高考申論題
115年
[環境檢驗] 分析化學
第 一 題
📖 題組：
乙二胺四乙酸（EDTA）廣泛應用於環境水樣中總硬度（Ca2+, Mg2+）及重金屬之分析。
乙二胺四乙酸（EDTA）廣泛應用於環境水樣中總硬度（Ca2+, Mg2+）及重金屬之分析。
📝 此題為申論題，共 2 小題
小題 (一)
EDTA 本身為一多質子酸（可表示為 H6Y2+）。在進行錯合滴定時，為何溶液必須加入大量的緩衝溶液以維持在特定的高 pH 值（例如 pH 10）？（5 分）請從「質子化效應（Protonation effect）」的角度，說明「條件形成常數（Conditional formation constant, Kf’）」與絕對形成常數（Kf）的關係，以及游離分率 α4的意義。（10 分）
思路引導 VIP
EDTA滴定是分析化學經典必考題。第一問：為何維持高pH (pH 10)？這牽涉到EDTA的解離。EDTA最強的錯合型態是全解離的 Y4-。加緩衝液一是為了確保 Y4- 濃度夠高，二是滴定過程中會釋放 H+ (如 M2+ + H2Y2- -> MY2- + 2H+)，若無緩衝液pH會下降，導致反應逆向。第二問：質子化效應。因為溶液中 H+ 會與金屬離子競爭 EDTA。要寫出公式 $K_f' = \alpha_4 \times K_f$。第三問：$alpha_4$ 的意義。定義為未與金屬結合的總 EDTA (C_EDTA) 中，以 Y4- 型態存在的比例。時間分配約 10-12 分鐘，公式務必正確標示。
小題 (二)
滴定水硬度時常使用「羊毛鉻黑 T（Eriochrome Black T, EBT）」作為金屬離子指示劑。請利用化學平衡反應式，詳細說明 EBT 指示劑在滴定終點時產生顏色變化（由紅色轉為藍色）的作用機制。（10 分）
思路引導 VIP
本題重點在於「金屬離子指示劑的變色機制」。要引導考生寫出 EBT 在 pH=10 條件下的自身顏色，以及錯合物的顏色。首先，說明 EBT 是一種弱酸，在 pH 10 時游離態呈藍色 (HIn2-)。滴定前，EBT 會與少量 Mg2+ 結合，形成紅色的錯合物 (MgIn-)。隨著 EDTA 滴入，EDTA 會先與游離的 Ca2+ 和 Mg2+ 反應。到了終點時，EDTA 會將 MgIn- 錯合物中的 Mg2+ 強行奪走（因為 K_f(Mg-EDTA) > K_f(Mg-EBT)），釋放出的游離 EBT 使溶液瞬間由紅色轉為藍色。這三個階段必須清楚敘述，並附上終點置換反應式。