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：
二、鹼度可做為天然水體中 pH 緩衝劑及無機碳源，也會影響水中二氧化碳溶解度，而溶於水體中二氧化碳之主要物種型態為 CO2(aq)，其於水中解離反應的反應式及常數（25oC）如下： CO2(aq) + H2O ↔ HCO3-(aq) + H+(aq) pKa1 = 6.35 (1) HCO3-(aq) ↔ CO3 2-(aq) + H+(aq) pKa2 = 10.33 (2) 請回答以下問題（水溫皆為 25oC）：（每小題 10 分，共 30 分） (一) 已知在大氣壓力 1.00 atm 下，水蒸氣壓為 0.0313 atm，空氣中二氧化碳濃度為 425 ppm、亨利常數為 3.38×10−2 mol/L-atm，請計算空氣中二氧化碳在 1.00×10−4 M NaOH 水溶液中的飽和溶解度（mol/L）。 (二) 某天然水體水樣（總）鹼度為 1.50×10−3 eq/L，pH 為 11.0，請計算 CO3 2-(aq)的體積莫耳濃度（M）。 (三) 某水樣的體積為 50.0 mL，滴定至酚酞終點需消耗 0.0200 N H2SO4 水溶液 7.00 mL，繼續滴定至溴甲酚綠終點需另消耗 0.0200 N H2SO4 水溶液 12.00 mL，若忽略 OH−鹼度，請計算 CO3 2−鹼度（mg/L as CaCO3）及 HCO3 −鹼度（mg/L as CaCO3）。
二、鹼度可做為天然水體中 pH 緩衝劑及無機碳源，也會影響水中二氧化碳溶解度，而溶於水體中二氧化碳之主要物種型態為 CO2(aq)，其於水中解離反應的反應式及常數（25oC）如下： CO2(aq) + H2O ↔ HCO3-(aq) + H+(aq) pKa1 = 6.35 (1) HCO3-(aq) ↔ CO3 2-(aq) + H+(aq) pKa2 = 10.33 (2) 請回答以下問題（水溫皆為 25oC）：（每小題 10 分，共 30 分） (一) 已知在大氣壓力 1.00 atm 下，水蒸氣壓為 0.0313 atm，空氣中二氧化碳濃度為 425 ppm、亨利常數為 3.38×10−2 mol/L-atm，請計算空氣中二氧化碳在 1.00×10−4 M NaOH 水溶液中的飽和溶解度（mol/L）。 (二) 某天然水體水樣（總）鹼度為 1.50×10−3 eq/L，pH 為 11.0，請計算 CO3 2-(aq)的體積莫耳濃度（M）。 (三) 某水樣的體積為 50.0 mL，滴定至酚酞終點需消耗 0.0200 N H2SO4 水溶液 7.00 mL，繼續滴定至溴甲酚綠終點需另消耗 0.0200 N H2SO4 水溶液 12.00 mL，若忽略 OH−鹼度，請計算 CO3 2−鹼度（mg/L as CaCO3）及 HCO3 −鹼度（mg/L as CaCO3）。
📝 此題為申論題，共 3 小題
小題 (一)
已知在大氣壓力 1.00 atm 下，水蒸氣壓為 0.0313 atm，空氣中二氧化碳濃度為 425 ppm、亨利常數為 3.38×10−2 mol/L-atm，請計算空氣中二氧化碳在 1.00×10−4 M NaOH 水溶液中的飽和溶解度（mol/L）。
思路引導 VIP
本題屬於開放系統中的氣液平衡與酸鹼平衡計算。首先須扣除水蒸氣壓以求得真實的二氧化碳分壓，再利用亨利定律算出未解離的 [CO2(aq)]。接著，透過溶液的電荷平衡式，利用已知 [Na+] 濃度推導出主要的解離物種 [HCO3-] 濃度，最後將所有含碳物種加總即為飽和溶解度。
小題 (二)
某天然水體水樣（總）鹼度為 1.50×10−3 eq/L，pH 為 11.0，請計算 CO3 2-(aq)的體積莫耳濃度（M）。
思路引導 VIP
看到總鹼度與 pH 值的題目，首先要寫出總鹼度的嚴謹定義公式：Alk = [HCO3-] + 2[CO3 2-] + [OH-] - [H+]。接著利用給定的 pH 值計算出 [OH-]，並透過碳酸的第二解離常數 (Ka2) 找出 [HCO3-] 與 [CO3 2-] 之間的濃度比例關係，最後代回總鹼度公式即可解出目標濃度。
小題 (三)
某水樣的體積為 50.0 mL，滴定至酚酞終點需消耗 0.0200 N H2SO4 水溶液 7.00 mL，繼續滴定至溴甲酚綠終點需另消耗 0.0200 N H2SO4 水溶液 12.00 mL，若忽略 OH−鹼度，請計算 CO3 2−鹼度（mg/L as CaCO3）及 HCO3 −鹼度（mg/L as CaCO3）。
思路引導 VIP
本題考查鹼度滴定原理。酚酞終點（pH 約 8.3）代表中和了一半的碳酸根；繼續滴定至溴甲酚綠終點（pH 約 4.5）則中和了另一半的碳酸根及原有的碳酸氫根。透過滴定體積的關係即可分別求出碳酸根與碳酸氫根的鹼度，並代入公式換算為以 CaCO3 計的濃度。