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高考申論題 108年 [化學安全] 環境化學(含分析化學)

第 一 題

📖 題組:
四、請回答以下有關有機物光譜分析法之問題:(每小題 5 分,共 20 分)
📝 此題為申論題,共 4 小題

小題 (一)

請說明何謂有機物的發色團(chromophores)。

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看到「發色團」,應立即聯想到紫外光-可見光(UV-Vis)吸收光譜中的電子躍遷現象。解題重點在於點出其「吸收特定波長光譜」、「含有不飽和鍵或未共用電子對結構」以及「產生電子能階躍遷」三大核心概念,並輔以實務應用說明。

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「發色團(chromophores)」指有機分子中能吸收特定波長之紫外光(UV)或可見光(Vis)輻射,進而引發外層電子能階躍遷(如 π → π* 或 n → π* 躍遷)的特定官能基或共價不飽和結構。 特徵包含: (1) 結構組成:通常含有多鍵(如雙鍵、三鍵)或帶有未共用電子對的雜原子,常見的發色團包括碳碳雙鍵(C=C)、羰基(C=O)、偶氮基(-N=N-)、硝基(-NO2)及苯環等。

小題 (二)

請說明為何紫外/可見光光譜法比紅外光光譜法較適合做為定量分析的工具。

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本題測驗分析光譜學的實務應用特性。解題時應從定量分析的核心基礎「比爾定律 (Beer's Law)」出發,並從「吸收峰特性(寬窄與重疊)」、「儀器耗材(樣品槽光徑長度)」、「樣品製備(溶劑干擾)」及「靈敏度(莫耳吸光係數)」四個分析化學操作面向,對比 UV-Vis 與 IR 的優劣。

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【破題】紫外/可見光 (UV-Vis) 光譜法相較於紅外光 (IR) 光譜法,因其圖譜特徵與操作條件更易於精確遵守比爾定律 (Beer's Law),故廣泛且適合應用於定量分析。 【論述】 一、吸收峰特徵與基線確立:

小題 (三)

某些有機物被輻射線激發後,容易放射螢光,亦即具有螢光性。而吡咯(pyrrole)與吲哚(indole)的化學結構如下,請說明何者具有螢光性,理由為何?

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看到有機物螢光性判斷題,首先聯想影響分子螢光量子產率的兩大結構特徵:π電子共軛系統的範圍大小,以及分子結構的剛性(rigidity)。對比吡咯(單環)與吲哚(雙環稠合),從共軛系統延伸與剛性增加如何降低「非輻射性衰減」的化學原理解釋作答。

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【破題】 相較於吡咯(pyrrole),吲哚(indole)具有顯著的螢光性。 【論述】

小題 (四)

當以高效能液體層析儀(HPLC)分析水中多環芳香烴氫化合物(polycyclic aromatic hydrocarbons(PAHs))時,HPLC 所連接的偵測器有紫外/可見光偵測器與螢光偵測器可選用,應當選擇何者較佳,理由為何?

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看到水中多環芳香烴(PAHs)分析,應立即聯想到其「共軛雙鍵系統」與「剛性平面結構」賦予了強烈的螢光特性。環境水樣基質複雜且 PAHs 濃度常為痕量,因此解題切入點需比較螢光偵測器與紫外/可見光偵測器在「靈敏度」及「選擇性(抗背景干擾能力)」上的絕對差異。

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【破題】 以高效能液體層析儀(HPLC)分析水中多環芳香烴(PAHs)時,應優先選擇「螢光偵測器(Fluorescence Detector, FLD)」。 【論述】

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