111 關務特考四等 化學工程 分析化學概要 考古題詳解
第 一 題25 分
(一)常用的溶液中物質濃度單位 ppm 定義為何?計算時我們經常將 當成 ppm 使用,請問為何 ppm 與 可以互通?是否有任何條件限制?(10 分)
(二)報導空氣品質時也常用 ppmv 當作單位,請說明此單位的定義。(8 分)
(三)在全球呼籲減碳與永續的聲浪下,目前空氣中的二氧化碳已經高達 400 ppmv,請問在 1 莫耳的空氣裡,含有多少毫克的二氧化碳?(7 分)
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核心觀念
本題考查三種濃度表示法:
- ppm:parts per million,百萬分之一,溶液中通常指溶質的質量比。
- mg/L:每公升溶液中含有多少毫克溶質。
- ppmv:parts per million by volume,體積百萬分之一,常用於氣體濃度表示。
(一)ppm 的定義與 的適用條件
1. ppm 的定義
在溶液中,ppm 通常定義為溶質質量占溶液總質量的百萬分之一:
因此,若以質量單位表示:
這是嚴格的質量濃度定義。
2. ppm 與 的關係
設溶液密度為 ,單位為 ,則 溶液的質量為:
若濃度為 ppm,則每公升溶液中溶質的質量為:
所以:
反之:
3. 為何常將 當成 ppm?
稀薄水溶液的密度通常接近水的密度:
因此:
例如, 的稀水溶液,因為每公升溶液質量約為 ,所以約等於 。
4. 條件限制
與 ppm 可以互通,必須建立在下列近似條件下:
- 溶液為稀溶液;
- 溶液密度接近 ;
- ppm 指的是質量比,而非莫耳比或體積比。
若溶液密度明顯不同於 ,則不可直接將 視為 ppm,必須使用:
例如密度為 的溶液,其 濃度為:
(二)ppmv 的定義
1. 單位定義
ppmv 表示氣體混合物中,某一成分的體積占總氣體體積的百萬分之一:
因此:
例如, 的二氧化碳表示:
也就是空氣中每一百萬體積單位的空氣,含有 體積單位的二氧化碳。
第 二 題25 分
如果要讓水溶液中的 完全沉澱,可在該溶液加入 形成 :
持續通入 氣體,使含有 的水溶液中 維持飽和溶解度 0.1 M;加入緩衝試劑,使整體溶液維持 ,並參考下列反應:
(一)請推導出平衡時 與 、、 之間的數學關係式。(15 分)
(二)根據上述條件,當沉澱完畢達到平衡時,水溶液中 (10 分)
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核心觀念
本題考查:
-
難溶鹽的溶度積平衡:
-
二元酸 的逐級解離平衡:
- pH 與氫離子濃度的關係:
題目給定 維持飽和濃度 ,且溶液固定於 ,因此可直接求出平衡時的 濃度,再利用 求殘留的 濃度。
解題方法與推導
(一)推導 的關係式
由第一級解離平衡:
整理得:
由第二級解離平衡:
整理得:
代入 :
PbS 的溶度積為:
因此:
代入 的表示式:
第 三 題25 分
將 ()飽和溶解於 緩衝溶液。 三質子酸解離常數:、、。
(一)請計算 對溶液中所有具磷酸根物種的比值(即莫耳濃度分率):
(8 分)
(二)請推導出 溶解度(用 表示)與 (溶解度積)以及 之數學關係式,(以 與 表示之關係式)(10 分)
(三)請問銀離子濃度 (7 分)
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核心觀念
本題為典型的「酸效應對難溶鹽溶解度之影響(pH-dependent Solubility)」計算題,核心考點包含:
- 多質子弱酸之莫耳濃度分率( 值):在固定 條件下,利用三質子酸()的多步酸解離常數()及 ,推導並計算特定型態()佔總磷酸根物種之分率 。
- 副反應係數與條件溶解度(Mass Balance & ):難溶鹽 溶解時,陰離子 與水溶液中的 發生質子化副反應。透過質量平衡(Mass Balance),將總溶解度 與沉澱平衡之游離離子濃度連結。
- 沉澱平衡濃度計算:將分率關係式代入溶度積常數表示式 ,求得平衡時之溶解度 與銀離子濃度 。
解題方法與詳細步驟
(一)計算 的莫耳濃度分率
- 定義總磷酸根濃度 與分率關係: 設溶液中所有具磷酸根物種的總濃度為 :
依據各級酸解離常數:
通分後, 之標準推導公式為:
- 數值代入計算: 在 緩衝溶液中:
-
分子項:
-
分母各項:
-
分母總和 :
-
計算分率:
(二)推導 溶解度 與 及 之數學關係式
第 四 題25 分
將某一酒精溶液樣品 1.0 mL 加到 50 mL、0.02 M 的 水溶液中,在酸性條件下充分加熱反應。已知酒精會被氧化成醋酸, 會產生 :
(一)請寫出此步驟的平衡氧化還原反應。(8 分)
(二)在前一步中 必須是過量,才可使酒精完全耗盡。因此在反應之後會有剩餘的 需要測定。吾人先加入 20 mL 的 (0.125 M)與適量酸,使之完全還原,請寫出此步驟的平衡氧化還原反應。(7 分)
(三)過剩的 可以再用原本配好的 0.02 M 溶液滴定之。經實驗測定,此步驟需 7.5 mL 方可達滴定終點。原本酒精溶液樣品的濃度是多少百分比(w/v)%?(10 分)
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核心觀念
本題為經典的**氧化還原返滴定(Back Titration)**分析題型,評量重點包含:
- 半反應法平衡酸性水溶液之氧化還原反應:
- 乙醇()氧化為乙酸():碳的平均氧化數由 升至 ,轉移 莫耳電子。
- 重鉻酸根()還原為鉻離子():鉻的氧化數由 降至 ,每莫耳 轉移 莫耳電子。
- 亞鐵離子()氧化為鐵離子():鐵的氧化數由 升至 ,轉移 莫耳電子。
- 返滴定計算邏輯: 由於酒精易揮發且反應速率較慢,無法直接以標準液滴定,故採用「加入過量氧化劑加熱反應 加入過量還原劑將剩餘氧化劑消耗 以標準氧化劑滴定過剩還原劑」之雙重返滴定程序。
- 濃度表示法: 重量/體積百分濃度 定義為每 溶液中所含溶質之公克數():
解題方法
(一)平衡酒精被重鉻酸鉀氧化之反應式
- 寫出氧化與還原半反應式:
- 氧化半反應(酒精 醋酸):
- 還原半反應(重鉻酸根 鉻離子):
- 消去電子以平衡全反應: 電子轉移數最小公倍數為 ,: 消去兩側多餘的 與 ,得淨離子方程式: (若以全分子方程式表示,加入硫酸 與鉀離子 :)
(二)平衡剩餘重鉻酸鉀與亞鐵離子之反應式
- 寫出氧化與還原半反應式:
- 氧化半反應(亞鐵離子 鐵離子):
- 還原半反應(重鉻酸根 鉻離子):
- 消去電子平衡全反應: ,得淨離子方程式:
(三)計算原本酒精溶液樣品之 濃度
- 計算各步驟之化學計量莫耳數(以 表示):
- 總加入的 莫耳數:
- 步驟(三)滴定過剩 消耗的 莫耳數:
- 步驟(三)中過剩未反應的 莫耳數(依 ):
- 與步驟(一)殘留之 反應所消耗的 莫耳數: