普考申論題
114年
[環保技術] 環境化學概要
第 一 題
📖 題組：
優養化（Eutrophication）會導致藻類及浮游生物的大量繁殖，進而影響湖泊的水質包括溶氧及酸鹼值。一湖泊在優養化前的 pH 值為 7.0，經優養化後，湖泊水質的 pH 值增加至 10.0，請回答下列問題： (一)請説明水質經優養化反應後 pH 值增加的原因及可能的反應式。（10 分） (二)經檢測後湖泊水中的鹼度為 2 mM，請計算優養化後湖泊水中[CO2(aq)]、[HCO3-]及[CO3 2-]的濃度。（15 分） H2CO3 H+ + HCO3- Ka1 = 10^-6.33 (Ka1 = 4.67 × 10^-7) HCO3- H+ + CO3 2- Ka2 = 10^-10.33 (Ka2 = 4.69 × 10^-11)
優養化（Eutrophication）會導致藻類及浮游生物的大量繁殖，進而影響湖泊的水質包括溶氧及酸鹼值。一湖泊在優養化前的 pH 值為 7.0，經優養化後，湖泊水質的 pH 值增加至 10.0，請回答下列問題： (一)請説明水質經優養化反應後 pH 值增加的原因及可能的反應式。（10 分） (二)經檢測後湖泊水中的鹼度為 2 mM，請計算優養化後湖泊水中[CO2(aq)]、[HCO3-]及[CO3 2-]的濃度。（15 分） H2CO3 H+ + HCO3- Ka1 = 10^-6.33 (Ka1 = 4.67 × 10^-7) HCO3- H+ + CO3 2- Ka2 = 10^-10.33 (Ka2 = 4.69 × 10^-11)
📝 此題為申論題，共 2 小題
小題 (一)
請説明水質經優養化反應後 pH 值增加的原因及可能的反應式。（10 分）
思路引導 VIP
看到「優養化」與「pH值上升」，應直覺連結到「藻類光合作用」。破題關鍵在於藻類大量消耗水中的二氧化碳（CO2），這等同於移除水中的弱酸（碳酸），依據勒沙特列原理，會驅動重碳酸根（HCO3-）水解產生氫氧根（OH-），進而導致水體鹼化。作答時需列出光合作用方程式與碳酸鹽平衡式作為佐證。
小題 (二)
經檢測後湖泊水中的鹼度為 2 mM，請計算優養化後湖泊水中[CO2(aq)]、[HCO3-]及[CO3 2-]的濃度。（15 分）
思路引導 VIP
看到「鹼度」與「pH值」，應立即寫出水化學中的總鹼度（Total Alkalinity）定義方程式。接著利用給定的 pH 值求出氫離子與氫氧根離子濃度，並聯立碳酸系統的兩個解離平衡常數（Ka1, Ka2）方程式，即可透過代數運算精確解出各項碳酸鹽物種的濃度。
優養化與碳酸平衡
💡 光合作用消耗二氧化碳導致 pH 上升，利用鹼度定義計算物種分布。
🔗 優養化導致 pH 上升之因果鏈
- 1 營養鹽增加 — 氮、磷進入湖泊導致優養化
- 2 藻類大量繁殖 — 引發劇烈的光合作用反應
- 3 消耗 $CO_2$ — 水中溶解性二氧化碳濃度降低
- 4 平衡向左移動 — $H^+ + HCO_3^- \leftrightarrow CO_2 + H_2O$
- 5 pH 值升高 — 氫離子被消耗，水質偏向強鹼性
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🔄 延伸學習：延伸學習：夜間呼吸作用會釋放 $CO_2$，導致 pH 值下降，形成日夜劇烈波動。
