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普考申論題 114年 [環保技術] 環境化學概要

第 一 題

📖 題組:
在環境化學的計算上,常會利用平衡系統(equilibrium system)或是穩定系統(steady state system)來表示污染物在環境系統中的反應情況,請回答下列問題:
📝 此題為申論題,共 2 小題

小題 (一)

請解釋平衡系統及穩定系統在環境化學應用及使用的時機,並說明兩者在使用上與熱力學及動力學間的關係。(10 分)

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考生看到此題應立刻聯想到:平衡系統是封閉環境下正逆反應速率相等的狀態,與『熱力學』反應終點相關;穩定系統是開放環境下輸入等於輸出與消耗的狀態,與『動力學』反應速率相關。解題時需對比兩者定義、適用環境(如快速酸鹼反應 vs 開放河川流動)及對應的化學理論。

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【破題】 平衡系統與穩定系統皆為環境化學中描述污染物濃度不隨時間變化($dC/dt = 0$)的模型,但兩者的物理意義、適用環境條件及所依賴的化學理論截然不同。 【論述】

小題 (二)

請說明下列的環境條件適用平衡系統或是穩定系統,並請說明可能原因:(15 分)
⑴計算平流層中臭氧濃度的變化
⑵考慮河床 CaCO3(s)固體的溶解與沉澱反應
⑶進行二氧化碳(CO2)地質封存

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解題關鍵在於區分兩者的定義:「平衡系統(Equilibrium)」適用於封閉環境中,可逆反應的正逆速率相等,達熱力學極限(如水中酸鹼、沉澱);「穩定系統(Steady state)」則適用於開放環境中,物質的總輸入/生成速率等於總輸出/消耗速率,維持濃度不變(如大氣光化學)。解題時應依據各情境的環境特性(開放/封閉)與反應機制(光化學/相變化/地質礦化)進行涵攝。

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【破題】 「平衡系統」通常適用於封閉或半封閉環境,探討可逆化學反應在熱力學上達到正逆反應速率相等的最終狀態;「穩定系統(穩態)」則適用於開放系統,指物質的生成/輸入速率與消耗/輸出速率相等,使巨觀濃度隨時間變化率為零(dC/dt = 0)。 【論述】

📝 平衡系統與穩定系統
💡 區別封閉系統熱力平衡與開放系統動力穩定之計算基礎。
比較維度 平衡系統 (Equilibrium) VS 穩定系統 (Steady State)
理論基礎 熱力學 (Thermodynamics) 動力學 (Kinetics)
核心條件 自由能差 ΔG = 0 速率 In = Out
系統類型 封閉系統或局部靜止 開放系統且有流動
典型案例 礦石溶解、封存穩定 大氣臭氧、河流污染物
💬平衡強調系統最終穩定的能量狀態,穩定強調動態流進流出的平衡。
🧠 記憶技巧:平衡看熱力(自由能)、穩定看動力(進出流),濃度不變是共同點。
⚠️ 常見陷阱:誤以為濃度不隨時間改變就一定是平衡系統,忽略穩定態也有此特性。
吉布斯自由能 化學動力學 停留時間 平流層化學

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