鋅炭電池、惰性電極電池與燃料電池：練習題

某氫氧燃料電池以濃 \(KOH(aq)\) 作為電解質。當電池向外供電一段時間後，發現消耗了在標準溫度及壓力下（S.T.P.）體積為 \(6.72\, \text{dm}^3\) 的氫氣。下列哪項敘述是正確的？
(已知：法拉第常數 \(F = 96500\, \text{C mol}^{-1}\)；S.T.P. 下氣體的摩爾體積為 \(22.4\, \text{dm}^3\, \text{mol}^{-1}\)；相對原子質量：\(H = 1.0, O = 16.0\))

考慮一個氫氧燃料電池，其電解質最初是濃氫氧化鉀水溶液（鹼性）。如果將電解質轉換為稀硫酸水溶液（酸性），下列哪項關於該燃料電池電極反應的敘述是正確的？

氫氧燃料電池(Hydrogen-Oxygen Fuel Cell)可使用不同的電解質運作，例如在鹼性條件下使用濃氫氧化鉀水溶液，或在酸性條件下使用稀硫酸水溶液。假設在標準溫度和壓力下操作此燃料電池，並使用惰性電極。下列哪項關於該燃料電池在鹼性條件下與酸性條件下運作的比較是正確的？

在一個使用酸性電解質的氫氧燃料電池中，請寫出氧電極（正極）所發生的半反應式。

在設計氫氧燃料電池時，電極通常採用多孔結構。試簡述這種設計對提升電池效能的作用。

氫氧燃料電池常使用多孔碳材料作為電極，並添加鉑等催化劑。考慮一個在鹼性介質（如 KOH 水溶液）中運作的電池，請寫出陰極所發生的半反應式，並從物質傳遞與反應動力學的角度，簡述電極採用「多孔」結構的主要目的。

化學電池是將化學能轉化為電能的裝置。有些化學電池使用惰性電極。

考慮一個由惰性鉑（Pt）電極組成的化學電池，其中一個半電池含有 $$I_2\text{(aq)}$$ 和 $$I^-\text{(aq)}$$ 溶液，另一個半電池含有 $$Fe^{2+}\text{(aq)}$$ 和 $$Fe^{3+}\text{(aq)}$$ 溶液。鹽橋連接兩個半電池。已知標準電極電位為：

$$Fe^{3+}\text{(aq)} + e^- \rightleftharpoons Fe^{2+}\text{(aq)} \quad E^\circ = +0.77 \text{ V}$$
$$I_2\text{(aq)} + 2e^- \rightleftharpoons 2I^-\text{(aq)} \quad E^\circ = +0.54 \text{ V}$$

a) 指出在此化學電池中，哪個電極是陽極，哪個電極是陰極？解釋你的答案。

b) 寫出在陽極和陰極發生的半反應式，並寫出此電池的總離子方程式。

c) 描述電子在外部電路中的流動方向。