民國115年 高考三級 化學工程 化學程序工業（包括質能均衡、分析化學、儀器分析）
第1題
氫氧化鈉（NaOH）常利用鹽水溶液（NaCl, H2O）經電解程序加以製 備，而生產過程會衍生氯氣（Cl2）及氫氣（H2）。若進料鹽水溶液之 濃度為40 wt%…
題目
氫氧化鈉（NaOH）常利用鹽水溶液（NaCl, H2O）經電解程序加以製 備，而生產過程會衍生氯氣（Cl2）及氫氣（H2）。若進料鹽水溶液之 濃度為40 wt%，產物組成為44 wt% NaOH、6 wt% NaCl 及50 wt% H2O。 （MCl2 = 71 g/mol；MNaCl = 58.5 g/mol；MNaOH = 40 g/mol；MH2O = 18 g/mol） 試求： 食鹽（NaCl）轉化為氫氧化鈉之百分比？（10 分） 製備100 kg 產物時，所生成之氯氣及氫氣重量（kg）？（10 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、反應式與解題基準：氯鹼工業以電解食鹽水製造氫氧化鈉，總反應式為 2NaCl + 2H2O → 2NaOH + Cl2 + H2，即每生成 1 mol NaOH 需消耗 1 mol NaCl，並副產 0.5 mol Cl2 與 0.5 mol H2。題目未給進料量，故以 100 kg 產物為基準（basis），先由產物組成換算各物種莫耳數，再由 NaCl 之平衡求進料量與轉化率。
- 二、轉化率計算：產物中 NaOH 為 44/40 = 1.1 kmol，NaCl 為 6/58.5 = 0.1026 kmol，H2O 為 50/18 = 2.778 kmol。由計量關係，生成 1.1 kmol NaOH 必消耗 1.1 kmol NaCl（即 64.35 kg），故進料 NaCl = 64.35 + 6 = 70.35 kg（1.2026 kmol）。轉化率 X = 反應量/進料量 = 1.1/1.2026 = 0.9147，約 91.5%。
- 三、氯氣與氫氣生成量：副產物莫耳數為 NaOH 之半，n(Cl2) = n(H2) = 0.55 kmol。Cl2 重量 = 0.55 × 71 = 39.05 kg；H2 重量 = 0.55 × 2 = 1.1 kg（題未列 M(H2)，取 2 g/mol）。可查核：產物 44 + 6 + 50 = 100 kg，氣體 39.05 + 1.1 = 40.15 kg，合計 140.15 kg 為出口總質量。
- 四、結果討論與限制：以 40 wt% 反推進料量為 70.35/0.4 = 175.9 kg，其中水 105.5 kg，扣除反應消耗 1.1 kmol（19.8 kg）後應剩 85.7 kg，與題設產物含 50 kg 水不符，顯示題給組成在水平衡上並不封閉（進出口差 35.7 kg）。考生宜註明本題僅以 NaCl 平衡求解，此為一般教科書慣用處理；實務上須補充洗滌水、循環鹵水或蒸發濃縮之資料，方能完全閉合，並須以離子交換膜電解槽與精製鹽水避免雜質干擾。
AI 依官方試題文字產生的參考解答，非考選部公告答案，內容僅供備考參考。