高中學測
113年
自然
第 16 題
📖 題組：
海水去鹽淡化，可讓水資源再利用。某實驗室發現咖啡渣可作為水純化的材料。首先將咖啡渣在極高溫下碳化成奈米材料，再混以具油脂特性的無色透明矽烷，均勻地灑在一杯海水的表面上，然後放置在一具有斜度上蓋的透明容器（如圖5所示），經在太陽光照射之下，底部漸漸發現有經過凝結後的純水。 研究人員針對四種情況，分別是（甲）未照光、（乙）照光、（丙）照光並灑上碳化咖啡粉，以及（丁）照光並灑上混有矽烷的碳化咖啡粉，且後兩種情況使用同樣重量的咖啡粉。在同樣的時間內，測量水杯重量的減少程度，並將實驗結果繪製成圖6。
海水去鹽淡化，可讓水資源再利用。某實驗室發現咖啡渣可作為水純化的材料。首先將咖啡渣在極高溫下碳化成奈米材料，再混以具油脂特性的無色透明矽烷，均勻地灑在一杯海水的表面上，然後放置在一具有斜度上蓋的透明容器（如圖5所示），經在太陽光照射之下，底部漸漸發現有經過凝結後的純水。 研究人員針對四種情況，分別是（甲）未照光、（乙）照光、（丙）照光並灑上碳化咖啡粉，以及（丁）照光並灑上混有矽烷的碳化咖啡粉，且後兩種情況使用同樣重量的咖啡粉。在同樣的時間內，測量水杯重量的減少程度，並將實驗結果繪製成圖6。
實驗的結果發現，在水的表面灑上碳化後的咖啡粉，可以增加水的揮發效果，其可能原因為何？
- A 碳化後的咖啡粉變輕，與水一起揮發
- B 碳化後的咖啡粉變重，把水擠出容器外
- C 碳化後的咖啡粉易溶於水，促進水的揮發
- D 碳化後的咖啡粉，吸光吸熱的效果增加
- E 碳化後的咖啡粉不易吸水，水就容易揮發
思路引導 VIP
請觀察實驗變因中「照光」與「灑上碳化咖啡粉」的交互作用：從熱學與輻射吸收的角度思考，深色的「碳化材料」在接收太陽輻射能時，其轉化為熱能的效率與純水有何不同？這種能量的集中又是如何加速水分子獲取相變化所需的能量，進而提升揮發速率？
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AI 詳解
AI 專屬家教
同學你好！這題考查的是「蒸餾原理」與「能量轉換」的觀念。你選了 (A) 選項，可能是直覺認為粉末變得細小就會隨水蒸氣上升，但我們要記得，蒸餾與純化的核心是利用物質間「揮發性」的差異。碳化後的咖啡粉主要成分是碳，其沸點極高，在一般的太陽照射下是不可能揮發的；如果粉末真的隨水蒸氣一起跑上去，那我們最後在容器底部收集到的就不會是「純水」，而是混有雜質的液體了。
能量吸收與蒸發速率的關聯
觀察實驗設計，正確答案 (D) 是基於物理性質的推論：咖啡粉經過「碳化」後呈現黑色，且具有奈米級的孔洞。黑色物質是極佳的吸光體，能更有效地吸收太陽光的輻射能並轉換為熱能，直接加熱表層的 $H_2O$。當水分子的動能增加，蒸發速率自然會顯著提升，這也解釋了圖 6 中（丙）與（丁）曲線下降（重量減少）的速度明顯快於（乙）的原因。
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