高考申論題
106年
[環境檢驗] 分析化學
第 一 題
📖 題組：
pH 測定儀使用前應先使用緩衝溶液進行零點校正，再以相差 2 至 4 個 pH 值單位之酸性或鹼性緩衝溶液進行斜率校正。緩衝溶液可選用適量的無水磷酸二氫鉀（KH2PO4，分子量 136 g/mol）、無水磷酸二鈉（Na2HPO4，分子量 142 g/mol）溶解於一定體積的試劑水中製備之磷酸鹽緩衝溶液，假設在 25℃時，磷酸（H3PO4）的 pKa1、pKa2 分別為 2.15、7.20。試回答下列問題：
pH 測定儀使用前應先使用緩衝溶液進行零點校正，再以相差 2 至 4 個 pH 值單位之酸性或鹼性緩衝溶液進行斜率校正。緩衝溶液可選用適量的無水磷酸二氫鉀（KH2PO4，分子量 136 g/mol）、無水磷酸二鈉（Na2HPO4，分子量 142 g/mol）溶解於一定體積的試劑水中製備之磷酸鹽緩衝溶液，假設在 25℃時，磷酸（H3PO4）的 pKa1、pKa2 分別為 2.15、7.20。試回答下列問題：
📝 此題為申論題，共 4 小題
小題 (一)
共同離子效應之意涵。（6 分）
思路引導 VIP
看到「共同離子效應」，應直覺聯想「勒沙特列原理」在化學平衡中的具體應用。解題時必須先給出精確定義，說明加入共同離子如何導致平衡移動（如抑制解離或降低溶解度），並務必結合數學公式（平衡常數式）與實務應用（如題幹提及的緩衝溶液配製）來展現分析化學的專業度。
小題 (二)
零點校正用緩衝溶液的 pH 值和範圍為多少？（4 分）
思路引導 VIP
本題考查 pH 計的校正原理與緩衝溶液特性。看到「零點校正」，應直覺聯想玻璃電極的等電位點（pH 7.00 附近），再結合題目給定的磷酸第二解離常數（pKa2 = 7.20），利用緩衝範圍公式（pKa ± 1）推導其系統的適用區間。
小題 (三)
在 25℃時，製備 1 M（體積莫耳濃度）1000 mL pH = 7.20 的磷酸鹽緩衝溶液，並說明原因。（6 分）
思路引導 VIP
看到指定 pH 值與總濃度的緩衝溶液製備，首要想到使用亨德森-哈塞爾巴爾赫（Henderson-Hasselbalch）方程式。由於目標 pH 值剛好等於磷酸的 pKa2，可知共軛酸鹼對的濃度比例必定為 1:1，接著聯立總濃度條件，即可分別求得所需固體藥品的莫耳數與質量。
小題 (四)
該磷酸鹽緩衝溶液的緩衝能力和 pH 範圍。（4 分）
思路引導 VIP
首先判斷磷酸二氫鉀與磷酸二鈉構成的共軛酸鹼對為 H₂PO₄⁻ / HPO₄²⁻，確定其對應的是第二解離常數 pKa2 = 7.20。接著利用緩衝容量定義（β）解釋其緩衝能力及最大值發生條件，並透過 Henderson-Hasselbalch 方程式代入共軛酸鹼對有效濃度比極限（10:1 至 1:10），推導出 pKa2 ± 1 的有效 pH 範圍。