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高考申論題 113年 [環境檢驗] 分析化學

第 一 題

📖 題組:
25℃水溶液含有 0.0010 M NaOH、0.0150 M KNO3及 0.0100 M Li2SO4。
📝 此題為申論題,共 3 小題

小題 (一)

計算水溶液之離子強度。(5 分)

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看到離子強度計算,應立即聯想到公式 I = 1/2 Σ(c_i * z_i^2)。解題時需先將所有強電解質完全解離,求出各別離子的實際濃度與電荷數,再代入公式加總求值,過程中務必特別留意多價離子(如硫酸根的電荷平方)與化學計量數(如鋰離子為兩倍濃度)對整體數值的影響。

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【解題關鍵】依據離子強度公式 $I = \frac{1}{2} \sum c_i z_i^2$ 進行計算,其中 $c_i$ 為溶液中各離子的莫耳濃度,$z_i$ 為其電荷數。 【解答】 計算:

小題 (二)

計算 H+及 OH-之活性係數、活性及 pH 值。(10 分)

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看到混合多種惰性鹽類的強鹼溶液,首要反應是背景電解質會改變溶液的「離子強度」,進而影響離子的「活性係數」。解題需嚴謹遵守三步驟:先列出所有離子真實濃度求出離子強度 (I),接著代入 Debye-Hückel 擴展方程式或查表求得活性係數 (γ),最後依據熱力學定義的 Kw 與 pH = -log(a_H+) 計算最終數值。

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【解題關鍵】先計算混合溶液之總離子強度 (I),再以 Debye-Hückel 擴展方程式估算活性係數,並利用熱力學水解離常數 ($K_w = a_{H^+} \cdot a_{OH^-}$) 求解。 【解答】 Step 1:計算溶液之離子強度 ($I$ 或 $\mu$)

小題 (三)

如下表所示,為何同一離子強度下,OH-之活性係數總是小於 H+?(5 分)
題目圖片

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看到此題應立即聯想「Debye-Hückel 延伸方程式」。在電荷數與離子強度相同的前提下,決定活性係數差異的唯一變數是離子的「有效水合半徑(hydrated radius)」。將H+與OH-的半徑差異代入公式分母進行數學分析,即可完整取分。

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【破題】 在同一離子強度與相同電荷數下,離子活性係數($\gamma$)的差異主要取決於其「有效水合離子半徑($\alpha$)」的大小。 【論述】

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