110 經濟部聯招(台電、中油、台水、台糖)新進職員 化學 國營事業聯招 (分析化學、儀器分析)B 考古題詳解
第 一 題13 分
請回答下列問題:(共 2 題,共 13 分)
(一) 請說明何謂緩衝溶液(Buffer solution)及緩衝能力(Buffer capacity)?(8 分) (二) 在 甲酸()溶液中需要加入多少量的甲酸鈉,才能配製 的緩衝溶液(甲酸 ,甲酸鈉分子量 ,計算至小數點後第 1 位,以下四捨五入)?(5 分)
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核心觀念
本題考查:
- 緩衝溶液與緩衝能力的定義。
- 弱酸與其共軛鹼所形成緩衝系統的平衡。
- Henderson–Hasselbalch 方程式的應用。
- 由目標 pH 反推共軛鹼與弱酸的莫耳比,再換算成甲酸鈉的質量。
(一)緩衝溶液與緩衝能力
1. 緩衝溶液的定義
緩衝溶液是由:
- 弱酸與其共軛鹼,例如 ;
- 弱鹼與其共軛酸,例如 ;
所組成的溶液。
其主要特性是在一定範圍內加入少量強酸、強鹼,或受到適度稀釋時,溶液的 pH 變化很小。
以甲酸緩衝系統為例:
加入少量強酸時:
加入少量強鹼時,氫氧根會與甲酸反應:
因此,加入的酸、鹼會被緩衝系統消耗,pH 不會大幅改變。
緩衝溶液只能「減少」pH 變化,不能完全阻止 pH 變化;當加入的酸、鹼超過其可承受範圍時,緩衝作用會明顯降低。
2. 緩衝能力的定義
緩衝能力表示緩衝溶液抵抗 pH 變化的能力,定義為使 1 L 溶液的 pH 改變 1 個單位所需加入的強酸或強鹼莫耳數:
若以單位體積表示,常用單位為:
對弱酸 與共軛鹼 所形成的緩衝溶液:
其中:
- ,為緩衝系統的總濃度;
- 為弱酸解離常數。
緩衝能力的特性如下:
- 當 時,,緩衝能力最大。
- 緩衝溶液的總濃度越大,緩衝能力越強。
- 當弱酸與共軛鹼的濃度比差異過大時,緩衝能力會降低。
- 實際有效緩衝範圍通常約為:
(二)甲酸鈉用量計算
解題方法
第 二 題15 分
請對第一組陽離子()設計一個包含分離及檢驗的實驗流程。(15 分)
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核心觀念
本題考查第一組陽離子的系統定性分析。第一組陽離子包括:
其共同特徵是在酸性溶液中加入稀鹽酸,形成難溶氯化物沉澱:
分離的主要依據為:
- 氯化物溶解度不同: 在熱水中的溶解度較大,可與 、 分離。
- 氨錯合反應不同: 可溶於氨水形成二氨合銀錯離子; 則與氨反應生成黑色物質。
- 特徵沉澱或顏色反應:各離子再以專一性試劑確認。
解題方法與實驗流程
一、沉澱第一組陽離子
取待測溶液,加入稀鹽酸,充分攪拌後靜置,再以離心或過濾分離沉澱與濾液。
沉澱含有:
反應式如下:
濾液中不應再含有大量第一組陽離子;若仍有沉澱生成,表示鹽酸添加不足或沉澱未完全。
二、以熱水分離鉛離子
將第一步所得沉澱以少量熱水處理,充分攪拌並趁熱過濾。
- 濾液:主要含溶解的
- 殘渣:含有 與
鉛離子在熱水中溶解:
和 在熱水中仍大致保留為沉澱,因此可藉此完成鉛與銀、亞汞的分離。
鉛離子的確認
將鉛氯化物熱水濾液分成兩份,分別進行確認。
方法一:加入鉻酸鉀
先以稀醋酸使溶液保持弱酸性,再加入 ,生成黃色鉻酸鉛沉澱:
黃色 可作為鉛離子的確認反應。
方法二:加入碘化鉀
加入 ,生成亮黃色碘化鉛沉澱:
加熱時沉澱可溶解,冷卻後形成金黃色片狀結晶,亦可作為鉛的輔助確認。
三、以氨水分離銀離子與亞汞離子
將熱水萃取後的殘渣加入稀氨水,充分攪拌,再過濾。
銀離子的反應
氯化銀溶於氨水,形成無色的二氨合銀錯離子:
因此:
- 氨水濾液:含
- 黑色殘渣:由 與氨反應產生
亞汞離子的反應
氯化亞汞與氨水反應,生成金屬汞與氨基氯化汞,呈黑色:
生成的金屬汞與 混合後呈黑色,因此黑色沉澱是 的重要特徵。
四、銀離子的確認
取氨水濾液,加入稀硝酸酸化,使二氨合銀錯離子分解,重新生成白色氯化銀沉澱:
接著:
由於原溶液中已有氯離子,酸化後會產生白色 。此沉澱可再以氨水溶解,作為銀離子的確認:
第 三 題22 分
請回答下列有關乙二胺四乙酸(EDTA)的問題:(共 5 題,共 22 分)
(一) 請畫出 EDTA 的結構式(以 形式表示)。(4 分) (二) EDTA 總共有幾個可以與金屬結合之位置?(3 分) (三) 之 離子加入 過量的 EDTA 與之反應,剩餘之 EDTA 以 的 離子予以反滴定至當量點,則原溶液中 離子莫耳濃度為何?(5 分) (四) 請列舉 3 種需使用 EDTA 反滴定之情況。(6 分) (五) 請敘述何謂遮蔽試劑(masking agent)?(4 分)
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核心觀念
本題重點包括:
- EDTA 的多牙配位結構與配位位置。
- EDTA 與金屬離子通常以 莫耳比反應。
- 過量 EDTA 的反滴定計算。
- EDTA 反滴定的適用時機。
- 遮蔽試劑對干擾金屬離子的選擇性抑制作用。
(一)EDTA 的結構式
EDTA 的去質子化形式為 ,又常寫作 。其結構式可表示為:
較完整的線性表示為:
其中:
- 兩個氮原子各具有一對可供配位的孤電子對。
- 四個羧酸根中的氧原子可提供配位作用。
- 因此 是典型的六牙配位基。
EDTA 與二價金屬離子的反應可表示為:
(二)EDTA 可與金屬結合的位置數
EDTA 總共有 6 個配位位置:
- 2 個胺基氮原子。
- 4 個羧酸根氧原子。
因此,EDTA 是六牙配位基(hexadentate ligand),可利用 6 個供電子原子包圍金屬離子,形成穩定的螯合物。
需注意「配位位置數」與「羧酸基數目」不同。EDTA 有 4 個羧酸基,但總配位位置為 6 個。
(三) 莫耳濃度
解題方法
本題採用「過量 EDTA 反滴定法」:
- 先加入已知且過量的 EDTA,使 完全反應。
- 以 滴定剩餘的 EDTA。
- 原加入 EDTA 的莫耳數扣除剩餘 EDTA 莫耳數,即為與 反應的 EDTA 莫耳數。
- 由 EDTA 與 的 反應關係,求得 莫耳數。
1. 加入 EDTA 的莫耳數
2. 反滴定剩餘 EDTA 的莫耳數
反滴定反應為:
由於反應比例為 :
3. 與 反應的 EDTA 莫耳數
4. 求 濃度
反應為:
與 EDTA 為 ,因此:
第 四 題13 分
利用化學發光法(Chemiluminescence)檢測含氮物質的氮含量,請回答下列問題:(共 2 題,共 13 分)
(一) 請列出檢測氮含量之化學發光反應方程式。(8 分) (二) 有 1 支油樣利用化學發光法檢測氮含量時,由於油樣之氮含量濃度超出檢量線範圍,因此,油樣經由稀釋後再檢測。稱取油樣 於 量瓶中,再以甲苯稀釋至量瓶刻度,再以原檢量線進行稀釋後油樣之氮含量檢測,得到濃度為 ,則原來此油樣的氮含量濃度為多少 (油樣密度為 )?(5 分)
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核心觀念
本題考查化學發光法測定總氮的原理,以及稀釋法與質量濃度單位換算。
化學發光法測氮時,先將油樣中的含氮化合物在高溫、過量氧氣下轉化為一氧化氮 ,再利用 與臭氧反應生成激發態二氧化氮,激發態二氧化氮回到基態時放出光能。發光強度與氮含量成正比,因此可由檢量線定量。
解題方法
(一)化學發光反應方程式
含氮物質經高溫氧化,轉化為一氧化氮:
實際分析時,含氮化合物中的氮原子會定量轉化為 。接著, 與臭氧反應形成激發態二氧化氮:
激發態二氧化氮釋放光子,回到基態:
其中:
- :激發態二氧化氮
- :放出的光能
- 發光強度與 濃度成正比,也就與樣品中的總氮含量成正比
因此,檢測氮含量的核心化學發光反應為:
(二)原油樣氮含量
稱取油樣:
油樣稀釋至 後,測得氮濃度為:
因此, 稀釋液中所含氮的質量為:
這 氮來自原先稱取的 油樣,所以原油樣的氮含量為:
第 五 題15 分
【圖 1】為 Benzaldehyde 的 IR(Infrared)光譜圖,請說明光譜圖中 A 至 E 分別為何種鍵之特性振動光譜?(15 分)
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核心觀念
本題利用 IR 光譜的官能基區與指紋區,判斷 Benzaldehyde(苯甲醛)中各種鍵的特性振動。
Benzaldehyde 結構含有:
- 苯環:芳香族 、芳香族
- 醛基:,包含羰基 與醛基
IR 吸收位置可依波數判斷:
- :官能基區
- :指紋區
圖中透射率下降的位置即為 IR 吸收峰。
解題方法
先依 Benzaldehyde 的結構列出特徵鍵,再將圖中 A 至 E 的波數位置與典型 IR 範圍比對:
- 約 :芳香族 伸縮
- 約 、:醛基 伸縮,常呈 Fermi resonance 雙峰
- 約 :醛基 伸縮
- 約 :芳香環 骨架伸縮
- 約 :芳香族 面外彎曲
各標示峰判定
- A:芳香族 伸縮振動
苯環上的 鍵,其伸縮吸收通常出現在約 ,位置略高於一般脂肪族 伸縮峰。
- B:醛基 伸縮振動
醛基氫具有特徵性的雙峰,約位於 與 。
第 六 題22 分
【圖 2】為 2 個有機化合物 A、B 的質譜圖,已知各為 2-Hexanone 或 4-methyl-2-pentanone 其中之一,請回答以下問題:(共 3 題,共 22 分)
(一) 請說明化合物 A、B 各為何物?(2 分) (二) 請說明化合物 A 為何有 之分子離子,而化合物 B 沒有?(5 分) (三) 請說明以下 (1) 至 (5) 於質譜圖中各為何種分子離子?(15 分) (1) (2) (3) (4) (5)
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核心觀念
本題考查醯基酮的電子撞擊游離質譜(EI-MS):
- 分子離子峰 可由分子量判斷。
- 羰基化合物常發生羰基旁 斷裂,形成穩定的醯鎓離子。
- 具有 -氫時,可發生 McLafferty rearrangement(麥克拉弗蒂重排)。
- 直鏈與支鏈結構會造成不同的特徵裂解峰。
兩者分子式皆為 ,故分子量為:
圖中 為分子離子峰, 峰約為 的 ,也符合含有 6 個碳原子的化合物。
解題方法
先比較兩張質譜圖的特徵峰:
- 化合物 A 有 。
- 化合物 B 顯著出現 ,且沒有 。
- 兩者皆有 、 及分子離子峰 。
是甲基酮最典型的 醯鎓離子; 則是具有 -氫的 McLafferty 重排離子。
(一)化合物 A、B 的判定
化合物 A:2-Hexanone
結構為:
直鏈結構容易形成 的含氧碎片離子。
化合物 B:4-Methyl-2-pentanone
結構為:
支鏈結構容易發生脫去甲基自由基的裂解,形成較明顯的 。
(二)為何化合物 A 有 ,化合物 B 沒有
對 2-hexanone 而言,直鏈部分可在適當位置斷裂,形成:
其組成為 ,因此:
此離子可視為直鏈酮經裂解後形成的穩定含氧碳正離子。
2-hexanone 的裂解可表示為:
4-methyl-2-pentanone 的羰基旁碳鏈為支鏈結構,無法以 2-hexanone 相同的直鏈方式有效形成上述 特徵離子,因此圖中不出現明顯的 峰。
(三)各 峰的離子種類
(1)
分子離子脫去甲基自由基:
離子組成為:
因此:
對化合物 B,可表示為: