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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:
依據行政院環境保護署的公告,環境用藥過氧化氫的檢測方法是氧化還原滴定法(NIEA D436.20B)。取50.0 mL 過氧化氫溶液(H2O2,分子量為34.01 g/mol),加入酸後,以0.20M 高錳酸鉀溶液(KMnO4,分子量為158.03 g/mol)進行滴定,在加入35.3 mL 滴定液之時,到達滴定終點。該滴定的反應式如下: 2 MnO4- + 5 H2O2 + 6 H+ →2 Mn2+ + 8 H2O + 5 O2
📝 此題為申論題,共 4 小題

小題 (一)

請計算過氧化氫溶液的莫耳濃度(M)。(8分)

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看到氧化還原滴定題型,首先應確認化學平衡反應式中滴定劑與待測物的化學計量數比。接著利用「滴定劑莫耳數 × 反應莫耳數比 ÷ 待測物體積」即可求出待測物的莫耳濃度,計算過程中需留意體積單位的對應與有效數字的取捨。

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【解題關鍵】利用平衡反應方程式確認 KMnO₄ 與 H₂O₂ 的莫耳數比(2:5),並透過滴定計量關係推導待測物濃度。 【解答】 計算:

小題 (二)

若過氧化氫溶液比重為1.1,請計算樣品中過氧化氫的重量百分比。(4分)

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看到此題先釐清反應方程式中的化學計量比(KMnO4 與 H2O2 為 2:5),藉此從滴定劑消耗量推算樣品中待測物的莫耳數。接著利用比重將樣品體積轉換為樣品總質量,最後即可求得待測物之重量百分比,計算時務必留意有效數字的進位原則。

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【解題關鍵】利用滴定方程式的化學計量數比(莫耳數比 KMnO₄ : H₂O₂ = 2 : 5)推算過氧化氫實際質量,並以比重換算樣品總質量,進而求得重量百分比。 【解答】 計算:

小題 (三)

配製1L濃度為0.02M的高錳酸鉀滴定溶液時,須將3.2g 高錳酸鉀溶於1L水中,和緩煮沸1小時至2小時,置於暗處冷卻,隔夜後以玻璃過濾器過濾,濾液貯存於附有玻璃瓶蓋之棕色玻璃瓶中。請說明為何高錳酸鉀溶液使用前需要過濾。(4分)

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看到高錳酸鉀溶液的配製步驟,應立刻聯想其「強氧化性」與「水溶液不穩定性」。解題關鍵在於指出水中微量有機物會使其還原成「二氧化錳(MnO2)」,並進一步點出 MnO2 對過錳酸根具有催化分解作用,若不過濾移除會導致標準液濃度持續下降,引發系統誤差。

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配製高錳酸鉀 (KMnO4) 滴定液於使用前必須經過濾,主要目的與化學原理如下: (1) 移除還原副產物:純水中常含有些微的還原性雜質(如有機物或空氣落塵)。KMnO4 為極強的氧化劑,在配製時的煮沸與靜置過程中,會與上述雜質反應,自身被還原並生成不溶性的二氧化錳 (MnO2) 褐色沉澱。 (2) 避免自催化分解:固體 MnO2 會作為催化劑,加速 KMnO4 水溶液的自發分解反應(4MnO4- + 2H2O → 4MnO2(s) + 3O2 + 4OH-)。

小題 (四)

請說明如何判定本滴定的滴定終點。(4分)

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看到高錳酸鉀滴定,應立即聯想其作為「自身指示劑」的特性。思考反應中錳離子氧化態改變導致的顏色變化,並精確描述終點時微量過剩的高錳酸鉀所呈現的顏色狀態與持續時間(通常為30秒不褪色)。

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本滴定法利用高錳酸鉀($KMnO_4$)作為「自身指示劑」(self-indicator),無需外加指示劑。判定滴定終點的步驟與原理如下:

  1. 反應過程的顏色變化:滴定液中呈深紫色的高錳酸根離子($MnO_4^-$)滴入錐形瓶後,會立刻與過氧化氫反應,被還原為無色(或極微弱粉紅色,肉眼視為無色)的錳離子($Mn^{2+}$),故到達終點前溶液維持無色。
  2. 終點顏色顯現:當溶液中的過氧化氫完全消耗殆盡時,多滴入的微量(約半滴或一滴)高錳酸鉀滴定液將無法再被還原,未反應的 $MnO_4^-$ 會使整個溶液呈現微弱的「淡粉紅色」。

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