高考申論題
105年
[環境工程] 環境化學與環境微生物學
第 一 題
📖 題組：
水庫優養化現象會造成水質的層化，使水庫的水質同時存在好氧及厭氧狀態。一般優養化現象可添加銅離子（Cu）來控制藻類的生長，經原子吸收光譜儀（AAS）分析後，某水庫的水體含有 0.1 mg/L 的銅離子。二價銅（Cu2+）還原成一價銅（Cu+）在 25℃的標準還原電位（E0）為 0.16 V，氧氣（O2）還原成水（H2O）的標準還原電位為 1.23 V，反應式如下，請回答下列問題： Cu2+ + e- → Cu+ E0 = +0.16 V 1/4 O2 + H+ + e- → 1/2 H2O E0 = +1.23 V
水庫優養化現象會造成水質的層化，使水庫的水質同時存在好氧及厭氧狀態。一般優養化現象可添加銅離子（Cu）來控制藻類的生長，經原子吸收光譜儀（AAS）分析後，某水庫的水體含有 0.1 mg/L 的銅離子。二價銅（Cu2+）還原成一價銅（Cu+）在 25℃的標準還原電位（E0）為 0.16 V，氧氣（O2）還原成水（H2O）的標準還原電位為 1.23 V，反應式如下，請回答下列問題： Cu2+ + e- → Cu+ E0 = +0.16 V 1/4 O2 + H+ + e- → 1/2 H2O E0 = +1.23 V
📝 此題為申論題，共 4 小題
小題 (一)
pE 值為-4 時，請計算此時水體中 Cu2+與 Cu+的濃度。（5 分）
思路引導 VIP
本題測驗水化學中的氧化還原平衡（pE 系統）。解題時應先將標準還原電位（E0）轉換為標準電子活度（pE0），再代入 Nernst 方程式求出特定 pE 條件下氧化態與還原態的濃度比值，最後利用質量平衡條件（總銅濃度）解出各自的精確濃度。
小題 (二)
請說明 pH 值對水庫表面水氧化還原電位的影響。（5 分）
思路引導 VIP
遇到氧化還原電位與環境因子（如pH）關係的題目，首要寫出主導反應的化學式，並代入能斯特方程式（Nernst Equation）。透過分析方程式中的氫離子濃度 [H+] 對整體電位 (E) 的數學關係，即可準確推導出 pH 值變化對氧化還原電位的具體影響趨勢與數值。
小題 (三)
當優養化使水庫水質的 pH 值上升至 10.0 時，請計算此時水庫表面水體 Cu2+與 Cu+的濃度。（5 分）
思路引導 VIP
看到表面水體的氧化還原狀態，應先想到系統電位 (E) 或電子活度 (pe) 由大氣中的氧氣與水質 pH 值共同決定。利用 Nernst 方程式計算出氧氣半反應的系統電位後，再將此電位代入銅離子的半反應，即可求出 [Cu2+]/[Cu+] 的濃度比例，最後結合質量平衡解出各別濃度。
小題 (四)
BOD放流水標準為30ppm,SO2濃度為250ppm。這兩種 ppm有無差別?
思路引導 VIP
看到這題，首先要聯想到「介質」的不同（水質 vs. 大氣）。水質的 ppm 是基於質量/體積比（假設水密度為 1 kg/L，即 mg/L）；而氣體的 ppm 預設為體積/體積比（ppmv，即 mL/m³），兩者的物理意義、因次與濃度換算公式截然不同。