聯招化學·電化學：電極材料與電流效率

題目性質：自編仿真題——題目、材料、選項、數據與情境均為按課程標準與聯招常見考點獨立編寫的原創仿真題，非真題原文，未取自任何題庫、教輔或試卷；解析與採分點為教研整理，非官方評分標準。

一、考點定位與做題順序

先把效率定義寫死：η = n(用於目標反應的 e⁻) / n(通過的總 e⁻) × 100%。總電子由 Q/F 算（本題自編取 F=9.65×10⁴ C/mol），目標電子由目標產物的物質的量 × 每摩爾所需電子數算；剩下的電子必然去了副反應，用電子守恆就能全部對上。

電極材料（或催化劑）改變的是過電位與反應路徑的選擇性，也就是「電子更願意走哪條路」；它不改變反應的熱力學平衡、不改變化學計量關係，也不改變「1 mol 二價金屬需 2 mol e⁻」這類守恆關係。這一點是判斷題的常設陷阱。下面體系、代號、電量與產量均為自編示意，不代表真實體系或工藝參數。

二、題目呈現

自編示意體系（非真實工藝）

某自編電解體系，陰極目標反應為 M²⁺ + 2e⁻ → M（M 代指某二價金屬，自編取摩爾質量 64.0 g/mol），主要副反應為析氫 2H⁺ + 2e⁻ → H₂↑。一次實驗通入電量 Q = 9650 C，F 取 9.65×10⁴ C/mol，標準狀況氣體摩爾體積取 22.4 L/mol。用電極材料 X 時，陰極實際析出 M 0.0400 mol。

題1（計算）

(1) 求通過的總電子 n(e⁻)；

(2) 求用於析出 M 的電子，以及用於副反應的電子；

(3) 求副反應生成的 H₂ 的物質的量與標況體積；

(4) 求電流效率 η 與析出 M 的質量。

題2（計算＋比較）

換用電極材料 Y 後，其他條件不變，電流效率提高到 95.0%。

(1) 求此時析出 M 的物質的量與質量；

(2) 求副反應電子與 H₂ 體積；

(3) 與材料 X 相比，M 的質量提高了百分之多少？用電子守恆回代檢驗。

題3（判斷＋說明）

判斷下列說法是否正確，並各給一句理由：

① 換用 Y 後，M²⁺ + 2e⁻ → M 的化學計量比變成 1:1；

② 電極材料改變了該反應的平衡常數，所以效率才提高；

③ 電流效率提高意味著通過的總電量減少了；

④ 若 η=100%，則副反應電子為 0，H₂ 體積為 0。

三、分步解析

題1 (1)　n(e⁻)總 = Q/F = 9650 / 96500 = 0.100 mol。回代：0.100×96500 = 9650 C ✓。

題1 (2)　析出 M 0.0400 mol，每 mol M 需 2 mol e⁻，故 n(e⁻)目標 = 0.0400×2 = 0.0800 mol。由電子守恆，n(e⁻)副 = 0.100 − 0.0800 = 0.0200 mol。回代：0.0800+0.0200 = 0.100 mol ✓。

題1 (3)　析氫反應 2H⁺ + 2e⁻ → H₂，每 2 mol e⁻ 得 1 mol H₂，故 n(H₂) = 0.0200/2 = 0.0100 mol，標況 V(H₂) = 0.0100×22.4 = 0.224 L（224 mL）。回代：2×0.0100 = 0.0200 mol e⁻，與 (2) 的副反應電子一致 ✓。

題1 (4)　η = 0.0800/0.100 ×100% = 80.0%。m(M) = 0.0400×64.0 = 2.56 g。回代：η×n(e⁻)總/2 = 0.80×0.100/2 = 0.0400 mol = 實際析出量 ✓。

題2 (1)　η=95.0%，n(e⁻)目標 = 0.100×0.950 = 0.0950 mol，故 n(M) = 0.0950/2 = 0.0475 mol，m(M) = 0.0475×64.0 = 3.04 g。回代：0.0475×2 = 0.0950 mol e⁻ ✓。

題2 (2)　n(e⁻)副 = 0.100 − 0.0950 = 0.00500 mol，n(H₂)=0.00500/2 = 0.00250 mol，V(H₂)=0.00250×22.4 = 0.0560 L（56.0 mL）。回代：0.0950+0.00500 = 0.100 mol ✓；2×0.00250 = 0.00500 ✓。

題2 (3)　質量提升 =(3.04 − 2.56)/2.56 = 0.48/2.56 = 18.75%。也可由效率直接算：0.0475/0.0400 = 1.1875 ✓。電子守恆回代：材料 X 為 0.0800+0.0200=0.100，材料 Y 為 0.0950+0.00500=0.100，兩次總電子相同、只是分配不同，印證「換電極改變的是分配比例而不是總量」✓。

題3　① 錯誤：M²⁺ + 2e⁻ → M 由化合價決定，換電極不改變每 mol M 需 2 mol e⁻ 的計量關係；變的只是有多少電子走了這條路。② 錯誤：平衡常數由溫度與反應本身決定，電極材料/催化劑改變的是過電位與動力學選擇性（抑制析氫副反應），不改熱力學平衡。③ 錯誤：本組兩次 Q 都是 9650 C、總電子都是 0.100 mol；效率提高是目標電子佔比上升，不是總電量減少。④ 正確：η=100% 即全部 0.100 mol e⁻ 用於析 M，副反應電子為 0，故 n(H₂)=0、V(H₂)=0；此時 n(M)=0.100/2=0.0500 mol、m=3.20 g。一致性核對：3.20 g 是同樣電量下的理論上限，2.56 g（80%）與 3.04 g（95%）都低於它且比例吻合 ✓。

四、採分點對照

五、高頻易錯點

• 把電流效率當成「產物質量 / 總質量」，不用電子守恆算，副反應電子就對不上。
• 析氫時忘記 2e⁻ 對應 1 mol H₂，體積算成兩倍。
• 以為效率提高是總電量變少：本組 Q 與 n(e⁻)總兩次完全相同。
• 說「電極材料改變平衡常數」：它改的是過電位與選擇性，不是 K。
• 把自編 M、X/Y、Q 與 η 當真實工藝參數；本文數據只用於守恆與比例訓練。

六、小結與自查清單

• □ 先由 Q/F 求總電子，再由產物×化合價求目標電子，兩者相減得副反應電子。
• □ 副反應氣體按「每 2 mol e⁻ 出 1 mol H₂」換算，並回代電子守恆。
• □ 效率提高時先確認總電量是否變化，別把「佔比」當「總量」。
• □ 判斷題區分動力學選擇性（過電位）與熱力學平衡（K）。
• □ 把 η=100% 當理論上限，核對各次產量都低於它且比例一致。

電流效率說到底是一份電子的分配賬：總量由 Q/F 定死，電極材料決定多少走目標、多少走副反應，兩段相加必須剛好等於總量。換材料不改計量比、不改 K，只改分配；把這本賬算平，產量、氣體體積與效率就都自洽了。本組體系、代號、電量、產量與效率均為原創自編示意數據，不代表真實體系或工藝參數。