高考申論題
114年
[化學安全] 環境化學(含分析化學)
第 一 題
📖 題組：
請回答以下有關化學物質在土壤中的行為之問題： (一) 土壤 pH 及氧化還原電位（oxidation-reduction potential, ORP）是土壤化學性質的重要指標，當土壤浸水一些時間後，若細菌在土壤內部缺乏空氣下將土壤中有機物進行生物降解，請說明土壤中的 pH 及 ORP 值會如何變化，並請說明這種變化會使土壤中 MnO2 及 Fe2O3 易於進行何氧化或還原的化學反應（須寫出化學反應式）？（10 分） (二) 承上題，上述化學反應的產物會與土壤中的黃酸（fulvic acid）化學結構中的官能基，產生螯合作用，請說明這種螯合作用會使鐵的 pE-pH 圖中 Fe(II)與 Fe(OH)3 邊界線如何移動並說明原因？（5 分） (三) 土壤中黏土的無機礦物及有機物皆可進行陽離子交換，請分別說明其化學機制及其對土壤中水（土壤溶液）的 pH 有何影響？（10 分）
請回答以下有關化學物質在土壤中的行為之問題： (一) 土壤 pH 及氧化還原電位（oxidation-reduction potential, ORP）是土壤化學性質的重要指標，當土壤浸水一些時間後，若細菌在土壤內部缺乏空氣下將土壤中有機物進行生物降解，請說明土壤中的 pH 及 ORP 值會如何變化，並請說明這種變化會使土壤中 MnO2 及 Fe2O3 易於進行何氧化或還原的化學反應（須寫出化學反應式）？（10 分） (二) 承上題，上述化學反應的產物會與土壤中的黃酸（fulvic acid）化學結構中的官能基，產生螯合作用，請說明這種螯合作用會使鐵的 pE-pH 圖中 Fe(II)與 Fe(OH)3 邊界線如何移動並說明原因？（5 分） (三) 土壤中黏土的無機礦物及有機物皆可進行陽離子交換，請分別說明其化學機制及其對土壤中水（土壤溶液）的 pH 有何影響？（10 分）
📝 此題為申論題，共 3 小題
小題 (一)
土壤 pH 及氧化還原電位（oxidation-reduction potential, ORP）是土壤化學性質的重要指標，當土壤浸水一些時間後，若細菌在土壤內部缺乏空氣下將土壤中有機物進行生物降解，請說明土壤中的 pH 及 ORP 值會如何變化，並請說明這種變化會使土壤中 MnO2 及 Fe2O3 易於進行何氧化或還原的化學反應（須寫出化學反應式）？（10 分）
思路引導 VIP
看到「浸水厭氧與生物降解」，首先應聯想到無氧呼吸與發酵作用會產生有機酸與二氧化碳，導致 pH 值下降；同時因氧氣耗盡，氧化還原電位（ORP）亦會隨之降低。接著運用氧化還原觀念，推導在低 ORP 與低 pH 環境下，高價態的金屬氧化物（Mn(IV)、Fe(III)）將作為電子受體進行「還原反應」，並寫出對應的還原半反應式。
小題 (二)
承上題，上述化學反應的產物會與土壤中的黃酸（fulvic acid）化學結構中的官能基，產生螯合作用，請說明這種螯合作用會使鐵的 pE-pH 圖中 Fe(II)與 Fe(OH)3 邊界線如何移動並說明原因？（5 分）
思路引導 VIP
本題重點在於結合配位化學與熱力學平衡圖。考生需先想到黃酸作為有機配位基，會與還原產物 Fe(II) 形成穩定螯合物，導致游離 Fe2+ 濃度下降；接著利用 Nernst 方程式推導游離濃度下降對 pE 值的影響，進而判斷邊界線的移動方向與物理意義。
小題 (三)
土壤中黏土的無機礦物及有機物皆可進行陽離子交換，請分別說明其化學機制及其對土壤中水（土壤溶液）的 pH 有何影響？（10 分）
思路引導 VIP
破題關鍵在於區分土壤中『無機礦物（黏土）』與『有機物（腐植質）』產生負電荷的來源差異（同晶取代的永久電荷 vs. 官能基解離的變動電荷）。接著，說明這些帶負電的表面如何吸附與交換氫離子（H+）或鹼性陽離子，進而構成土壤強大的『酸鹼緩衝系統』，調節土壤溶液的 pH 值。