高考申論題
108年
[環境工程] 環境化學與環境微生物學
第 一 題
📖 題組：
地球大氣含 O2、N2及其他氣體，二氧化碳（CO2）為主要溫室氣體，目前大氣的 CO2濃度約為 410 ppm，又 CO2會吸收 15 μm 及 4.26 μm 紅外光，請回答下列問題：（每小題 10 分，共 20 分）
地球大氣含 O2、N2及其他氣體，二氧化碳（CO2）為主要溫室氣體，目前大氣的 CO2濃度約為 410 ppm，又 CO2會吸收 15 μm 及 4.26 μm 紅外光，請回答下列問題：（每小題 10 分，共 20 分）
📝 此題為申論題，共 2 小題
小題 (一)
假設大氣無其他氣體干擾，CO2溶於雨水生成 CO2飽和水（Saturated water）H2CO3，計算該 CO2飽和雨水的 pH。亨利常數 KH=3.4×10-2 M atm-1 (25°C)，H2CO3的 Ka1= 4.5×10-7。
思路引導 VIP
看到本題，需聯想到「氣體溶解度」與「弱酸解離」的綜合計算。首先從氣相濃度(ppm)換算為分壓(atm)，再利用亨利定律求得水中溶解的 CO2(aq) 或 H2CO3* 濃度。接著，將此濃度代入碳酸的第一步解離常數(Ka1)方程式中。由於酸度不大，可假設解離產生的 [H+] ≈ [HCO3-]，忽略水自解離，建立近似的二次方程式求 [H+]，最後取負對數得出 pH 值。
小題 (二)
解釋大氣的 O2及 N2為何為非溫室氣體。分別計算 CO2吸收 15 μm 及 4.26 μm 紅外光能量，以 k joules/mole 表示。CO2分解成 CO 及 O 反應：CO2 →CO + O，在室溫下 CO2、CO 及 O 的生成熱焓值（ΔH）分別為：–393.5、–110.5 及+249.2 k joules/mole，請計算 15 μm 及 4.26 μm 紅外光照射 CO2時，CO2分解成 CO 及 O 的分解百分比。普郎克常數：h=6.626×10-34 Joule sec，光速：c=3×1010 cm/sec，E = hν，Avogadro's number：6.02×1023 molecules/mole。
思路引導 VIP
本題包含概念解釋與計算兩部分。第一部分需從分子結構的「偶極矩(Dipole moment)」來解釋溫室氣體吸收紅外光的機制。第二部分考光量子能量計算，利用 E = hc/λ 算單一光子能量，再乘以亞佛加厥常數轉為每莫耳的能量(kJ/mole)。第三部分考熱化學(Hess's Law)，計算 CO2 分解反應所需的反應焓 ΔH。最後比較「紅外光提供的能量」與「分解所需的能量」，判斷是否能引發光化學分解，從而得出分解百分比。