112 地方特考四等 環保技術類科 環境化學概要 考古題詳解

核心觀念

溫室效應是大氣中溫室氣體吸收地表放出的長波輻射（紅外線），再向各方向放射能量，其中一部分返回地表與低層大氣，使地表及近地面大氣維持較高溫度的現象。

主要溫室氣體包括二氧化碳、甲烷、氧化亞氮、水蒸氣及部分含氟氣體等。它們對太陽入射的短波輻射大致透明，卻能吸收地表向外放出的部分長波輻射，因而影響地球的能量收支。

解題方法與作答說明

答題時應分清楚「自然溫室效應」與「人為加強的溫室效應」：

1. 地球需要自然溫室效應。 太陽短波輻射到達地表後，地表吸收能量並升溫，再以長波輻射向外釋放。大氣中的溫室氣體吸收部分長波輻射並重新放射，使地表與近地面大氣保有適宜溫度。若沒有自然溫室效應，地球平均地表溫度會低得多，不利於現今多數生命生存。

2. 溫室效應加劇會造成全球暖化。 燃燒化石燃料、工業製程、農業與土地利用變化等活動，使大氣中溫室氣體濃度上升。大氣吸收地表長波輻射的能力因此增強，地球向太空散出的能量受到更多限制。在重新達成能量平衡前，地表與大氣平均溫度上升，形成全球暖化。

3. 全球暖化會推動氣候變遷與極端氣候風險。 平均溫度升高會改變降雨、蒸發與大氣環流，也會加劇海洋暖化及海平面上升，增加熱浪、強降雨、乾旱等事件的風險。答題時宜寫「改變發生機率或強度」，避免將每一次極端天氣事件都直接歸因於全球暖化。

解題技巧與常見陷阱

核心觀念

本題考查化學反應式的配平、莫耳比例與濃度換算。先將水中物質的濃度換算成總質量，再依反應式的莫耳比例計算氧氣量。

水溶液的 $1\ \mathrm{mg/L}$ 表示每公升含有 $1\ \mathrm{mg}$ 溶質；$1\ \mathrm{m^3}=1{,}000\ \mathrm{L}$。莫耳數以 $n=m/MW$ 計算，其中 $m$ 為質量、$MW$ 為分子量。

（一）過氧化氫可提供的氧氣量

過氧化氫分解反應為：

由反應式可知，$2$ 莫耳 $H_2O_2$ 生成 $1$ 莫耳 $O_2$。以分子量 $H_2O_2=34\ \mathrm{g/mol}$、$O_2=32\ \mathrm{g/mol}$ 計算，$68\ \mathrm{g}$ 過氧化氫可生成 $32\ \mathrm{g}$ 氧氣。

先換算過氧化氫總質量：

因此可提供的氧氣量為：

（二）苯完全氧化所需的氧氣量

苯完全氧化反應配平如下：

核心觀念

本題考查未受污染雨水的自然酸性、酸雨的判定基準，以及硫氧化物與氮氧化物形成酸性降水的來源和反應。酸雨主要由大氣中的 $SO_2$、$NO_x$ 氧化後形成硫酸與硝酸，再隨降水沉降。

（一）未受污染雨水與酸雨的 pH

雨水接觸大氣中的二氧化碳後，會溶入少量 $CO_2$，形成碳酸，使未受污染雨水呈弱酸性：

因此，未受污染雨水的自然平衡 pH 約為 5.6。酸雨通常定義為 pH 低於 5.6 的降水。

兩者差異在於：未受污染雨水的弱酸性主要來自大氣中自然存在的 $CO_2$；酸雨則是受到人為排放的 $SO_2$、$NO_x$ 等影響，形成較強的硫酸、硝酸，使降水酸度超過自然背景值。判定酸雨時，是將實際降水的 pH 與自然雨水約 5.6 的基準相比。

（二）酸雨污染物、排放來源與酸性物質形成

1. 主要空氣污染物與來源

造成酸雨的主要前驅物為 硫氧化物（以 $SO_2$ 為主）與氮氧化物（$NO_x$，主要為 $NO$、$NO_2$）。

• 硫氧化物：主要來自燃燒含硫煤、石油等化石燃料的火力發電廠、工業鍋爐及製程；金屬冶煉等含硫礦物處理作業也會排放 $SO_2$。
• 氮氧化物：主要在高溫燃燒時由空氣中的氮與氧反應生成，來源包括汽機車引擎、火力發電廠、工業鍋爐及其他燃燒設備。

2. 酸性物質的形成反應

硫氧化物形成硫酸：

核心觀念

本題考查水體的氧化還原分層，以及碳、氮、硫、鐵在不同氧化還原條件下的主要化學物種。水體表層通常與大氣接觸、光合作用產氧，溶氧較高、氧化還原電位（Eh）較高；底層水及沉積物孔隙水的氧較易被微生物分解有機物消耗，因而較缺氧、Eh 較低。不同元素會依其氧化態轉換，並進一步影響溶解度、沉澱及生物可利用性。

本題沒有指定水體的 pH、鹽度與污染負荷，因此以下以常見的近中性淡水，且表層含氧、底層逐漸缺氧至厭氧為例，說明優勢物種。

解題方法

先依水體的氧化還原分層判斷表層與底部的條件，再逐一列出各元素在氧化環境和還原環境下的代表物種。作答時須同時指出物種差異與造成差異的原因；「優勢物種」會受 pH、Eh、微生物作用及礦物平衡影響，不能脫離環境條件視為固定不變。

各元素說明

碳（C） 近中性水體的溶解無機碳主要以 $\mathrm{HCO_3^-}$ 存在，另有 $\mathrm{CO_2(aq)}$；實際比例會隨 pH 改變。表層水中，光合作用會消耗 $\mathrm{CO_2}$，呼吸作用則補充 $\mathrm{CO_2}$。底層有機物在微生物作用下分解，釋出 $\mathrm{CO_2}$；當環境進一步轉為強還原狀態，產甲烷作用可使部分碳以 $\mathrm{CH_4}$ 存在。碳的物種差異，主要來自有機碳分解途徑及氧化還原條件。

氮（N） 含氧表層水中，氨氮可經硝化作用氧化為硝酸根，故 $\mathrm{NO_3^-}$ 常為代表性的氧化態無機氮物種。缺氧底層中，有機氮經氨化作用形成 $\mathrm{NH_4^+}$；