高考申論題
112年
[化學安全] 環境化學(含分析化學)
第 一 題
📖 題組：
三、氫氟碳化物（HFCs）在對流層中會與氫氧自由基（•OH）反應而分解，其反應速率常數受到溫度的影響，即k = 1.5 × 10^-12 e^-1750/T cm3 molecules^-1 s^-1。請回答下列問題：
三、氫氟碳化物（HFCs）在對流層中會與氫氧自由基（•OH）反應而分解，其反應速率常數受到溫度的影響，即k = 1.5 × 10^-12 e^-1750/T cm3 molecules^-1 s^-1。請回答下列問題：
📝 此題為申論題，共 3 小題
小題 (一)
請說明反應速率常數受到大氣溫度影響的可能原因。（5分）
思路引導 VIP
看到題目給定的指數關係式，應立刻聯想「阿瑞尼斯方程式（Arrhenius equation）」。作答時需從化學動力學（碰撞學說與活化能）切入，解釋溫度如何增加分子動能與有效碰撞機率，並結合大氣對流層溫度遞減的環境科學特性進行綜合說明。
小題 (二)
目前在對流層中HFC-125及氫氧自由基的濃度分別為8.1 × 10^5及6.3 × 10^8 molecules cm^-3，請問其在4℃環境中的反應速率（Reaction rate）。（10分）
思路引導 VIP
看到本題應先想到將攝氏溫度轉換為絕對溫度（K），代入題目給定的阿瑞尼斯方程式（Arrhenius equation）求出特定溫度下的反應速率常數 k。接著利用二級反應之基本速率定律式（Reaction Rate = k × [HFCs] × [•OH]）進行計算，並務必確認最終單位的正確性。
小題 (三)
如果HFC-125每年的排放量為1.5 × 10^11噸，在對流層中測得HFC-125的濃度為37 ppm，在大氣環境中的平均停留時間為9年，考量空氣的質量為5.1 × 10^20克，平均分子量29 g/mole，請計算每年有多少的HFC-125在大氣中被分解？（10分）
思路引導 VIP
看到此題應先釐清「大氣停留時間（Residence time）」的定義：大氣總質量（Burden）除以移除速率（Sink）。題目雖給出年排放量，但那是干擾資訊（系統非穩態）。解題關鍵是利用「90法則」推導出HFC-125的分子量，配合空氣總質量與平均分子量，將體積濃度（ppmv）換算為實際質量，最後除以停留時間即可求得每年分解量。
📜 參考法條
註：原子量（g/mole）：氫（H）：1.01；碳（C）：12.01；氟（F）：19.0