地特三等申論題
106年
[環境工程] 環境化學與環境微生物學
第 一 題
📖 題組：
一、鐵離子為土壤與地下水體中相當常見的地球元素，請回答下列問題： (一)三價鐵離子（Fe3+）在 25°C 時還原成亞鐵離子（Fe2+）的 pe0 值為 13.2，請計算 Fe3+＋e- Fe2+的平衡常數值（K 值）、標準還原電位值（E0）及標準自由能（G0）。（10 分） (二)在 pH 為 6.0 的地下水中，測得水體的氧化還原電位（E）為 0.485 V，鐵離子的總濃度為 0.2 mM，請問此時[Fe3+]與[Fe2+]的濃度各為何？（5 分） (三)在第(二)小題的氧化還原環境中，存在 0.1 mM 的氯化有機物（R-Cl），此氯化有機物在 25°C 時的標準還原電位（E0）為 0.68V。當進行還原脫氯反應時，氯化有機物會與氫原子（H）及電子反應，產生有機物及氯離子。當地下水的氯離子濃度為 1 mM，氫原子的濃度與 pH 值相同時，請問氯化有機物在此環境中是否會進行還原反應？此時氯化有機物與其還原產物（R-H）的濃度各為何？（5 分） R-Cl + H+ + e- R-H + Cl- E0 = 0.68 V 註：log 2 = 0.301; log 3 = 0.477; log 7 = 0.845
一、鐵離子為土壤與地下水體中相當常見的地球元素，請回答下列問題： (一)三價鐵離子（Fe3+）在 25°C 時還原成亞鐵離子（Fe2+）的 pe0 值為 13.2，請計算 Fe3+＋e- Fe2+的平衡常數值（K 值）、標準還原電位值（E0）及標準自由能（G0）。（10 分） (二)在 pH 為 6.0 的地下水中，測得水體的氧化還原電位（E）為 0.485 V，鐵離子的總濃度為 0.2 mM，請問此時[Fe3+]與[Fe2+]的濃度各為何？（5 分） (三)在第(二)小題的氧化還原環境中，存在 0.1 mM 的氯化有機物（R-Cl），此氯化有機物在 25°C 時的標準還原電位（E0）為 0.68V。當進行還原脫氯反應時，氯化有機物會與氫原子（H）及電子反應，產生有機物及氯離子。當地下水的氯離子濃度為 1 mM，氫原子的濃度與 pH 值相同時，請問氯化有機物在此環境中是否會進行還原反應？此時氯化有機物與其還原產物（R-H）的濃度各為何？（5 分） R-Cl + H+ + e- R-H + Cl- E0 = 0.68 V 註：log 2 = 0.301; log 3 = 0.477; log 7 = 0.845
📝 此題為申論題，共 3 小題
小題 (一)
三價鐵離子（Fe3+）在 25°C 時還原成亞鐵離子（Fe2+）的 pe0 值為 13.2，請計算 Fe3+＋e- Fe2+的平衡常數值（K 值）、標準還原電位值（E0）及標準自由能（G0）。
思路引導 VIP
看到此題，應立即聯想環境化學中的基礎熱力學公式轉換。首先利用「pe0 = (1/n) log K」求出平衡常數 K，接著代入 25°C 時的關係式「E0 = pe0 × 0.0591」求標準還原電位，最後使用「ΔG0 = -nFE0」或「ΔG0 = -RT ln K」算出標準自由能。
小題 (二)
在 pH 為 6.0 的地下水中，測得水體的氧化還原電位（E）為 0.485 V，鐵離子的總濃度為 0.2 mM，請問此時[Fe3+]與[Fe2+]的濃度各為何？
思路引導 VIP
本題測驗水體環境中氧化還原電位與離子濃度的關係。解題時先將水體的氧化還原電位(E)透過 E = 0.059 × pe 轉換為 pe 值，再代入能斯特方程式(Nernst equation)求出兩者的濃度比，最後配合總濃度條件求解即可。
小題 (三)
在第(二)小題的氧化還原環境中，存在 0.1 mM 的氯化有機物（R-Cl），此氯化有機物在 25°C 時的標準還原電位（E0）為 0.68V。當進行還原脫氯反應時，氯化有機物會與氫原子（H）及電子反應，產生有機物及氯離子。當地下水的氯離子濃度為 1 mM，氫原子的濃度與 pH 值相同時，請問氯化有機物在此環境中是否會進行還原反應？此時氯化有機物與其還原產物（R-H）的濃度各為何？
思路引導 VIP
看到此題，首先比較環境電位（0.485 V）與氯化有機物在該環境條件下的還原電位，判斷是否發生還原。接著利用能斯特方程式（Nernst Equation），將已知數值與題目給定的反應式（轉移電子數 n=1）代入，求出產物與反應物的濃度比，最後配合質量守恆定律即可解出各自濃度。題目給的 log 2 = 0.301 是關鍵計算提示。