普考申論題 106年 [環保技術] 環境化學概要

第一題

📖 題組：
含氧自由基如 HO•及 HOO•為水化學與大氣化學中相當重要的反應物種，請回答下列問題：

📝 此題為申論題，共 3 小題

小題 (一)

請說明自由基反應由發生到結束所歷經的三個步驟，及各步驟中重要的化學反應。（10 分）

看到自由基反應，應立即聯想化學動力學中的『連鎖反應 (Chain Reaction)』三大階段：起始、傳播、終止。作答時，除了寫出步驟定義外，務必結合題目背景（含氧自由基 HO• 與 HOO•），列出大氣或水化學中實際的化學反應方程式，以展現環境化學的專業度。

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【破題】自由基因具有未成對電子，化學活性極高，其反應機制多屬於連鎖反應（Chain Reaction）。自由基反應從發生到結束，完整歷程可分為起始、傳播與終止三個主要步驟。【論述】

請分別說明水分子（H2O）及有機物污染（以甲烷（CH4）為例），在具有光照的大氣環境中，產生含氧自由基的主要反應機制。（8 分）

看到大氣光化學題目，首先要想到對流層中紫外光（波長大於290nm）的能量限制。水分子無法直接光解，必須仰賴臭氧光解產生的激發態氧原子來間接生成氫氧自由基（HO•）；而有機物（如甲烷）則是透過與 HO• 反應作為起始步驟，後續結合氧氣進行一系列氧化反應，最終生成氫過氧自由基（HOO•）。

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【破題】在大氣環境中，光照（特別是紫外線）是驅動光化學反應的核心能量。含氧自由基（如 HO• 及 HOO•）被稱為大氣的「清潔劑」，主要負責降解大氣中的污染物質。其生成機制高度依賴大氣中的微量氣體光解及後續的連鎖反應。【論述】

利用臭氧（O3）、雙氧水（H2O2）加紫外線（UV）或亞鐵離子（Fe2+）配合雙氧水（H2O2）的芬頓反應，均為水體環境中常見的高級氧化處理程序（Advanced Oxidation Processes, AOPs）之一。請列出此三種高級氧化程序產生自由基的反應式。（7 分）

看到高級氧化程序（AOPs），核心觀念就是「產生具強氧化力的氫氧自由基（HO•）」。解題時需分別回想這三種程序是如何透過光化學裂解（吸收光子 hν）或過渡金屬催化（Fe2+ 的電子轉移）來打斷化學鍵，並確保化學反應式的原子數與電荷皆平衡。

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【破題】高級氧化處理程序（AOPs）的核心機制，在於利用不同方式誘發產生具有極高氧化電位（約 2.8 V）的氫氧自由基（HO•），以無選擇性地氧化分解環境水體中的難捕捉或具毒性之有機污染物。【解答】以下為三種常見高級氧化程序產生自由基之主要反應式：