B 二 多選題〆 19 BD 20 AD 21 ABE 22 ADE 23 ABCD 24 BDE 25 CE 26 DE 27 ABDE 28 CE 29 ABD 30 AC 31 ABDE 32 ACE 33 AD 88

91 華山論劍 1 E 2 B 3 D 4 B 5 C 6 AE 7 BC 8 ABD 實驗四簡易化學電池組 例題 1 D 類題 1 ABCD 木人巷 一 單選題〆 1 C 2 D 3 C 4 A 5 C 6 D 二 多選題〆 7 AC 8 AC 9 ABDE 10 CDE 國戰 大考試題〆 一 單選題〆 1 A 2 D 3 E 4 A 5 E 6 A 7 D 二 多選題〆 8 CE 9 BDE 10 BE 解析〆 4-1 能量與能源的簡介〆 類題 1 能源危機指人類目前所能使用能源會愈來愈少的情形 89

92 例題 2 再生能源〆在短期內能自行補充, 能反覆使用 持續供應者, 如太陽能 水力 風 力 生質能 潮汐 地熱 海浪能 海洋熱能轉換等能源 類題 2 (1) 植物吸收太陽光行光合作用, 而把太陽能轉換成植物的化學能儲存起來 (2) 動物又以植物為糧食, 把植物的化學能轉換成動物的化學能 (3) 被埋在沼澤 地底的動 植物, 長年累月在地熱 地壓的作用下, 轉化成現今的主要能源, 例如煤 石油及天然氣等化石燃料 例題 3 若有 1 g 液化石油氣, 則 C 3 H 8 = 1 66 % =0.015 mol,c4 H 10 = 1 29 % =0.005 mol, 則燃燒共放熱 =47.400(kJ) 68 類題 3 (1)(2) 氫氣〆 2 =34 kcal 1 g 208 々甲烷〆 16 =13 kcal 1 g 526 々丙烷〆 44 =11.95 kcal 1 g 々 乙醇〆 =7.13 kcal 1 g 2545 々柴油〆 226 =11.26 kcal 1 g 94 々焦炭〆 12 =7.83 kcal 1 g (3) n 混合氣體 = =0.05(mol), nch 4 =0.05 =0.02(mol), nc 5 3 H 8 放出熱量 = =19.94(kcal) = =0.03(mol) 木人巷 一 單選題〆 1 煙火為化學能轉換成光能和熱能 3 (D) 化學能 力學能 4 (1) 再生能源〆在短期內能自行補充, 能反覆使用 持續供應者, 如太陽能 水力 風力 生質能 潮汐 地熱 海浪能 海洋熱能轉換等能源 (2) 非再生能源〆用過即無, 在短期內無法自行補充者, 必頇另外設法開發轉換採取, 如煤 石油 天然氣 廢熱 鈾等能源 90

93 5 (A) 電鍋 電能轉換為熱能々電視機 電能轉換為光能々吹風機 電能轉換為熱能 (B) 汽車 化學能轉換為力學能々電冰箱 電能轉換為力學能々電池 化學能轉換為電能 (C) 瓦斯爐 化學能轉換為熱能 (D) 日光燈 電能轉換為光能々電扇 電能轉換為力學能 6 同質量時, 氫氣為目前熱值最高的燃料 7 (A) 氣態燃料 > 液態燃料 > 固態燃料 (C) 汽油 > 煤油 > 柴油 (E) 甲烷 > 乙烷 > 丙烷 8 (D) 同溫 同壓時, 氣體的莫耳數正比於體積, 碳數愈多的烷類, 等莫耳數時, 放熱較多, 故天然氣的熱值 (kj/m 3 ) 小於液化石油氣 設天然氣共 1 kg,δh= =-9540(kcal kg -1 ) 30 二 多選題〆 10 (A) 光能 化學能 (C) 位能 動能 電能 (E) 化學能 熱能 力學能 電能 4-2 化石燃料〆 例題 1 (A) 乾餾為隔絕空氣加熱 (B) 乾餾為化學變化 (C) 應為煤氣 (D) 煤焦油即為 煤溚, 為芳香烴化合物的來源 類題 1 (B) 煤溚可作為提煉芳香烴的來源, 但不作為溶劑 例題 2 (A) 應為沸點 混合物 (B) 分餾塔愈高層的物質, 分子量愈小 (C) 原油分餾的產物仍為 類題 2 (C) 液化瓦斯〆丙烷和丁烷為主 (E) 石油醚為 5 ~ 6 個碳的烷類 例題 3 (A) 天然氣的臭味係因添加的硫醇, 甲烷是無味 無臭的氣體 (B) 應為分餾 石油的主成分為烷類 (D) 類題 3 (C) 煤氣的主要成分為 H 2 CH 4 CO 91

94 例題 4 (A) 辛烷值表示燃料抗震爆程度 (B) 辛烷值可大於異辛烷 (O.N. 值 =100) (D) 加氧汽油 ( 甲醇 乙醇 三級丁醇 甲基三級丁基醚 ) 可提高辛烷值 類題 4 (B) 並非含有 95% 異辛烷與 5% 正庚烷 (C) 改用無鉛汽油 木人巷 一 單選題〆 1 (C) 含鉛汽油除鉛汙染外, 亦造成觸媒轉化器中毒而失去功能 2 (B) 沸點 3 辛烷值 =20 10% % %=102 4 (A) 汽油的主要成分是 C 6 ~ C 12 的烷類 (B) 乾餾煤所得的煤氣主要成分是甲烷 氫 (D) 天然氣的主要成分是甲烷 (E) 瓦斯外洩時聞到的臭味是添加物的氣味 5 因為天然氣 石油 鹽水彼此不互溶, 依密度大小分布於各層, 所以由上至下依序為氣 油 水 6 (A) 煤溚為芳香烴的混合物 (B) 煤隔絕空氣中強熱稱為煤的乾餾 (C) 煤焦的成分為碳 (E) 煤氣為混合物 7 欲產生相同的熱量 (ΔH) 所需燃料莫耳數 H n CH4 = 208 所產生 CO2 莫耳數 H n CO2 = 208 H n C2 H 6 = 390 H n C3 H 8 = 528 H n C4 H 10 = 660 所產生 CO2 莫耳數 H n CO2 =2 390 所產生 CO2 莫耳數 H n CO2 =3 528 所產生 CO2 莫耳數 H n CO2 =4 660 H = 195 H = 176 H = 165 所產生 CO 2 量大小順序〆 (D)>(C)>(B)>(A) 8 (A) 是指辛烷值為 95 (B) 是指抗震爆能力愈好 (C) 甲苯易不完全燃燒 (D) 辛烷值 愈高 92

95 9 (B) 含碳量〆無煙煤 > 煙煤 > 褐煤 > 泥煤 (C) 煤氣的主成分為 H 2 CO 和 CH 4 (D)(E) 煤乾餾得到的氣體稱為煤氣, 為混合物 10 (A) 95 是指燃料的抗震值 (B) 辛烷值愈高, 抗震愈好, 震爆情形愈輕微 (C) 汽油主 要是 C 6 ~ C 12 之烷類, 天然氣主要成分為 CH 4 C 2 H 6 (D) 早期的汽油之抗震劑為四 乙基鉛 (E) 辛烷值可超過 100, 也可低於 0 11 (A) 天然氣的主要成分為 CH 4 (B) 水煤氣的主要成分為 CO 和 H 2 (D) 液化石油氣的 主要成分為 C 3 H 8 和 C 4 H (A) 含碳量和熱值大小順序〆無煙煤 > 煙煤 > 褐煤 > 泥煤 (B) 水煤氣為工業燃料而非 家庭燃料 (C) 煤的乾餾為化學變化 (D) 石油醚為 5 ~ 6 個碳的烷類 13 ( 甲 ) 石油分餾出來的產物仍為混合物 ( 乙 ) 分餾過程中, 愈上層的碳數愈少 14 (B) 應為無煙煤 (C) 應為煤氣 (D) 應為丙烷和丁烷 (E) 化石燃料為古代太陽能轉 換而成的能源 克的煤可以分冸產生 1 莫耳的 CO 和 H 2,2 22.4=44.8( 升 ) 16 (A) 石油氣的成分為 1 ~ 4 個碳的烷類 (B) 石油氣為無色 無味的氣體 (C) 僅甲烷 的密度小於空氣 17 ( 甲 )( 丙 ) 正確々 ( 乙 ) 應為四乙基鉛々 ( 丁 ) 98 無鉛汽油的辛烷值為 98, 至於其成分則有不同 的配製方法 ( 戊 ) 含鉛汽油中添加 1,2- 二溴乙烷, 可除去引擎中的鉛々 ( 己 ) 應為體積比 18 在汽油中添加醇類 甲基三級丁基醚等含氧化合物, 作為辛烷值提升劑, 此種汽油稱為 加氧汽油 19 (A) 原油分餾後的產物仍為混合物 (C) 應為高壓下液化成桶裝瓦斯 (D) 原油分餾的 產物不會含有鉛的化合物 (E) 丁出口所得的瀝青, 沸點最高, 但不為飛機燃油 二 多選題〆 20 (A) 石油分餾後的產物仍為混合物 (B) 沸點應為〆 A<B<C<D<E (E) 石油醚為 5 ~ 6 個碳的烷類 21 (A) 水煤氣的和丁烷 (B) 液化石油氣的主成分為丙烷和丁烷 (C) 石油醚的成分為 5 ~ 6 個 碳的烷類 93

96 22 (B) 95 無鉛汽油不是指含有 95% 體積的異辛烷, 而是汽油的抗震爆程度, 與體積 95% 異 辛烷 +5% 正庚烷相當 (E) 加氧汽油即是汽油加入甲醇 甲基三級丁基醚等有含氧元素的物質提高辛烷值 24 (B) 應為四乙基鉛 (C) 不一定, 只能說其辛烷值為 95 (D) 減少排放有毒廢氣 25 (B) 石油醚主要成分為戊烷與己烷 (D) 鉀與石油醚不反應 (E) 石油分餾的產物頇經 熱裂煉 重組反應及添加其他物質, 才可得 98 無鉛汽油 26 (B) 石油醚的成分為 5 ~ 6 個碳的烷類 (C) 汽油的分餾溫度較柴油低 (E) 加入四乙 基鉛之目的為提高辛烷值 27 (A) 不一定 (B) 抗震爆能力較 98 無鉛汽油差 28 (C) 煤氣 29 (A) 含碳量〆無煙煤 > 煙煤 > 褐煤 > 泥煤 (B) 煤乾餾後的氣態產物為煤氣 (C) 煤溚 為混合物 4-3 其他能源〆 例題 U 2He + b a X 原子序不滅〆 92=2+b b= 類題 Zn + Pb 272 M +x 1n , 原子序守恆〆 =272+x 1 x=2 例題 2 E=mc 2 E= ( ) 2 = (1 0.1% (3 10 ) ) 10 類題 = 例題 3 (A) 3% 以上 汙染 (B) 以鎘 硼製成控制棒吸收過剩中子 (C) 核廢料仍具有放射性 類題 3 (A) 核分裂來自 235 U 々核熔合來自兩種較輕原子核熔合 (B) 質量虧損轉變成核能 (E) 目前無法將核熔合商業化 94

97 類題 4 (A) 太陽能電池為直接將太陽能轉換為電能 (C) 臺灣交通號誌使用的 LED 是冺用 電能轉換成光能 (D) 應為無法充分冺用 例題 5 (A) 生質柴油為酯類, 石化柴油為烷類 (B) 生質柴油為再生能源 (D) 甘油為醇 類 類題 5 (C) 成分不同 例題 6 (C) 基隆並無適合潮汐發電的條件 (D) 目前電灣尚無波浪發電 類題 6 (A) 風力發電已在許可的環境下應用 木人巷 一 單選題〆 1 (C) 中子減速劑有〆石墨 重水 2 因 α 衰變的型式為 A 4 Z X 2He + A - 4 Z- 2 Y, 衰變的型式為 A Z X A Y Z+ 1, 即每次 α 衰變質量數會減少 4, 衰變原子序會增加 1, 由題圖可知共有 7 次 α 衰變,4 次 衰變 或由質量數守恆〆 = x 4+y x=7 々核電荷守恆〆 1 92 = 7 2+y (-1) y=4 3 由質能守恆 E=mc 2, 0.1 克之燃料放出之能量為 E= c 2 E= = ( 焦耳 ), 而 1 度電 = 焦耳, 故電能為 = ( 度電 ) 4 ( 甲 ) 核廢料仍有放射性 ( 乙 ) 核能為非再生能源 ( 丙 ) 核四廠仍為核分裂反應 5 (A) 火力發電的原料為化石燃料, 核電廠則為 235 U (B) 核電廠不生成 CO 2 (C) 核電廠以較少的質量生成較多的能量 (D) 均為非再生能源 6 (A) 核熔合 (B) 核分裂 (C) 射線破壞癌細胞, 而非用於殺死細菌或病毒 95

98 U n 33As n + b a x 電荷不滅〆 92+0=33+a a=59 々質量數不滅〆 235+1=86+3+b b=147 中子數 =147-59=88 8 (A) 因漲退潮之水位差不夠大, 臺灣並不適合潮汐發電 (B) 臺灣已有風力發電 (C) 洋流發電目前並無商業運轉 (D) 臺灣主要為火力發電 9 海洋溫差發電是冺用熱交換的原理, 首先抽取溫度較高的海洋表層水, 將熱交換器裡沸點不高的工作流體汽化, 冺用其蒸氣推動發電機發電, 再把蒸氣導入另一熱交換器, 冺用深層海水的低溫, 將其冷卻成液體, 形成一個工作循環, 表層海水的溫度一般為 25, 深層則約為 2, 故工作流體的沸點範圍約在 2 ~ 25 之間 10 (A) 應為辛烷值為 98 (B) 應為臺灣第六座輕油裂解廠 (D) 應為質量數為 60 的 Co 原 子 11 (A) 太陽的反應為核熔合 (B) 水力 風力能和太陽能亦已大量開發 (D) 潮汐亦受月 亮 太陽的影響 (E) 太陽能電池不消耗物質, 為一種物理電池 12 ( 甲 ) 風力發電已在許可的環境下應用 ( 己 ) 應為核廢料的處理 13 (E) 沼氣發電是生質能的一種 14 (D) 潮汐亦受月球 太陽的影響 15 臺灣沿海潮差過低, 又缺乏天然海灣配合, 目前尚難以應用潮汐發電 16 (E) 使用生質能時, 亦會排放二氧化碳 二 多選題〆 (B) 質量虧損轉變成能量 (C) 放射性強度與溫度無關 (D) 核分裂所使用 92 U 濃度很低, 不會發生類似原子彈爆炸 (E) 應為核分裂而非核熔合 18 (D) 不適合開發潮汐發電廠 (E) 臺灣新竹 桃園及澎湖七美有風力發電廠 96

99 19 (A) 控制棒目的為吸收中子, 使得中子數目減少變成慢中子 (C) 燃料棒 ( 235 U) 具有放射性, 反應後的產物也具有放射性汙染 (D) 核能的產生是由於質量虧損轉變而成, 非電子組態的改變 (E) 高溫蒸氣含有放射性物質的微粒 20 (B) X 為中子 1 0 n (C) 1 1 H 2 1 H 和 3 1 H 互為同位素 (E) 目前核能發電均為核分裂型 式 (D) 核分裂所使用 92 U 濃度很低, 不會發生類似原子彈爆炸 22 (C)(E) 火力發電廠目前仍是臺灣主要發電來源 (D) 台灣位處環太帄洋火山帶, 多處山 區顯示具有地熱蘊藏, 理論蘊藏量約有 100 萬瓩, 極具發展潛力的替代能源 23 (B) 甘蔗渣發酵成酒精是一種生質能的應用 (E) 冷媒作用僅涉及冷媒相變, 屬於物理變 化 24 (B) 冺用波浪上下運動產生的壓力來壓縮空氣, 以推動空氣渦輪發電 (D) 應為鈾 -235 (E) 成本不一定高 (A) 核分裂以 92 U 為原料々核熔合以 2 1 H 與 3 1 H 為原料 (B) 核能產生原因皆由質量虧損所轉變成核能 E=mc 2 (C) 核分裂有核廢料汙染與熱汙染 核熔合無核廢料汙染 26 (A) 冺用漲 退潮的水位差 (B) 太陽能電池轉換效率仍不高 (C) 為物理變化 三 題組〆 28 由題圖可知,20 個 H 2 O 構成的籠狀結構中有 1 個 CH 4 29 甲烷冰是一種在低溫 高壓下的穩定結晶 甲烷冰中有機碳 = = ( 克 ) 々 故化石燃料中有機碳 = = ( 克 ) 31 開採甲烷冰可能造成地質災害, 如海底地層斷裂 海底塌陷 邊坡崩落, 甚至引起海嘯々 又甲烷的溫室效應比二氧化碳大很多, 亦可能對氣候造成很大的影響 97

100 4-4 化學電池〆 例題 1 (D) 負極所產生的電子由外電路傳至正極 類題 1 電子只能在金屬導線中運動 例題 2 甲杯為鋅片和硫酸鋅, 乙杯為銅片和硫酸銅, 乙杯的銅片可用鉑 (Pt) 取代 類題 2 (C) Zn 是陽極 (-),Cu 是陰極 (+) (E) 鹽橋中, 陽離子 K + 游向陰極, 陰離子 (NO 3 -) 游向陽極 (-) 例題 3 (B) 鋅片發生氧化反應〆 Zn (s) Zn 2+ (aq)+2e - (C) 電池反應為〆 Zn (s) +2NH 4 Cl (aq) + 2MnO 2(s) Zn(NH 3 ) 2 Cl 2(s) +Mn 2 O 3(s) +H 2 O ( ) 類題 3 (A) Zn (s) Zn 2+ (aq)+2e - 為陽極反應 (B) 碳棒為陰極 例題 4 (A) Pb 為負極 (B) H 2 SO 4 為電解質 (E) SO 4 2- 向兩極移動 類題 4 (D) 充電時, 直流電源正極與 PbO 2 極相連 例題 5 (E) 應接電源的負極 類題 5 (A) 過氯酸鋰的有機溶劑 (C) 鋰離子電池的反應可表示為 Li x C 6(s) +Li 1 -xmo 2(s) (E) 充電時,Li x C 6 端應接電源的負極 放電 充電 C 6(s) +LiMO 2(s) 例題 6 (A) 氧氣被氫氣還原, 氫氣被氧氣氧化 (B) 氧氣在陰極還原, 氫氣在陽極氧化 (C) 電子從鎳極經外電路移向氧化鎳極 (D) 反應為 2H 2 +O 2 2H 2 O, 故 ph 值下 降 類題 6 (A) CH 3 OH+H 2 O CO 2 +6H + +6e - (B) 氧氣被甲醇還原 (C) 電子流的流動方向 為甲醇 氧氣々電流方向則相反 (D) 2CH 3 OH+3O 2 2CO 2 +4H 2 O 例題 7 電極中含有 Hg- 汞汙染 ( 水俣病 ) 電極中含有 Cd- 痛痛病 電極中含有 Pb- 鉛中毒及神經異常 電池中之電解液對土壤及水質也有不良影響 98

101 木人巷 一 單選題〆 1 (A)Zn + 2 H (B)Zn + 2 Cu (C)Zn + 2 Ag 2 Zn 2 Zn 2 Zn + H 2,X 不改變, Y 會變細 + Cu,X 變細,Y 變粗 + 2Ag,X 變粗,Y 變細 (D)Fe + 2 Ag Fe 2 + 2Ag,X 變細,Y 變粗 (E) 不反應 2 金屬活性差異愈大, 則電流愈大, 且活性 Y>X, 故選 (C) 3 鋅銀電池中不可以 HCl 作鹽橋電解質, 因 Cl - 與 Ag + 可生成 AgCl 沉澱 4 電池放電時, 電子由負極移向正極, 而電解質溶液陰離子移向負 ( 陽 ) 極, 陽離子移向正 ( 陰 ) 極 5 (A) 鋅片重量減輕 (C) 鋅是陽極, 也是負極 (D) 進行氧化還原反應 (E) 鹽橋中的 陽離子移向銅極, 陰離子移向鋅極 6 (A) Zn 片接伏特計的 - 極,Cu 片接 + 極 (B) Zn 片為陽極,Cu 片為陰極 (C) 由 Zn (s) +Cu 2+ (aq) Zn 2+ (aq)+cu (s) 可知,[Cu 2+ ] 降低, 故藍色變淡 (E) NO 3 - 移向 Zn 極 7 (A) 碳鋅電池之鋅為負極 ( 陽極 ), 碳為正極 ( 陰極 ) 8 (A) 金屬導線內電子在移動々鹽橋內溶液中靠離子游動 (C) 鋅銅電池, 鋅為陽極 (-), 銅為陰極 (+), 電子由 Zn Cu (D) 乙燒杯 Cu 2+ +2e - Cu, 溶液的 [Cu 2+ ] 逐漸減少 藍色變淡 9 (A) 為酸性電解質之一次電池 ( 或原電池 ) 10 鉛蓄電池放電的反應為〆 Pb+PbO 2 +2H 2 SO 4 2PbSO 4 +2H 2 O (A) 陽極為 Pb (B) 每個鉛蓄電池電壓 2 V (D) 放電時 H 2 SO 4 濃度變小 (E) 充電時電池正極與外電源正極相接 99

102 11 由 Pb+PbO 2 +2H 2 SO 4 2F 重 64 克 2PbSO 4 +2H 2 O, 當放電 2 法拉第時, 甲增重 96 克, 乙增 12 (E) 充電時,Pb 接直流電源的負極 13 (A)(B) 重量改變量為 48 〆 32=3 〆 2 (C) 電壓為 2 伏特 (E) 密度減小 14 由 Pb+PbO 2 +2H 2 SO 4 2PbSO 4 +2H 2 O (A) 應為 36 克 (B) 應為 96 克 (D) 應為 196 克 15 由題圖的圖形可知, 丙 丁電池的電壓最穩定, 但是丁電池使用時間較短, 故選丙 16 (B) 陽極通入 H 2(g) 々陰極通入 O 2(g) 17 ( 甲 ) 標示 + - 極 ( 戊 ) 以直流電充電 18 (B) 鋅銅電池放電時, 鋅極質量減輕, 銅極質量增加 二 多選題〆 19 (A) 由反應式〆 2H 2(g) +O 2(g) 2H 2 O ( ) 可知,H 2 是被 O 2 氧化, 而 O 2 則被 H 2 還原 (C) 應為將化學能轉換成電能 (E) 每消耗 1 莫耳 O 2, 可產生 4 法拉第電量 20 (B)(C) 由反應式〆 Cu (s) +2Ag + (aq) Cu 2+ (aq)+2ag (s) 可知 Cu 為陽極 ( 負極 ), 發生氧化反 應 (E) 因 Cl - (aq)+ag + (aq) AgCl (s), 故不宜以 KCl 作為鹽橋的材料 21 (C) 應為串聯 (D) 電壓與電極面積無關 22 由 CH 3 OH+6OH - CO 2 +6e - +5H 2 O (B) 應為 6 莫耳電子 (C) 電子由陽極經外電路移動到陰極 23 鋅銅電池反應〆 Zn+Cu 2+ Zn 2+ +Cu (E) 陰極增加 (63.5 n) 克, 陽極將減少 (65.4 n) 克, 兩者重量變化不等 100

103 24 (A) 陽離子數目減少 2Ag + Zn 2+ (B) 減少 x 個 Zn, 增加 2x 個銀,108 2x-65.4 x>0 (C) 陽離子游向陰極 (+) 即 Ag 極棒 (D) 陽極金屬活性愈大, 陰極金屬活性愈小, 則 電壓愈大 25 (A) 乾電池內部為溶液狀態 (B) 鉛蓄電池頇用直流電充電 (C) 鹼性電池含鋅 錳, 水銀電池含汞, 鎳鎘電池含鎘等, 皆會造成重金屬汙染 (D) 理論上, 燃料電池的能量轉換效率大於燃料直接燃燒的能量轉換效率 (E) 太陽能電池上的晶片會將光轉變成電能, 無需電解液 26 (A)(E) 碳棒為陰極,MnO 2 為氧化劑 (B) 乾電池內部的組成為糊狀的水溶液 (C) 電解液含 NH 4 Cl 和 ZnCl 2 27 (C) 一般市售的乾電池, 電壓值與外型大小無關 28 (A) 燃料電池直接將化學能轉變為電能 (B) 陰極通入 O 2, 發生還原反應々陽極通入 H 2, 發生氧化反應 (D) 反應為 2H 2(g) +O 2(g) 2H 2 O ( ), 故 [OH - ] 會下降 29 (C) 不影響電壓 (E) 糖不是電解質 30 (B) 銅箔為陰極 (D) 電壓與銅箔面積無關 (E) 銅箔為惰性電極, 換成碳棒不影響電壓 31 (C) 氫氣在陽極氧化, 氧氣在陰極還原 32 (B) 充電時, 由電能轉變成化學能 (D) 陽極發生氧化反應 33 (A)(B) 反應為 2H 2 +O 2 2H 2 O,H 2 在陽極被氧化, 為還原劑,O 2 在陰極被還原, 為氧化劑 (C) 電子流由甲電極經外電路流向乙電極, 電流方向則相反 (E) 目的為增加接觸面積, 電壓不受影響 華山論劍 1 (A)(D) 陽極氧化半反應式為 C 2 H 5 OH+3H 2 O 2CO 2 +12e - +12H + 々陰極還原半反應式為 3O 2 +12e - +12H + 6H 2 O 々全反應式為 C 2 H 5 OH+3O 2 2CO 2 +3H 2 O (B) 1 莫耳 C 2 H 5 OH 失去 12 莫耳電子 (C) 1 莫耳 O 2 得到 4 莫耳電子 2 (A) 放出電子傾向〆 Y 金屬 >X 金屬 (C) 在充電過程中,X 失去電子 (D) 放電後, 因 水量減少, 則 [OH - ] 上升, 故 ph 值增加 101

104 3 (A) 檸檬汁液當作電解質 (B) 活性不同會有電流產生 (C) 雖有酸鹼中和現象, 但檸檬 汁液為過量試劑 電流會改變但不會消失 (D) 活性〆 Mg>Zn>Cu (E) 冺用氧化還原反應〆 Zn(-) 〆 Zn Zn 2+ +2e - 々 Cu(+) 〆 2H + +2e - H 2 4 (B) 氯化鋅溶液是酸性 5 由 Y 極〆 4H 2 O+2O 2 +8e - 8OH - 的反應式可知, 每 2 莫耳氧氣反應掉時應轉移電子 8 莫 耳, 而標準狀況下,5.6 升氧氣等於 0.25 莫耳, 故應轉移電子 1.0 莫耳 6 (B) 負極應接負極 (C) 鉛蓄電池充電後, 陰 陽兩極的電極質量均減輕 (D) 充電後, 鉛蓄電池的硫酸濃度增加 7 (A) 鉛極 ( 負極 ) 應接燃料電池的 Ni 極 ( 負極 ) (C) 燃料電池消耗 1 莫耳 H 2 和 0.5 莫耳 O 2 時, 會放出 2 莫耳電子, 可使鉛蓄電池充電生 %+2 98 成 2 莫耳 H 2 SO 4 和消耗 2 莫耳 H 2 O, 故 H 2 SO 4 濃度 = 100%= % (D) 燃料電池之 ph 值減小 (E) 由 2H 2 +O 2 2H 2 O 可知,H 2 被 O 2 氧化,O 2 被 H 2 還原 8 (C) 電池放電時, 電子由負極 ( 陽極 ) 通過外電路流向正極 ( 陰極 ) (E) 每生成 0.01 莫 耳氧氣, 需電量 0.04 F= ( 庫侖 )=3860( 庫侖 ) 實驗四簡易化學電池組 例題 1 金屬還原力差異愈大, 電壓愈大 類題 1 (E) 銀棒為陰 (+) 極, 發生還原反應 木人巷 一 單選題〆 1 鹽橋內的物質不可和兩極的物質發生反應 (A) 會生成 AgCl 沉澱 (B) Zn+Cu 2+ Zn 2+ +Cu (D) 會生成 Zn(OH) 2 及 Ag 2 O 沉澱 (E) AgCl 難溶於水 102

105 2 電池反應為 Cu (s) +2Ag + (aq) Cu 2+ (aq)+2ag (s) (A) Ag + 濃度減少 (B) Cu 電極質量減少 (C) 電壓變為 0 (E) 顏色漸深 3 (C) 該反應式為 Zn (s) +2Ag + (aq) Zn 2+ (aq)+2ag (s), 故溶解 1 莫耳鋅 65 克, 會析出 2 莫耳銀 216 克, 固體總質量增加 4 (1) 全反應式為 Zn+2Ag + Zn 2+ +2Ag (2) Zn 為陽極,Ag 為陰極 (3) Zn 為負極,Ag 為正極 (4) 反應後質量不會改變 (5) 因 KCl 會和 Ag + 生成 AgCl 沉澱, 故不可用 僅 (3) 正確 5 (C) 由 Cu (s) +2Ag + (aq) Cu 2+ (aq)+2ag (s), 溶液中陽離子總莫耳數減少 6 (1) 金屬離子化傾向〆 B>A (2) 金屬離子化傾向〆 D>B (3) 金屬離子化傾向〆 D>A (4) 金屬離子化傾向〆 A>E (5) 金屬離子化傾向〆 E>C 綜合 (1) ~ (5) 得知〆金屬離子化傾向〆 D>B>A>E>C 7 (B) Al 為負 ( 陽 ) 極 Cu 為正 ( 陰 ) 極 (D) NO 3 - 向負極 (Al) 移動 (E) 藍色變淡 8 Cu (s) +2Ag + (aq) Cu 2+ (aq) + 2Ag (s) (-) (+) (A) 電子由銅極經外電路流向銀極 (C) 陽離子的莫耳數減少 9 (A) Zn+2Ag + Zn 2+ +2Ag (B) Ag 為陰極 (D) 總質量不變 (E) 鋅銀電池中不可以 KCl 作鹽橋, 因 Cl - 與 Ag + 生成 AgCl 沉澱 10 (A) 不需要方形電池 (B) 鋅銀電池的電壓較鋅銅電池為大, 因金屬離子化的傾向相差 比較大 (C) 反應為 Ni (s) +Cu 2+ (aq) Ni 2+ (aq)+cu (s),[cu 2+ ] 降低, 顏色變淺,[Ni 2+ ] 增 加, 顏色加深 (E) 電池的陰極電極可用惰性電極取代 103

106 國戰 大考試題〆 一 單選題〆 U 82Pb +x 2He +y 0 4-1e( 〆 2 He 々 〆 0 1e 質量數守恆〆 238=206+x 4 x=8 - ) 原子序守恆〆 92=82+x 2+y (-1) y=6 2 (D) 電池是將化學能 ( 氧化還原反應 ) 轉成電能的裝置, 其中電子由負極 ( 陽極 ) 經由導 線到正極 ( 陰極 ), 故電子走外電路, 而離子走內電路 3 (A) 核分裂以 235 U 為原料々核熔合以 2 1H H 2He n (B) 核熔合所釋放能量來自質量虧損轉變成能量 (C) 核分裂有核廢料汙染 (E) 冺用核分裂用於核能發電 5 (B) Mn O2 當去極劑及氧化劑 (C)(D) Zn 為負極, 石墨棒為正極, 但本身為惰性電極, 不發生反應 U n 56Ba + w Kr +x 1 0 n 原子序守恆〆 92+0=56+w+x 0 w=36 々 質量數守恆〆 235+1= x 1 x=3 7 根據文章的敘述, 有提到〆可以永續經營, 需考慮製備成本等, 而 ( 甲 ) 能源零消耗 ( 丁 ) 零 汙染及 ( 戊 ) 冺用基因改造生物並未提及, 故選 (A) 二 多選題〆 8 陽極 ( 鋅 ) 〆 Zn (s) Zn (aq) 2+ +2e - 々 陰極 ( 碳棒 ) 〆 2NH 4 + (aq) +2e - 2NH 3(g) +H 2(g) 2MnO 2(s) +H 2(g) Mn 2 O 3(s) +H 2 O ( ) 鉛蓄電池放電過程中 ( 放出 2 莫耳電子 ) (1) Pb 電極增重 96 克々 PbO 2 電極增重 64 克 兩電極共增重 96+64=160( 克 ) (2) 電解液液重減少 160 克 造成電解液 (H 2 SO 4 ) 濃度會降低々其密度也會減小 104

107 10 (A) 臺灣核能發電是冺用鈾 -235 進行 核分裂 反應 (C) 氫 ( 1 1 H ) 氘( 2 1 H ) 氚( 3 1 H ) 三者互為同位素 (D) 一個氘 ( 2 1 H ) 中具有 1 個電子和 1 個中子 (E) 同位素所形成的化合物之間, 化學性質相似 105

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