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地特三等申論題 110年 [環境檢驗] 分析化學

第 一 題

📖 題組:
實驗室有一瓶濃鹽酸(HCl,分子量為36.5g/mol),濃度為30.5%(w/w),溶液的比重為1.19。小明以0.10M的HCl溶液滴定未知濃度的Na2CO3溶液。
📝 此題為申論題,共 4 小題

小題 (一)

請計算濃鹽酸的莫耳濃度(M)。(6分)

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看到重量百分率濃度(w/w)轉換為莫耳濃度(M)的題型,應立即聯想到透過『比重(密度)』作為溶液質量與體積轉換的橋樑。解題時可假設溶液體積為1升(1000 mL),求出溶液總重後乘上百分率得溶質質量,再除以分子量即可;同時身為分析化學考生,務必留意題幹數據位數,並嚴格遵守有效數字的進位規則。

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【解題關鍵】利用比重求出單位體積溶液的總質量,再乘以重量百分率求得溶質質量,最後除以分子量換算為莫耳濃度。 【解答】 計算:

小題 (二)

請描述以濃鹽酸配製 500.0 mL 之0.10 M HCl溶液的步驟。(6分)

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本題重點在於溶液濃度的換算與標準實驗室配製流程。先利用比重與重量百分濃度計算濃鹽酸的體積莫耳濃度,再代入稀釋定律求出所需體積,最後必須嚴密描述『酸入水』的安全操作與量瓶的精確定容步驟。

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【解題關鍵】利用重量百分濃度與比重換算體積莫耳濃度,並嚴守「酸入水」及精準定容的實驗室操作規範。 【解答】 一、 計算濃鹽酸初始濃度 ($M_1$)

小題 (三)

0.10 M HCl溶液配製好後,使用該溶液為滴定液之前,須以 Na2CO3標定,請說明原因。(4分)

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本題的核心在於檢驗考生對「一級標準品(Primary standard)」與「標定(Standardization)」概念的理解。解題時應先點出鹽酸的物理性質(易揮發、濃度非絕對精準),再說明碳酸鈉作為一級標準品的特性,藉此推導出標定程序的必要性。

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【破題】因鹽酸(HCl)並非一級標準品,無法藉由直接秤重或稀釋獲得具高度精確性的濃度,故需透過標定程序確定其真實濃度。 【論述】 一、鹽酸的非標準性:市售濃鹽酸(如本題之30.5% w/w)易揮發且常含有雜質,其標示濃度僅為近似值。即使依比例稀釋至 0.10 M,該溶液仍存在配製誤差與濃度不確定性,屬於「次級標準溶液(Secondary standard solution)」。

小題 (四)

以 0.10 M HCl溶液滴定錐形瓶中的Na2CO3溶液時,在到達第二個滴定終點前,須將錐形瓶中的溶液加熱至沸騰,待冷卻後再繼續滴定至滴定終點。請說明原因。(4分)

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本題關鍵在於考量碳酸鹽滴定至第二當量點時的產物特性。看到此題應立刻聯想到產物二氧化碳(CO2)在水中的溶解平衡與緩衝效應,並運用氣體溶解度與溫度的關係(加熱驅氣),以及溫度對滴定分析誤差(指示劑變色範圍、體積變化)的影響來全面解答。

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【破題】加熱煮沸的核心目的是為了驅除溶液中生成的二氧化碳(CO2),以消除其造成的緩衝效應,從而增大滴定終點的 pH 突躍(pH break),提高滴定精確度。 【論述】 一、化學反應與干擾機制:滴定 Na2CO3 至第二個當量點附近時,發生的反應為 HCO3- + H+ → H2CO3 ⇌ H2O + CO2(aq)。生成的 CO2 溶於水會形成弱酸性的碳酸系統,產生緩衝作用。此緩衝效應會導致當量點附近的 pH 變化變得平緩,使得指示劑(如甲基橙或溴甲酚綠)的變色不敏銳,增加滴定誤差。

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