高考申論題
106年
[環境工程] 環境化學與環境微生物學
第 三 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 (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
考生看到此題應立刻聯想「能司特方程式（Nernst Equation）」與「氧化還原電位（E）之平衡判斷」。先計算氯化有機物在特定濃度與pH下的實際還原電位，並與地下水環境電位（0.485V）比較以判斷反應自發性；接著假設反應達到平衡時系統電位一致，利用 Nernst 方程式及質量平衡求出兩者的濃度。
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
本題測驗環境化學中氧化還原熱力學參數的轉換能力。看到這種題目，首要任務是寫出關係式：單電子轉移下 $pe^0 = \log K$、$E^0 = pe^0 \times 0.0591$ (於 25°C 下) 以及 $\Delta G^0 = -nFE^0$ 或 $\Delta G^0 = -RT \ln K$，再依次代入數值即可得出三個參數。
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
看見氧化還原電位（E）與總濃度，應立即想到利用 Nernst 方程式或 pe 值轉換公式求出兩氧化還原態的濃度比值（[Fe2+]/[Fe3+]）。接著搭配質量平衡方程式（[Fe3+] + [Fe2+] = 總鐵濃度），即可聯立解出各自的精確濃度。