高考申論題
112年
[環境工程] 環境化學與環境微生物學
第 二 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 (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。
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。
開放系統酸雨 pH 計算
💡 結合亨利定律與弱酸平衡，計算大氣污染下的雨水酸度。
🔗 開放系統雨水 pH 計算三步驟
- 1 氣液平衡 — 依亨利定律 [H2SO3] = KH × P(SO2) 求得未解離酸濃度。
- 2 物種主導性 — 比較各酸 Ka 值，確定 SO2 為主導酸並忽略 CO2 貢獻。
- 3 解離計算 — 帶入 Ka 算式，注意分母濃度受氣相補充維持恆定。
- 4 得出 pH — 計算 [H+] 濃度後取負對數得出最終 pH 值。
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🔄 延伸學習：延伸學習：了解大氣中 CO2 造成天然雨水 pH 約 5.6 的基準點。
