109 高普考普通考試 環境檢驗 環境化學概要 考古題詳解

核心觀念

本題考查醋酸與醋酸鈉所形成的緩衝溶液，以及加入強鹼後的中和反應與緩衝液計算。

醋酸為弱酸，醋酸鈉會解離提供其共軛鹼醋酸根。緩衝溶液的 pH 可用 Henderson–Hasselbalch 公式計算：

其中 $[\mathrm{CH_3COO^-}]$ 為共軛鹼濃度，$[\mathrm{CH_3COOH}]$ 為弱酸濃度。

解題方法

一、加入 NaOH 前

已知醋酸濃度為 $0.01\ \mathrm{M}$，醋酸鈉濃度為 $0.02\ \mathrm{M}$，故：

二、加入 $0.001\ \mathrm{M}$ NaOH 後

NaOH 為強鹼，會與醋酸反應：

核心觀念

本題考查污染物在土壤中的吸附與遷移性。污染物若易溶於水、與土壤固相作用弱，便容易隨入滲水向下移動；若易吸附在黏土礦物或土壤有機質上，則較易停留在土壤表層。

可用土壤－水分配係數 $K_d$ 概念判斷：

$K_d$ 越大，污染物越容易被土壤吸附，遷移越慢；$K_d$ 越小，污染物越留在孔隙水中，較容易隨水入滲。對疏水性有機物，常以有機碳分配係數 $K_{oc}$ 描述其與土壤有機質的親和力；$K_{oc}$ 越大，越容易被土壤有機質滯留。

解題方法

先辨認污染物的化學型態，再判斷其與土壤固相及水相的親和力：

• 陰離子：常因土壤表面帶負電而吸附較弱，水溶性高時容易淋洗。
• 金屬陽離子：可被帶負電的黏土與有機質吸附，也可能形成沉澱，通常遷移較慢。
• 疏水性有機物：易分配至土壤有機質，通常留在土壤中。
• 水溶性且吸附弱的有機物：較容易隨水移動。

各污染物分析

（一）過氯酸根離子 $ClO_4^-$：容易入滲地下水

過氯酸根是水溶性的陰離子，通常不易吸附於土壤顆粒；一般土壤礦物表面也不利於吸附陰離子。因此它主要存在於土壤孔隙水中，容易隨降雨或灌溉水向下淋洗。

判斷：容易入滲地下水。​其遷移受水流影響明顯，且在一般環境條件下不易快速分解。

（二）銅離子 $Cu^{2+}$：傾向停留在土壤表層

銅離子是金屬陽離子，可被帶負電的黏土礦物表面及土壤有機質吸附。土壤中若有適當的 pH 與化學條件，銅也可能形成氫氧化物、碳酸鹽等低溶解度固相，進一步降低其在孔隙水中的濃度。

判斷：傾向停留在土壤表層。​酸性土壤或存在有機配位物時，銅的溶解與遷移可能增加，但一般比較下，銅的土壤吸附作用較強。

（三）多氯聯苯（PCB）：傾向停留在土壤表層

多氯聯苯具有高疏水性，水溶性低，且通常具有較高的 $K_{oc}$，容易分配至土壤有機質及有機碳含量較高的土壤顆粒。其在土壤中的吸附會降低溶於孔隙水並向下遷移的比例。

核心觀念

本題考查碳酸鈣溶解平衡與總鹼度的定義。天然水與固體碳酸鈣平衡時，可用下列反應表示：

忽略離子強度效應，碳酸鈣的溶度積為：

總鹼度衡量水中中和酸的能力。此題涉及的主要鹼度成分為碳酸氫根與碳酸根；在忽略水中其他緩衝物種的題目假設下，可寫成：

各物質加入後，系統會透過酸鹼平衡及碳酸鈣溶解或沉澱重新達到平衡。

解題方法與選項分析

（一）氫氧化鉀 $\mathrm{KOH}$

$\mathrm{KOH}$ 完全解離，加入 $\mathrm{OH^-}$，使總鹼度上升。升高的 pH 促使碳酸氫根轉為碳酸根：

碳酸根濃度增加後，依共同離子效應，碳酸鈣溶解度降低，部分鈣離子與碳酸根形成固體 $\mathrm{CaCO_3}$。因此水中鈣離子濃度下降；加入的強鹼仍使總鹼度上升。

判定：鈣離子下降；總鹼度上升。

（二）硝酸鈣 $\mathrm{Ca(NO_3)_2}$

$\mathrm{Ca(NO_3)_2}$ 解離後增加 $\mathrm{Ca^{2+}}$，硝酸根不提供鹼度。鈣離子增加會使離子積大於原平衡時的溶度積，促使碳酸鈣沉澱：

沉澱消耗碳酸根，並帶動碳酸氫根轉化、消耗鹼度；反應可概括為：

核心觀念

本題考查硫氧化物（$\mathrm{SO_x}$）的主要來源，以及污染防制上如何從「燃料端、燃燒端、排放端」降低排放。空氣中的硫氧化物以二氧化硫（$\mathrm{SO_2}$）為主，另有三氧化硫（$\mathrm{SO_3}$）；$\mathrm{SO_2}$ 進入大氣後可進一步氧化，形成硫酸及硫酸鹽氣膠，造成酸沉降與細懸浮微粒污染。

解題方法

作答時先區分自然來源與人為來源，再依污染物生成及排放流程說明控制方式。控制方法可依序列出燃料與原料的含硫量控制、燃燒過程控制，以及煙道氣脫硫，並簡述各方法如何降低硫氧化物排放。

硫氧化物的來源

一、自然來源

• 火山活動排放含硫氣體，主要包括$\mathrm{SO_2}$及硫化氫（$\mathrm{H_2S}$）。
• 海洋生物、沼澤及有機物分解可釋出含硫氣體；其中$\mathrm{H_2S}$可在大氣中氧化成$\mathrm{SO_2}$。
• 森林火災及其他自然燃燒也會排放硫氧化物。

二、人為來源

• 燃燒含硫化石燃料：​燃煤、燃油及重油中的硫在燃燒時主要氧化成$\mathrm{SO_2}$；部分$\mathrm{SO_2}$再氧化成$\mathrm{SO_3}$。可用下式概括：

$\mathrm{S + O_2 \rightarrow SO_2}$

$\mathrm{2SO_2 + O_2 \rightarrow 2SO_3}$

• 工業製程：​金屬硫化礦焙燒與冶煉、煉油、硫酸製造、紙漿製造及含硫原料加工等，都可能排放$\mathrm{SO_x}$。
• 其他燃燒活動：​船舶、鍋爐、工業爐及柴油設備使用含硫燃料時，也會產生硫氧化物。

控制方式

一、燃料及原料端控制

核心觀念

本題要從 12 天測得的總耗氧量中扣除硝化作用所消耗的氧，剩下的才是碳生化需氧量（carbonaceous BOD，CBOD）。溶氧耗減須先扣除空白瓶的耗減，再按稀釋倍數換算回原河川水樣。

氨氮氧化為硝酸氮的需氧量為：

因此，每氧化 $1\ \mathrm{mg\text{-}N}$ 至硝酸氮，需氧量為：

解題方法

一、計算扣除空白後的溶氧耗減

稀釋水樣瓶的溶氧耗減為：

空白瓶的溶氧耗減為：

所以，扣除空白耗氧後，稀釋水樣的總耗氧量為：

二、計算硝化需氧量

亞硝酸氮沒有增加，硝酸氮增加量為：