高考申論題
113年
[化學安全] 環境化學(含分析化學)
第 一 題
📖 題組：
為緩和水溶液系統中 pH 值因酸或鹼的導入而產生劇烈變化，我們常會配置緩衝溶液（buffer solution）。請回答以下與緩衝溶液相關的問題： (一)請說明緩衝溶液的基本組成與緩衝溶液抑制 pH 變化的原理。（10 分） (二)請計算溶液中含有 0.300 M KH2PO4與 0.200 M K2HPO4時，溶液中的 pH 為何？（5 分） H3PO4 pKa=2.1 ⎯⎯⎯ H2PO4- pKa=7.2 ⎯⎯⎯ HPO42- pKa=12.2 ⎯⎯⎯ PO43- (三)若在 400 ml 的上述緩衝溶液（0.300 M KH2PO4/0.200 M K2HPO4）中加入 100 ml 0.05 M NaOH 溶液時，pH 變化量為多少？（5 分） (四)請說明緩衝能力（buffer capacity），以及決定高緩衝能力的兩項因子。（10 分）
為緩和水溶液系統中 pH 值因酸或鹼的導入而產生劇烈變化，我們常會配置緩衝溶液（buffer solution）。請回答以下與緩衝溶液相關的問題： (一)請說明緩衝溶液的基本組成與緩衝溶液抑制 pH 變化的原理。（10 分） (二)請計算溶液中含有 0.300 M KH2PO4與 0.200 M K2HPO4時，溶液中的 pH 為何？（5 分） H3PO4 pKa=2.1 ⎯⎯⎯ H2PO4- pKa=7.2 ⎯⎯⎯ HPO42- pKa=12.2 ⎯⎯⎯ PO43- (三)若在 400 ml 的上述緩衝溶液（0.300 M KH2PO4/0.200 M K2HPO4）中加入 100 ml 0.05 M NaOH 溶液時，pH 變化量為多少？（5 分） (四)請說明緩衝能力（buffer capacity），以及決定高緩衝能力的兩項因子。（10 分）
📝 此題為申論題，共 4 小題
小題 (一)
請說明緩衝溶液的基本組成與緩衝溶液抑制 pH 變化的原理。（10 分）
思路引導 VIP
本題測驗緩衝溶液的基礎概念。解題時應先明確列出『弱酸與其共軛鹼』或『弱鹼與其共軛酸』的基本組成要件，接著運用化學平衡（勒沙特列原理）寫出加入外加酸（H+）與外加鹼（OH-）時的中和反應式，即可完整說明緩衝原理。
小題 (二)
請計算溶液中含有 0.300 M KH2PO4與 0.200 M K2HPO4時，溶液中的 pH 為何？（5 分）
思路引導 VIP
看到此題應立即辨識出此為磷酸鹽緩衝溶液系統。找出共軛酸鹼對（H2PO4- 與 HPO4(2-)）並選擇對應的解離常數 pKa2（7.2），接著代入韓德森-哈塞爾巴爾赫方程式（Henderson-Hasselbalch equation）即可迅速求得溶液之 pH 值。
小題 (三)
若在 400 ml 的上述緩衝溶液（0.300 M KH2PO4/0.200 M K2HPO4）中加入 100 ml 0.05 M NaOH 溶液時，pH 變化量為多少？（5 分）
思路引導 VIP
遇到緩衝溶液加入強酸/強鹼的題目，首先寫出中和反應式並計算各物質的「莫耳數（mol）」變化。接著，將反應後弱酸與共軛鹼的新莫耳數代入 Henderson-Hasselbalch 方程式，求出新的 pH 值並與原 pH 值相減求得變化量。
小題 (四)
請說明緩衝能力（buffer capacity），以及決定高緩衝能力的兩項因子。（10 分）
思路引導 VIP
考生應首先回想「緩衝能力 (Buffer Capacity)」的化學與數學定義（即改變1單位pH所需的強酸或強鹼莫耳數）。接著由 Henderson-Hasselbalch 方程式推導出影響緩衝效能的兩大物理化學關鍵：緩衝對的「總濃度」以及「酸鹼濃度比」（即溶液 pH 值與 pKa 值的差距）。