高考申論題
112年
[環境工程] 環境化學與環境微生物學
第 一 題
📖 題組：
一、二氧化硫（SO2）在大氣中會經由雙氧水（H2O2）的氧化，產生硫酸液滴，其反應式及反應速率常數如下： SO2(aq) + H2O2(aq) H2SO4(aq) k = 1.1 103 L/mol-s 假設SO2及H2O2在大氣中的濃度分別為0.59 ppm及4.0 ppb，亨利常數（KH）分別為1.2及1.0 105 mol/L-atm且大氣中的水氣含量為0.014 g/L時，
一、二氧化硫（SO2）在大氣中會經由雙氧水（H2O2）的氧化，產生硫酸液滴，其反應式及反應速率常數如下： SO2(aq) + H2O2(aq) H2SO4(aq) k = 1.1 103 L/mol-s 假設SO2及H2O2在大氣中的濃度分別為0.59 ppm及4.0 ppb，亨利常數（KH）分別為1.2及1.0 105 mol/L-atm且大氣中的水氣含量為0.014 g/L時，
📝 此題為申論題，共 2 小題
小題 (一)
(一)請計算大氣中二氧化硫（SO2）的反應速率。（10分）
思路引導 VIP
看到本題，首先要辨識出這是「多相（氣液相）化學反應動力學」的題型。接著應該從亨利定律切入，將大氣中氣相的濃度（ppm, ppb轉換為atm分壓），換算成溶於液滴（水相）中的莫耳濃度（M）。求出液相中的反應速率後，最關鍵的陷阱在於單位基準的轉換：題目問的是「大氣中」二氧化硫的反應速率，因此必須將液滴體積的反應速率，乘上水氣含量（液滴體積/大氣體積）的比例，才能得出以大氣體積為基準的最終速率。
小題 (二)
(二)當二氧化硫（SO2）溶於大氣雨水中時，請問此時雨水的pH值為多少？（10分）
SO2(g) + H2O H2SO3(aq) KH, SO2 = 1.2
H2SO3(aq) H+ + HSO3- Ka, SO2 = 1.7 10-2
CO2(g) CO2(aq) KH, CO2 = 10-1.5
H2CO3(aq) H+ + HCO3- Ka1, CO2 = 10-6.33
HCO3- H+ + CO32- Ka2, CO2 = 10-10.33
SO2(g) + H2O H2SO3(aq) KH, SO2 = 1.2
H2SO3(aq) H+ + HSO3- Ka, SO2 = 1.7 10-2
CO2(g) CO2(aq) KH, CO2 = 10-1.5
H2CO3(aq) H+ + HCO3- Ka1, CO2 = 10-6.33
HCO3- H+ + CO32- Ka2, CO2 = 10-10.33
思路引導 VIP
本題測驗「開放系統」中弱酸對水體pH值的影響。思考順序如下：首先確認系統為開放系統，即氣相濃度（分壓）恆定，可源源不絕補充溶入水中的氣體。接著比較 $SO_2$ 和 $CO_2$ 的解離常數，判斷誰主導了系統的氫離子濃度。由於 $SO_2$ 的 $K_a$ 遠大於 $CO_2$，因此可忽略 $CO_2$ 及水本身的解離，專注計算 $SO_2$ 的解離。利用亨利定律求出 $[H_2SO_3]$ 後，帶入解離常數公式求出 $[H^+]$ 並計算 pH 值。