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地特四等申論題 107年 [化學工程] 分析化學概要

第 一 題

📖 題組:
甘胺酸分子結構如下,請回答下列問題: (一)以平衡反應式說明甘胺酸水溶液中各個物種與 pKa之關係。甘胺酸之酸解離常數 pKa1 = 2.34;pKa2 = 9.60。(5 分) (二)何謂等電點?(5 分)甘胺酸的等電點為何?(5 分) (三)以 NaOH 當量為橫坐標,溶液的 pH 為縱坐標,繪出甘胺酸的滴定曲線圖。(10 分)
📝 此題為申論題,共 3 小題

小題 (一)

以平衡反應式說明甘胺酸水溶液中各個物種與 pKa之關係。甘胺酸之酸解離常數 pKa1 = 2.34;pKa2 = 9.60。(5 分)

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看到胺基酸解離問題,應立即聯想其為「多質子酸系統」。依據 pKa 數值判斷解離順序:較小的 pKa1 (2.34) 代表羧基的解離,較大的 pKa2 (9.60) 代表質子化胺基的解離,作答時須依序寫出陽離子、兩性離子到陰離子的結構變化與平衡方程式。

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【解題思路】利用雙質子酸的階梯式解離原理,寫出甘胺酸由完全質子化態至完全去質子化態的化學平衡反應式。 【詳解】 甘胺酸(Glycine)為最簡單的胺基酸,含有一個胺基與一個羧基。在水溶液中,依據 pH 值的不同,會產生兩階段的酸解離反應:

小題 (二)

何謂等電點?(5 分)甘胺酸的等電點為何?(5 分)

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看到等電點(pI),應直覺聯想到兩性物質(zwitterion)正負電荷相等、整體淨電荷為零的狀態。計算時,尋找包夾兩性離子型態的兩個相鄰 pKa 值,將其相加除以二即可求得,同時須留意有效數字的運算規則。

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【破題】等電點為兩性物質於溶液中呈現巨觀淨電荷為零狀態的特定 pH 值。 【論述】 一、等電點(Isoelectric point, pI)之定義

小題 (三)

以 NaOH 當量為橫坐標,溶液的 pH 為縱坐標,繪出甘胺酸的滴定曲線圖。(10 分)

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繪製雙質子胺基酸之滴定曲線,首要任務是找出五個關鍵特徵點的坐標(起始點、兩個半當量點、兩個當量點)。計算出對應的當量數與 pH 值後,標示出兩段平緩的緩衝區與陡峭的當量點階躍,即可掌握給分關鍵。

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【解題思路】利用已知之 pKa1、pKa2 及等電點,推導滴定過程中各關鍵當量點之 pH 值,並依此描繪出雙質子系統的滴定曲線。 【詳解】 標準分析化學實務中,繪製胺基酸全段滴定曲線通常預設起始物為完全質子化態($H_2A^+$,如甘胺酸鹽酸鹽),並滴入強鹼 NaOH。

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