110 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 DDT 的化學命名與結構、殺蟲及病媒控制效益，以及持久性有機污染物的生態效應。解題時要把「環境濃度低」與「生態危害小」分開判斷：若物質不易分解、容易進入生物脂肪組織，並沿食物鏈累積，低濃度仍可造成長期且顯著的影響。

解題方法

（一）英文與中文化學名、分子結構

DDT 的英文化學名為 1,1,1-trichloro-2,2-bis(4-chlorophenyl)ethane，中文化學名為 1,1,1-三氯-2,2-雙(4-氯苯基)乙烷。

其分子結構可寫成：

 CCl₃
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 p-Cl–C₆H₄–CH–C₆H₄–Cl-p

亦可用縮寫表示為：

分子式為 $\mathrm{C_{14}H_9Cl_5}$。兩個苯環上的氯原子均位於與連接碳相對的對位；中心碳連接兩個對氯苯基、一個氫原子及一個三氯甲基。

（二）病媒與病蟲害控制的貢獻及生態危害

DDT 曾用於控制蚊、蝨等病媒，降低瘧疾、斑疹傷寒等病媒傳染病的傳播；也曾廣泛用於農業害蟲防治，提升農作物產量。其殺蟲作用主要是干擾昆蟲神經細胞的電壓閘控鈉離子通道，使神經訊號持續異常，造成過度興奮、麻痺，最後死亡。

DDT 的主要生態危害包括：

• 直接毒性：可傷害非目標生物，水生生物尤其容易受到影響。
• 生物累積與食物鏈放大：DDT 及其持久性代謝物可在生物體內累積，經捕食關係使高階消費者承受更高體內負荷。
• 繁殖與族群影響：代謝物 DDE 會干擾鳥類蛋殼形成，使蛋殼變薄、容易破裂，降低繁殖成功率，曾造成猛禽等鳥類族群衰退。
• 長期環境殘留：停用後仍可在土壤、沉積物及生物體中存在一段很長的時間，持續造成暴露。

（三）低環境含量仍造成顯著危害的原因

可從「化學性質造成持久與易累積」及「生物化學作用造成毒性與食物鏈放大」兩方面說明。

1. 化學性質：持久、疏水、親脂

• 化學穩定性高：DDT 含多個碳氯鍵與氯化芳香環，不易被光、化學反應或一般微生物快速分解，環境殘留時間長。
• 水中溶解度低、脂溶性高：DDT 不易留在水相，容易分配到生物的脂肪組織。其辛醇／水分配係數 $K_{ow}$ 高，表示物質偏向進入脂質相。

核心觀念

本題考查水中有機物分解時的耗氧作用、對河川溶氧與生態的影響，以及以不同指標定量水體需氧量的方法。

• 有機耗氧物質：水中可被微生物分解或氧化的有機物。微生物利用這些物質作為碳源與能源時，會消耗水中的溶氧。
• 需氧量：水中物質在特定反應條件下，氧化或分解所需的氧量。它是反映水體污染程度與耗氧潛勢的指標，不等同於水中當下的溶氧濃度。
• 定量方法的反應時間、氧化劑與測定條件不同，因此測得的需氧量代表不同範圍的氧化需求，數值不宜直接視為相同。

(一) 有機耗氧物質與需氧量

水中的有機耗氧物質，包括生活污水、畜牧廢水及食品加工廢水中的可生物分解有機物，也包括部分可被化學氧化的有機物。它們進入河川後，會由微生物分解；分解所需的氧由水中溶氧供應。

需氧量是將水樣中的耗氧物質氧化或分解至指定程度所需的氧量，常以每公升水樣所需氧的毫克數表示，單位為 $\mathrm{mg/L\ as\ O_2}$。常見指標包括生化需氧量、化學需氧量及總需氧量；它們的定義與測定程序不同，應依方法名稱判讀。

(二) 有機耗氧物質對河川生態的影響

有機物排入河川後，微生物分解作用增強，耗氧速率上升。當耗氧速率大於大氣復氧及水流混合補充氧的速率時，河川溶氧便會下降，形成溶氧凹陷。

溶氧降低會造成下列影響：

1. 魚類及水生無脊椎動物呼吸受限，溶氧過低時可能逃離、窒息或死亡。
2. 對低溶氧敏感的物種減少，耐污、耐低氧物種比例增加，群聚組成與生物多樣性改變。
3. 缺氧底泥可能轉為還原環境，促使還原性物質及臭味物質生成，並可能造成底泥中部分污染物釋出。
4. 若水體嚴重缺氧，分解作用會轉向厭氧途徑，產生甲烷、硫化氫等物質，進一步惡化水質與棲地。

因此，有機物造成的危害不只在於污染物本身，也在於其分解過程使河川溶氧供需失衡。

(三) 需氧量的不同定量方法

1. 生化需氧量（BOD）

生化需氧量是水樣中的微生物在規定條件下分解可生物降解物質所消耗的溶氧量。常用 五日生化需氧量（$\mathrm{BOD_5}$）：將水樣稀釋至適當溶氧濃度，在 $20^\circ\mathrm{C}$ 暗處培養五日，測量培養前後溶氧差，並依稀釋倍數換算。

若不考慮接種液修正，計算式為：

核心觀念

本題考查氣體體積濃度與質量濃度的換算。對理想氣體而言，ppb 表示體積比，也等同莫耳分率；已知溫度與壓力後，可利用理想氣體定律求出每立方公尺空氣中的總莫耳數，再乘上臭氧的莫耳分率與莫耳質量。

臭氧為 $\mathrm{O_3}$，莫耳質量取 $48.0\ \mathrm{g/mol}$。理想氣體定律為：

解題方法

先將溫度換算為絕對溫度：

依理想氣體定律，每立方公尺空氣的總莫耳數為：

臭氧濃度 $38\ \mathrm{ppb}$ 為 $38\times10^{-9}\ \mathrm{mol/mol}$，因此每立方公尺空氣中的臭氧莫耳數為：

核心觀念

初級污染物與次級污染物的區別，在於污染物進入大氣的形成位置與生成方式：

• 初級污染物（primary pollutants）：由污染源直接排放至大氣中的污染物，例如燃燒、工業製程或自然活動直接釋出的氣體與粒子。
• 次級污染物（secondary pollutants）：由初級污染物進入大氣後，經化學反應、光化學反應或其他大氣轉化作用生成的污染物，通常不是以該形態直接排放為主要來源。

判斷時應追問：題目所列物質是由污染源直接排出，還是由大氣中的前驅物反應生成？若某物質有兩種來源，應依其主要生成機制說明，並指出其來源可能不只一種。

解題方法

先依常見污染源排放辨認直接排放的物質，再追蹤大氣中的反應產物：

1. 燃燒或製程可直接排出二氧化碳、二氧化硫及一氧化氮，歸為初級污染物。
2. 一氧化氮可在大氣中被氧化成二氧化氮，因此二氧化氮常作為次級污染物的例子；但燃燒也會直接排放部分二氧化氮，須交代其雙重來源。
3. 甲醛可由揮發性有機物在大氣中的氧化反應生成，歸為次級污染物；燃燒等來源也會直接排放甲醛，因此同樣應補充其來源特性。

各污染物分類與依據

核心觀念

本題考查污染物的一階降解動力學，以及一階反應的半衰期。若污染物濃度以 $C$ 表示、時間以 $t$ 表示，一階降解的反應速率與當下濃度成正比：

其中 $k$ 為一階反應速率常數，負號表示污染物濃度隨時間降低；若 $t$ 以日為單位，則 $k$ 的單位為 $\mathrm{day^{-1}}$。

解題方法

（一）一階反應與降解方程式

一階反應是指反應速率與反應物濃度的一次方成正比。對污染物降解而言，濃度愈高，單位時間內降解的量愈多，因此可寫成：

分離變數並積分，令初始濃度為 $C_0$，可得：

因此，一階降解的濃度—時間方程式為：

（二）半衰期的定義

半衰期是污染物濃度降至初始濃度一半所需的時間。若初始濃度為 $C_0$，則在半衰期 $t_{1/2}$ 時：

（三）半衰期與速率常數的關係

將 $C=C_0/2$ 及 $t=t_{1/2}$ 代入一階降解方程式：