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地特四等申論題 110年 [環境檢驗] 儀器分析概要

第 一 題

📖 題組:
近年來,部分不肖業者,先深挖所承租之農地來販賣其土石,再以中鋼廢爐渣等回填鋪平表土,且在回填過程中,可能又混入其他有毒廢棄物,以致回填後的農地,不僅損害農作物,且污染地下水,造成鄰近池水生物死亡,並導致空氣中瀰漫刺鼻惡味,嚴重危害農民健康。滲流水的酸鹼性可利用電位分析法檢測出。 (一)繪出電位分析法之電位測定裝置的示意圖(示意圖之各組成必須清楚標示)。(4 分) (二)電位分析法是否須要外加電位至其測定裝置內?試解釋之。(2 分) (三)玻璃薄膜電極可以用為電位測定裝置中的指示電極,稱為 pH 電極,來檢測滲流水之酸鹼性。試繪出 pH 電極的結構示意圖(示意圖之各組成必須清楚標示),並說明之。(5 分) (四)以 pH 電極檢測滲流水之酸鹼性時,必須先如何進行校正?(4 分) (五)民眾可以自行購買萬用試紙,檢測滲流水的酸鹼性。若萬用試紙與 pH電極的檢測結果不同,試列舉四個可能的誤差來源。(4 分)
📝 此題為申論題,共 5 小題

小題 (一)

繪出電位分析法之電位測定裝置的示意圖(示意圖之各組成必須清楚標示)。(4 分)

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作答時應在腦中建構電位分析法的基本電化學電池模型。核心組件包含測量電壓的「高阻抗電位計」、提供穩定基準的「參考電極」、對待測物有響應的「指示電極」,以及盛裝樣品的「待測溶液」槽,繪圖時務必將這四個元件完整標示並連成迴路。

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【破題】電位分析法主要是透過測量電化學電池在零電流或微小電流下的電位差,來求得待測物濃度。其核心裝置由參考電極、指示電極及電位計構成。 【論述】 一、電位測定裝置示意圖(文字模擬圖示)

小題 (二)

電位分析法是否須要外加電位至其測定裝置內?試解釋之。(2 分)

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看到「電位分析法」,首先聯想其基本定義:在零電流或微小電流下測量電化學電池的電位。因為它是利用伽凡尼電池(自發反應)的原理來量測系統本身的電動勢,所以不需要外加電源驅動,這點與伏安法(需外加電壓驅動電解)截然不同。

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【破題】不需要外加電位。 【論述】 一、測量原理:電位分析法(Potentiometry)是構成一個「伽凡尼電池(Galvanic cell)」。其測得的電位,是待測溶液中的離子與電極介面之間,產生自發性熱力學平衡所建立的電動勢(電位差)。

小題 (三)

玻璃薄膜電極可以用為電位測定裝置中的指示電極,稱為 pH 電極,來檢測滲流水之酸鹼性。試繪出 pH 電極的結構示意圖(示意圖之各組成必須清楚標示),並說明之。(5 分)

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面對此題,應將 pH 玻璃電極的構造『由內而外』拆解,核心概念是『內部參考電極+已知濃度的內部溶液+感測薄膜』。作答時必須清晰標示出導線、內部參考電極(通常為 Ag/AgCl)、內部溶液(如 0.1 M HCl)及對 H⁺ 敏感的玻璃薄膜,並逐一條列說明其功能與運作原理。

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【破題】 pH 玻璃電極屬於一種「離子選擇性電極(ISE)」,主要利用特殊玻璃薄膜對水溶液中氫離子(H⁺)的選擇性響應,藉由薄膜兩側氫離子活度不同所產生的「膜電位」來測定溶液的酸鹼性。 【論述】

小題 (四)

以 pH 電極檢測滲流水之酸鹼性時,必須先如何進行校正?(4 分)

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考生看到此題應立刻聯想到玻璃電極反應遵循 Nernst 方程式,實際測量時會有『不對稱電位』與『斜率偏差』,因此必須使用已知 pH 值的『標準緩衝溶液』進行校正。答題時應具體寫出『清洗』、『零點/截距校正(pH 7)』與『斜率校正(pH 4 或 10)』的操作步驟。

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【破題】以 pH 電極檢測水樣前,必須使用已知 pH 值的「標準緩衝溶液(Standard buffer solutions)」進行兩點或三點校正,以修正電極的「不對稱電位(截距)」與「實際響應斜率」,確保測量準確度。 【論述】 具體校正程序應依下列步驟進行:

小題 (五)

民眾可以自行購買萬用試紙,檢測滲流水的酸鹼性。若萬用試紙與 pH電極的檢測結果不同,試列舉四個可能的誤差來源。(4 分)

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看到本題,應直覺聯想到「比色法(萬用試紙)」與「電位分析法(pH玻璃電極)」兩者在測量原理上的根本差異。答題時可從「樣品特性(顏色/濁度)」、「人為判讀(主觀 vs 客觀儀器)」、「環境變數(溫度補償)」以及「儀器限制(校正狀態、鹼誤差/酸誤差)」等四個層面進行條列式比較分析,展現對分析化學原理的全面理解。

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【破題】 萬用試紙(比色法)與 pH 電極(電位測量法)的基本原理不同。面對真實環境中成分複雜的滲流水,兩者的測量結果常因環境變數與儀器特性而產生偏差。 【論述】

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