111 專利師高等考試 專利師(選試專業日文及生物技術) 普通物理與普通化學 考古題詳解

111 年・專利師・高等考試・專利師(選試專業日文及生物技術)
試題代碼 普通物理與普通化學

第 1 題2 分

如下圖,在無摩擦力的水平面上,有一質量 55 公斤的靜止物體,受到一與水平成 60∘60^\circ 仰角的拉力作用,拉力大小為 2020 牛頓。求物體在受力 66 秒後的速度大小。

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核心觀念

物體在無摩擦水平面上運動,水平方向的加速度由拉力的水平分量決定。依牛頓第二運動定律,合力為 F合=maF_{\text{合}}=ma;垂直方向則由支持力與重力平衡拉力的垂直分量。

解題方法

將 2020 牛頓的拉力分解:

Fx=20cos⁡60∘=10 NF_x=20\cos60^\circ=10\text{ N} Fy=20sin⁡60∘≈17.3 NF_y=20\sin60^\circ\approx17.3\text{ N}

垂直方向上,物體沒有離開水平面,支持力可平衡重力與拉力的向上分量。水平方向無摩擦,因此合力為 1010 牛頓。物體的加速度為:

a=Fxm=105=2 m/s2a=\frac{F_x}{m}=\frac{10}{5}=2\text{ m/s}^2

物體由靜止開始,經過 66 秒後的速度為:

v=v0+at=0+2×6=12 m/sv=v_0+at=0+2\times6=12\text{ m/s}

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第 2 題2 分

一短跑選手以等速率 10 m/s10\ \mathrm{m/s} 在半徑 20 m20\ \mathrm{m} 的圓形彎道上跑時,其向心加速度大小為何?

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核心觀念

物體沿圓形路徑運動時,速度方向持續改變,因此即使速率維持不變,仍有指向圓心的向心加速度。其大小由速率 vv 與圓周半徑 rr 決定:

ac=v2ra_c=\frac{v^2}{r}

解題方法

題目給定速率 v=10 m/sv=10\ \mathrm{m/s}、彎道半徑 r=20 mr=20\ \mathrm{m}。代入向心加速度公式:

ac=(10 m/s)220 m=10020 m/s2=5 m/s2a_c=\frac{(10\ \mathrm{m/s})^2}{20\ \mathrm{m}} =\frac{100}{20}\ \mathrm{m/s^2} =5\ \mathrm{m/s^2}

因此向心加速度大小為 5 m/s25\ \mathrm{m/s^2}。

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第 3 題2 分

如下圖,有一木塊靜止懸掛於天花板下,質量為 MM。有一子彈以速度 vv 入射木塊,嵌入木塊之中,並使木塊與子彈整體最高提升高度達到 hh。假設子彈質量為 mm,求子彈原速度 vv。(註:重力加速度為 gg。)

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核心觀念

本題考查「彈道擺」的兩階段分析:

  1. 子彈嵌入木塊的瞬間屬於完全非彈性碰撞。碰撞時間很短,可用動量守恆求碰撞後共同速度。
  2. 碰撞後,木塊與子彈一起上升至最高點。此段機械能守恆,動能轉換為重力位能。

解題方法

設子彈嵌入木塊後,兩者共同速度為 uu。

碰撞瞬間,水平方向動量守恆:

mv=(m+M)umv=(m+M)u

由碰撞後的最低點上升至最高點,動能轉換為重力位能:

12(m+M)u2=(m+M)gh\frac{1}{2}(m+M)u^2=(m+M)gh

約去 m+Mm+M,得到:

u=2ghu=\sqrt{2gh}

代回動量守恆式:

v=m+Mmu=m+Mm2ghv=\frac{m+M}{m}u =\frac{m+M}{m}\sqrt{2gh}

因此子彈原速度為 m+Mm2gh\frac{m+M}{m}\sqrt{2gh}。

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第 4 題2 分

有一質量為 140140 公斤的平底船,其長為 1212 公尺。此船靜止於水中而船尾靠岸,有一質量為 6060 公斤的人立於船頭。設船的質量均勻分布,且水面的阻力不計。當此人由船頭走至船尾時,試求船尾將離岸多少公尺?

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核心觀念

船與人組成的系統在水平方向不受外力,且水面阻力不計,因此系統的水平質心位置保持不變。人從船頭走到船尾時,船會向相反方向移動;用質心不變即可求出船尾離岸的距離。

解題方法

設船向離岸方向移動 xx 公尺。船長 1212 公尺,質量均勻分布,因此船的質心在船的中點。

以船尾初始位置為座標原點,向離岸方向為正:

  • 船初始質心位置:66 公尺。
  • 人初始位於船頭,位置為 1212 公尺。
  • 船移動後,船的質心位置為 x+6x+6 公尺。
  • 人走到船尾後,其位置為 xx 公尺。

由質心位置不變:

140(6)+60(12)140+60=140(x+6)+60x140+60\frac{140(6)+60(12)}{140+60} = \frac{140(x+6)+60x}{140+60}

消去分母並整理:

140(6)+60(12)=140(x+6)+60x140(6)+60(12)=140(x+6)+60x 840+720=200x+840840+720=200x+840 x=3.6 公尺x=3.6\text{ 公尺}

因此船尾最後離岸 3.63.6 公尺。

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第 5 題2 分

如下圖,使用三種不同材料做成甲、乙、丙三個物體,三者有相同質量 MM。其中甲為實心圓球,半徑 RR;乙為空心圓柱,外徑 RR,內徑 12R\frac{1}{2}R;丙為實心圓柱,半徑 RR。三者由相同斜面高度處,從靜止狀態出發,以純滾動方式滾下,則三者到達底部的時間,由先至後的順序為何?

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核心觀念

物體在斜面上純滾動時,平移與轉動同時消耗重力位能。令物體質心的轉動慣量為 II、接觸面的滾動半徑為 rr,沿斜面的加速度為

a=gsin⁡θ1+IMr2.a=\frac{g\sin\theta}{1+\frac{I}{Mr^2}}.

因此,IMr2\frac{I}{Mr^2} 越小,加速度越大;由同一位置靜止出發,沿相同斜面走相同距離時,所需時間越短。

解題方法

先比較三物體的無因次轉動慣量 IMr2\frac{I}{Mr^2}。對乙,題目所給內、外徑比為 1:21:2,故內、外半徑比也為 1:21:2。

  • 甲:實心球

實心球的轉動慣量為 I=25MR2I=\frac{2}{5}MR^2,滾動半徑為 RR,所以

IMR2=25=0.4.\frac{I}{MR^2}=\frac{2}{5}=0.4.
  • 丙:實心圓柱

實心圓柱的轉動慣量為 I=12MR2I=\frac{1}{2}MR^2,滾動半徑為 RR,所以

IMR2=12=0.5.\frac{I}{MR^2}=\frac{1}{2}=0.5.
  • 乙:空心圓柱

設外半徑為 ror_o,內半徑為 ri=12ror_i=\frac{1}{2}r_o。空心圓柱的轉動慣量為

I=12M(ro2+ri2).I=\frac{1}{2}M(r_o^2+r_i^2).

純滾動時以外半徑 ror_o 接觸斜面,因此

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第 6 題2 分

如圖所示,兩電荷相距 1.21.2 公尺,其帶電量分別為 +q+q 和 −4q-4q。在其連接線上,試求電位為零之位置。

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核心觀念

點電荷在距離 rr 處所產生的電位為 V=kQ/rV=kQ/r,電位是純量,可以直接代數相加。設 +q+q 位於 x=0x=0,−4q-4q 位於 x=1.2 mx=1.2\text{ m},則連線上的總電位為

V=k(qr+−4qr−)V=k\left(\frac{q}{r_+}-\frac{4q}{r_-}\right)

其中 r+r_+、r−r_- 分別是觀察點到 +q+q、−4q-4q 的距離。

解題方法

選項所列位置都在 +q+q 右側。先考慮兩電荷之間,令觀察點距 +q+q 為 xx,則距 −4q-4q 為 1.2−x1.2-x。令總電位為零:

k(qx−4q1.2−x)=0k\left(\frac{q}{x}-\frac{4q}{1.2-x}\right)=0

約去共同因子 kqkq,整理得

1x=41.2−x⟹1.2−x=4x⟹x=0.24 m\frac{1}{x}=\frac{4}{1.2-x} \quad\Longrightarrow\quad 1.2-x=4x \quad\Longrightarrow\quad x=0.24\text{ m}

因此電位為零的位置在 +q+q 右邊 0.240.24 公尺處。

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第 7 題2 分

若將 4040 庫倫的電荷從 aa 點傳輸到 bb 點需要外力作正功 500500 焦耳,試問這兩點之電位差 Va−VbV_a-V_b 是多少?

這一題的完整詳解

核心觀念

電位差的定義為每單位電荷的電位能差:

Va−Vb=Ua−UbqV_a-V_b=\frac{U_a-U_b}{q}

將正電荷由 aa 點移至 bb 點時,若外力作正功且移動過程符合準靜態條件,外力所作的功等於電位能的增加:

W外=ΔU=Ub−UaW_{\text{外}}=\Delta U=U_b-U_a

因此,題目所問的 Va−VbV_a-V_b 與外力作功的正負號相反。

解題方法

帶入 q=40 Cq=40\ \mathrm{C}、W外=500 JW_{\text{外}}=500\ \mathrm{J}:

Ub−Ua=500 JU_b-U_a=500\ \mathrm{J}

故

Va−Vb=Ua−Ubq=−500 J40 C=−12.5 VV_a-V_b =\frac{U_a-U_b}{q} =-\frac{500\ \mathrm{J}}{40\ \mathrm{C}} =-12.5\ \mathrm{V}

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第 8 題2 分

考慮一個帶電粒子在均勻磁場中做等速圓周運動,其速度方向垂直於磁場,速度大小維持固定,軌跡是一個圓形。如果將磁場強度加倍,則下列敘述何者正確?

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核心觀念

帶電粒子以速度 v⃗\vec v 垂直進入均勻磁場 B⃗\vec B 時,受到洛侖茲力,其大小為

FB=∣q∣vBF_B=|q|vB

磁力方向垂直於速度,持續改變粒子的運動方向,並提供向心力。磁力不作功,因此粒子的速率與動能維持不變。

解題方法

令粒子質量為 mm、電量為 qq、速率為 vv。由磁力提供向心力:

∣q∣vB=mv2r|q|vB=\frac{mv^2}{r}

因此軌道半徑為

r=mv∣q∣Br=\frac{mv}{|q|B}

若 BB 加倍,而 mm、qq、vv 不變,半徑減半。向心加速度則為

a=v2r=∣q∣vBma=\frac{v^2}{r}=\frac{|q|vB}{m}

所以磁場強度加倍時,加速度也加倍。週期可由 T=2πr/vT=2\pi r/v 得出,故週期減半。

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第 9 題2 分

考慮一個無窮長的螺線管,其圓形截面的半徑為 RR。螺線管上線圈的電流隨時間增加,使得螺線管內部的磁場 BB 也隨時間增加,其關係式為 B(t)=btB(t)=bt,其中 bb 是一個常數,tt 是時間。請問在螺線管外部,離螺線管中心距離為 rr 之處,所感應出來的電場大小為何?

這一題的完整詳解

核心觀念

本題考法拉第電磁感應定律與圓柱對稱性。磁場隨時間改變時,周圍會產生環形電場;感應電場的大小可由法拉第定律求得:

∮E⋅dℓ=−dΦBdt\oint \mathbf E\cdot d\boldsymbol{\ell} =-\frac{d\Phi_B}{dt}

其中 ΦB\Phi_B 是穿過所選閉合路徑的磁通量。負號表示感應電場的方向遵循楞次定律;題目問大小,取絕對值即可。

解題方法

取以螺線管中心軸為圓心、半徑為 rr 的圓形路徑。由對稱性,感應電場沿圓周方向,且圓周上大小相同,因此

∮E⋅dℓ=E(2πr)\oint \mathbf E\cdot d\boldsymbol{\ell}=E(2\pi r)

因為題目問螺線管外部,r>Rr>R。理想無窮長螺線管的磁場集中在管內,故穿過此圓形路徑所包圍的磁通量為

ΦB=B(t)πR2=btπR2\Phi_B=B(t)\pi R^2=bt\pi R^2

因此

∣dΦBdt∣=πR2b\left|\frac{d\Phi_B}{dt}\right| =\pi R^2b

代入法拉第定律:

E(2πr)=πR2b⟹E=R2b2rE(2\pi r)=\pi R^2b \quad\Longrightarrow\quad E=\frac{R^2b}{2r}

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第 10 題2 分

考慮一個內含空腔的導體,假設導體本身原先帶有電荷 QQ,現在於空腔內再放置一個點電荷 QQ(此電荷不與導體接觸)。當達到靜電平衡時,請問導體外部表面上一共有多少電荷?

這一題的完整詳解

核心觀念

本題考查靜電平衡時導體空腔內、外表面的感應電荷分布,以及導體總電荷守恆。

靜電平衡時,導體材料內部的電場為零。取一個完全位於導體材料內、包住空腔的高斯面,由高斯定律可知,這個高斯面所包圍的淨電荷必須為零。因此,空腔內放入點電荷 +Q+Q 後,空腔內表面感應出總電荷 −Q-Q。

解題方法

設導體原有淨電荷為 QQ。放入空腔的點電荷為 +Q+Q,且未與導體接觸,所以導體本身的總電荷仍為 QQ。

令內表面電荷為 q內q_{\text{內}}、外表面電荷為 q外q_{\text{外}}。

在導體材料內取高斯面,因為其中電場為零,包圍的總電荷為零:

Q+q內=0Q+q_{\text{內}}=0

所以

q內=−Qq_{\text{內}}=-Q

導體總電荷分布在內、外表面,因此

q內+q外=Qq_{\text{內}}+q_{\text{外}}=Q

代入 q內=−Qq_{\text{內}}=-Q:

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第 11 題2 分

某人正在使用耳機聽搖滾樂,耳朵接受到的音量是 100100 分貝。由於聲音太大,他將耳機的輸出功率調低至原來的 1100\frac{1}{100}。請問此時他的耳朵所接收到的音量是多少?

這一題的完整詳解

核心觀念

分貝是對數尺度。聲音強度級的定義為

L=10log⁡10(II0) dBL=10\log_{10}\left(\frac{I}{I_0}\right)\text{ dB}

其中 II 是聲音強度,I0I_0 是基準強度。若其他條件相同,耳機輸出功率降為原來的 1100\frac{1}{100},耳朵接收到的聲音強度也按相同比例降低。

解題方法

設原本強度為 I1I_1,調低後為 I2I_2,則

I2I1=1100\frac{I_2}{I_1}=\frac{1}{100}

分貝的變化量為

ΔL=10log⁡10(I2I1)=10log⁡10(1100)=10(−2)=−20 dB\Delta L=10\log_{10}\left(\frac{I_2}{I_1}\right) =10\log_{10}\left(\frac{1}{100}\right) =10(-2)=-20\text{ dB}

原本音量為 100100 分貝,因此調低後為

L2=100−20=80 dBL_2=100-20=80\text{ dB}

選項分析

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第 12 題2 分

設有甲、乙兩車,其喇叭所發出的頻率均為 1000 Hz1000\ \mathrm{Hz},並設空氣中的聲速為 340 m/s340\ \mathrm{m/s}。若乙車以 20 m/s20\ \mathrm{m/s} 的速率前進,甲車以 30 m/s30\ \mathrm{m/s} 的速率在後面追趕,若甲車按喇叭,則乙車內的乘客所聽到的喇叭聲頻率為多少?

這一題的完整詳解

核心觀念

本題考查都卜勒效應。聲源與觀察者沿同一直線移動時,觀察頻率取決於兩者相對於空氣的速度。聲源朝觀察者前進會使波長縮短;觀察者朝聲波前進會增加每秒接收到的波峰數。

聲源與觀察者同向行駛,且聲源甲在後方追趕乙,因此聲波向前傳播。設聲速為 vv、觀察者速度為 vov_o、聲源速度為 vsv_s,觀察頻率為

f′=fv−vov−vs.f' = f\frac{v-v_o}{v-v_s}.

此處分子為 v−vov-v_o,因乙車與聲波同向移動,乙車乘客接近波峰的速率為 v−vov-v_o;分母為 v−vsv-v_s,因甲車朝前追趕,聲源前方的波長縮短。

解題方法

題目給定 f=1000 Hzf=1000\ \mathrm{Hz}、v=340 m/sv=340\ \mathrm{m/s}、乙車速度 vo=20 m/sv_o=20\ \mathrm{m/s}、甲車速度 vs=30 m/sv_s=30\ \mathrm{m/s}。代入公式:

f′=1000340−20340−30=1000320310≈1032.3 Hz.f'=1000\frac{340-20}{340-30} =1000\frac{320}{310} \approx 1032.3\ \mathrm{Hz}.

取至整數約為 1032 Hz1032\ \mathrm{Hz},故選項 B 正確。

選項分析

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第 13 題2 分

考慮一根弦樂器的弦,假設其原本音高為中央 A(440 Hz440\ \mathrm{Hz})。請問以下哪一種方式,能將音高提升為高音 A(880 Hz880\ \mathrm{Hz})?

這一題的完整詳解

核心觀念

弦的基音頻率取決於弦長、張力與線密度。對兩端固定、均勻且振動模式不變的弦,基音頻率為

f=12LTμ,f=\frac{1}{2L}\sqrt{\frac{T}{\mu}},

其中 LL 是弦長、TT 是張力、μ\mu 是弦的線密度(單位長度的質量)。本題只改變張力或線密度,弦長與其他條件維持不變。

解題方法

音高要由 440 Hz440\ \mathrm{Hz} 提升至 880 Hz880\ \mathrm{Hz},頻率須變為原來的 22 倍:

f2f1=2.\frac{f_2}{f_1}=2.

由頻率公式,張力改變時有 f∝Tf\propto\sqrt{T},因此

f2f1=T2T1.\frac{f_2}{f_1}=\sqrt{\frac{T_2}{T_1}}.

要使頻率加倍,須滿足

2=T2T1⟹T2T1=4.2=\sqrt{\frac{T_2}{T_1}} \quad\Longrightarrow\quad \frac{T_2}{T_1}=4.
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第 14 題2 分

如下圖,有兩個點聲源 S1S_1 與 S2S_2,兩聲源發出之聲波完全同相且分開距離為 D=1.5λD=1.5\lambda,λ\lambda 為兩聲源發出之聲波波長。以兩聲源連線之中點為圓心,以大於 DD 的距離為半徑畫一圓如圖,試問在此圓上共有幾個點(位置)可以接收到完全建設性干涉的聲波?

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核心觀念

兩個同相聲源的聲波要產生完全建設性干涉,兩聲源到觀察點的路程差必須是波長的整數倍:

∣r1−r2∣=mλ,m=0,1,2,…|r_1-r_2|=m\lambda,\qquad m=0,1,2,\ldots

本題要計算這些符合條件的位置與圓周的交點數。

解題方法

兩聲源相距 D=1.5λD=1.5\lambda。依三角不等式,任一觀察點到兩聲源的路程差不可能大於聲源間距,因此:

∣r1−r2∣≤D=1.5λ|r_1-r_2|\le D=1.5\lambda

可符合建設性干涉的整數級數只有 m=0m=0 與 m=1m=1,沒有 m=2m=2。

  • **m=0m=0:**路程差為零的位置在兩聲源連線的垂直平分線上。此直線與題示圓相交於兩點。
  • **m=1m=1:**路程差為 λ\lambda 的位置分布在聲源連線兩側。
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第 15 題2 分

敲擊樂器木琴的共鳴管,如下圖所示,是一支一端封閉、另一端開口的圓形管子。假設其長度為 LL,則下列哪一種聲波波長可以在此共鳴管中發生共振?

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核心觀念

一端封閉、另一端開口的管柱,封閉端是聲波位移節點,開口端是位移腹點。兩端的邊界條件使管長必須容納奇數個四分之一波長:

L=(2n−1)λ4,n=1,2,3,…L=\frac{(2n-1)\lambda}{4},\qquad n=1,2,3,\ldots

因此可共振的波長為 λ=4L/(2n−1)\lambda=4L/(2n-1),也就是 4L、43L、45L、…4L、\frac{4}{3}L、\frac{4}{5}L、\ldots。

解題方法

逐一檢查選項是否符合奇數個四分之一波長。選項 (A) 的波長為 λ=45L\lambda=\frac{4}{5}L,代入可得:

L=5λ4L=\frac{5\lambda}{4}

管長剛好是五個四分之一波長,符合一端封閉、一端開口的共振條件。

選項分析

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第 16 題2 分

將質量 22 公斤、溫度攝氏 8080 度的鋁塊放入一個水桶中,桶中原裝有質量 1010 公斤、溫度攝氏 2020 度的純水。假設熱量沒有散失,鋁的比熱為 900 J/(kg⋅K)900\ \mathrm{J/(kg\cdot K)},水的比熱為 4200 J/(kg⋅K)4200\ \mathrm{J/(kg\cdot K)}。請問平衡溫度是多少度?

這一題的完整詳解

核心觀念

本題考查熱平衡與熱量守恆。假設鋁塊、水桶及外界之間沒有熱量散失,鋁塊放出的熱量等於水吸收的熱量:

Q=mcΔTQ=mc\Delta T

其中 mm 為質量、cc 為比熱,ΔT\Delta T 為溫度變化。

解題方法

設平衡溫度為 TT。鋁塊由 80∘C80^\circ\mathrm C 降溫,水由 20∘C20^\circ\mathrm C 升溫,因此:

2(900)(80−T)=10(4200)(T−20)2(900)(80-T)=10(4200)(T-20)

整理:

1800(80−T)=42000(T−20)1800(80-T)=42000(T-20) 144000−1800T=42000T−840000144000-1800T=42000T-840000 984000=43800T984000=43800T T≈22.47∘C≈22.5∘CT\approx22.47^\circ\mathrm C\approx22.5^\circ\mathrm C

選項分析

  • (A) 26.7∘C26.7^\circ\mathrm C:錯誤。 高於計算所得的平衡溫度;代入熱量守恆式,鋁塊放出的熱量不足以使水升到此溫度。
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第 17 題2 分

氫與氧的分子量分別為 22 與 3232。當溫度相同時,求氫分子的方均根速率為氧分子的多少倍?

這一題的完整詳解

核心觀念

本題考氣體分子的方均根速率與分子量的關係。由氣體動力論,溫度相同時,不同氣體分子的平均動能相同:

12mvrms2=32kT\frac{1}{2}m v_{\mathrm{rms}}^2=\frac{3}{2}kT

因此,方均根速率與分子質量的平方根成反比:

vrms∝1mv_{\mathrm{rms}}\propto \frac{1}{\sqrt{m}}

解題方法

設氫分子與氧分子的方均根速率分別為 vH2v_{\mathrm{H_2}}、vO2v_{\mathrm{O_2}}。題目給定溫度相同,故:

vH2vO2=MO2MH2=322=16=4\frac{v_{\mathrm{H_2}}}{v_{\mathrm{O_2}}} =\sqrt{\frac{M_{\mathrm{O_2}}}{M_{\mathrm{H_2}}}} =\sqrt{\frac{32}{2}} =\sqrt{16} =4

氫分子的方均根速率是氧分子的 44 倍。

選項分析

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第 18 題2 分

對於一個理想氣體系統,根據熱力學第一定律,以下哪一個過程會維持其系統內能(internal energy)不變?

這一題的完整詳解

核心觀念

理想氣體的內能只與溫度有關,因此內能不變的條件是溫度不變。對固定莫耳數的理想氣體,可寫成:

ΔU=nCVΔT\Delta U=nC_V\Delta T

其中 ΔU\Delta U 為內能變化,nn 為莫耳數,CVC_V 為定容莫耳熱容量,ΔT\Delta T 為溫度變化。只要 ΔT=0\Delta T=0,就有 ΔU=0\Delta U=0。

熱力學第一定律可依「系統對外作功」的符號慣例寫為:

ΔU=Q−W\Delta U=Q-W

但本題判斷內能是否改變,直接利用理想氣體內能只取決於溫度即可。

解題方法

逐一查看各過程是否能確定溫度不變。選項中「等溫」表示溫度維持固定,因此理想氣體的內能不變;「絕熱」則只表示沒有熱量交換,並不代表溫度不變。

選項分析

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第 19 題2 分

有一氣體系統在一熱力過程中吸收了 200200 焦耳的熱量,同時對外作了 300300 焦耳的功,請問其內能改變了多少焦耳?

這一題的完整詳解

核心觀念

本題考熱力學第一定律。若以 QQ 表示系統吸收的熱量、WW 表示系統對外作的功,則

ΔU=Q−W\Delta U = Q - W

其中 ΔU\Delta U 是系統內能的改變。吸熱時 Q>0Q>0;系統對外作功時 W>0W>0。

解題方法

氣體吸收 200200 焦耳熱量,因此 Q=+200 JQ=+200\ \text{J};同時對外作 300300 焦耳的功,因此 W=+300 JW=+300\ \text{J}。代入第一定律:

ΔU=200−300=−100 J\Delta U = 200 - 300 = -100\ \text{J}

內能改變為負值,表示內能減少 100100 焦耳。

選項分析

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第 20 題2 分

考慮一個循環運行的熱力學系統,由理想氣體構成,其循環過程的「壓力(PP)—體積(VV)」關係圖如下。請問本系統每循環一次,對外做功的大小,相等於圖中哪一個區域的面積?

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這一題的完整詳解

核心觀念

理想氣體在壓力—體積圖上的循環做功,等於循環過程中各段 P dVP\,dV 的總和:

W=∮P dVW=\oint P\,dV

在 PP—VV 圖上,曲線下方的面積代表該段過程的功;整個循環的淨功則等於循環路徑所包圍的面積。圖中的箭頭方向為順時針,因此系統每循環一次對外做正功。

解題方法

循環的上段箭頭向右,表示氣體在較高壓力下膨脹;下段箭頭向左,表示氣體在較低壓力下壓縮。左右兩段是定體積過程,因為 dV=0dV=0,所以不做功。

設上、下兩段壓力分別為 P高P_{\text{高}}、P低P_{\text{低}},左右邊界體積分別為 V右V_{\text{右}}、V左V_{\text{左}}。循環淨功為:

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第 21 題2 分

如下圖,將一透明三稜鏡(折射率 2.662.66)浸入水(折射率 1.331.33)中。一光束垂直入射三稜鏡 ABAB 面,試問夾角 θ\theta 最大不可超過幾度,始可造成入射光在 ACAC 面全反射?

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這一題的完整詳解

核心觀念

本題考查光從高折射率介質射向低折射率介質時的全反射。發生全反射的條件是:

  1. 光由折射率較大的介質射向折射率較小的介質。
  2. 入射角大於或等於臨界角,臨界角 θc\theta_c 滿足 sin⁡θc=n水n稜鏡.\sin\theta_c=\frac{n_{\text{水}}}{n_{\text{稜鏡}}}.

入射角是光線與界面法線的夾角,不能與光線和界面的夾角混淆。

解題方法

稜鏡折射率為 2.662.66,大於水的折射率 1.331.33,因此光線由稜鏡射向水時具備發生全反射的條件。

先求臨界角:

sin⁡θc=1.332.66=12⇒θc=30∘.\sin\theta_c=\frac{1.33}{2.66}=\frac12 \quad\Rightarrow\quad \theta_c=30^\circ.

光垂直入射 ABAB 面,不會在 ABAB 面折射;依圖形,光進入稜鏡後沿水平方向前進。ACAC 面與水平底邊 BCBC 的夾角為 θ\theta,所以光線與 ACAC 面法線的夾角,也就是入射角,為

i=90∘−θ.i=90^\circ-\theta.

要發生全反射,需滿足

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第 22 題2 分

一道光的功率之定義是單位時間通過的能量,一道光的強度之定義是單位時間、單位面積通過的能量。考慮一道雷射光束,以透鏡聚焦為一個小點,請問在聚焦前後,其功率與強度有什麼變化?

這一題的完整詳解

核心觀念

本題考光束的功率與強度。功率是單位時間通過的能量,強度則是單位時間、單位面積通過的能量。若光束在時間 Δt\Delta t 內傳遞能量 ΔE\Delta E,並通過截面積 AA,則

P=ΔEΔt,I=ΔEAΔt=PA.P=\frac{\Delta E}{\Delta t},\qquad I=\frac{\Delta E}{A\Delta t}=\frac{P}{A}.

透鏡聚焦會縮小光束的截面積;在理想情況下,透鏡不會憑空增加光束的能量,因此功率保持不變。

解題方法

聚焦前後比較功率與光束截面積即可。設聚焦前、後的截面積分別為 A1A_1、A2A_2,且 A2<A1A_2<A_1。若忽略透鏡吸收等能量損失,則功率 PP 不變。由 I=P/AI=P/A 得

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第 23 題2 分

一入射光入射一平面鏡造成反射,在入射光方向不變的情況下,如果反射面轉動 20∘20^\circ 角,請問反射線轉動幾度角?

這一題的完整詳解

核心觀念

平面鏡反射遵守反射定律:入射角等於反射角,且兩角皆以鏡面法線為基準。鏡面轉動時,法線也會轉動相同角度;在入射光方向固定的情況下,反射線的轉角會是鏡面轉角的兩倍。

解題方法

設鏡面轉動 θ=20∘\theta=20^\circ,則鏡面法線也轉動 20∘20^\circ。入射光方向不變,因此入射光與法線的夾角改變 20∘20^\circ;依反射定律,反射線相對法線的角度也改變 20∘20^\circ。

兩個角度變化使反射線總轉角為:

θ反射線=2θ=2×20∘=40∘\theta_{\text{反射線}}=2\theta=2\times20^\circ=40^\circ

所以反射線轉動 40∘40^\circ。

選項分析

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第 24 題2 分

請問下列哪一個實驗展示了光的波動性質?

這一題的完整詳解

核心觀念

本題考查光的波動性與粒子性。光具有波粒二象性;不同實驗會呈現不同面向:

  • 波動性常由干涉、繞射或偏振現象展現。
  • 粒子性則常由光子能量量子化、碰撞動量交換等現象展現。

楊氏雙狹縫實驗中,兩狹縫發出的光波在屏幕上相遇,形成明暗相間的干涉條紋,直接呈現光的波動性。

解題方法

判斷各選項描述的主要現象:若出現干涉條紋,便是波動性證據;若著重光子與電子或其他粒子的能量、動量交換,則主要呈現光的粒子性。

選項分析

(A) 光電效應:錯誤。 光照射金屬使電子逸出。其特徵可由光子能量解釋:單一光子的能量為 E=hfE=hf,電子吸收光子後,若能量足以克服金屬逸出功,便能逸出。此效應主要展現光的粒子性。

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第 25 題2 分

在山區道路上,因彎道多,死角也多,政府會架設凸面反射鏡,讓駕駛可以看到對面車道的車輛,以增進行車安全。請問此類凸面反射鏡所成的像,是哪一種影像?

這一題的完整詳解

核心觀念

山區道路使用的凸面反射鏡屬於凸面鏡。凸面鏡會使反射光線發散;這些反射光線向後延長後,會交會於鏡後,因此形成虛像。對一般位於鏡前的物體,凸面鏡所成的像具有三項特性:正立、縮小、虛像。

解題方法

直接依凸面鏡的成像性質判斷:

  • 正立:像與物的方向相同。
  • 縮小:像的高度小於物體高度,能在鏡面範圍內呈現較寬的視野。
  • 虛像:反射光線本身不在鏡後會聚,只有其反向延長線相交;像不能投影在屏幕上。

因此,凸面反射鏡所成的是正立縮小虛像。

選項分析

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第 26 題2 分

有一化學反應,其反應式為:

NO(g)+O2(g)→NO2(g)\mathrm{NO(g)+O_2(g)\rightarrow NO_2(g)}

(尚未平衡),且知其反應動力學的起始速率實驗數據如下表所示:

[NO]0[\mathrm{NO}]_0(M)[O2]0[\mathrm{O_2}]_0(M)起始速率
1×10−11\times10^{-1}1×10−11\times10^{-1}2.0×10−12.0\times10^{-1}
2×10−12\times10^{-1}1×10−11\times10^{-1}8.0×10−18.0\times10^{-1}
3×10−13\times10^{-1}1×10−11\times10^{-1}18.0×10−118.0\times10^{-1}
1×10−11\times10^{-1}2×10−12\times10^{-1}4.0×10−14.0\times10^{-1}

則此反應的反應速率式為何?

這一題的完整詳解

核心觀念

本題考「由起始速率實驗判定速率式」。一般反應速率式可寫為

v=k[NO]m[O2]nv=k[\mathrm{NO}]^m[\mathrm{O_2}]^n

其中 mm、nn 是各反應物的反應級數,須由實驗數據決定,不能直接由未平衡的反應式係數判定。

解題方法

比較實驗時,固定其中一種反應物的濃度,觀察另一種濃度改變對速率的影響。

先比較前兩組:[O2]0[\mathrm{O_2}]_0 固定為 0.1 M0.1\,\mathrm{M},[NO]0[\mathrm{NO}]_0 由 0.1 M0.1\,\mathrm{M} 加倍至 0.2 M0.2\,\mathrm{M},速率由 0.20.2 增至 0.80.8,變為原來的 44 倍。因此

2m=4,m=22^m=4,\qquad m=2

再比較第一組與第四組:[NO]0[\mathrm{NO}]_0 固定為 0.1 M0.1\,\mathrm{M},[O2]0[\mathrm{O_2}]_0 加倍至 0.2 M0.2\,\mathrm{M},速率由 0.20.2 增至 0.40.4,變為原來的 22 倍。因此

2n=2,n=12^n=2,\qquad n=1

所以速率式為

v=k[NO]2[O2]v=k[\mathrm{NO}]^2[\mathrm{O_2}]
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第 27 題2 分

定溫下,

N2O4(g)⇌2NO2(g)\mathrm{N_2O_4(g)\rightleftharpoons 2NO_2(g)}

(無色)⇌\rightleftharpoons(紅棕),ΔH>0\Delta H>0。化學反應已達到平衡,則下列各項敘述中,何者正確?

這一題的完整詳解

核心觀念

本題考查化學平衡的勒沙特列原理、平衡常數與反應熱的關係,以及氣體顏色與組成的關係。

反應為:

N2O4(g)⇌2NO2(g)ΔH>0\mathrm{N_2O_4(g)\rightleftharpoons 2NO_2(g)} \qquad \Delta H>0

正反應為吸熱反應;N2O4\mathrm{N_2O_4} 無色,NO2\mathrm{NO_2} 呈紅棕色。因此,平衡向右移動時,NO2\mathrm{NO_2} 增多,顏色變深;向左移動時,NO2\mathrm{NO_2} 減少,顏色變淺。

解題方法

比較擾動前後各條件,判斷平衡移動方向,再依反應物與生成物的顏色判斷顏色變化。

  • **體積改變:**反應左側有 1 莫耳氣體,右側有 2 莫耳氣體。體積增加、壓力降低時,平衡移向氣體莫耳數較多的右側;體積減少、壓力增加時,平衡移向左側。
  • **溫度改變:**因正反應吸熱,可將熱視為反應物。升溫促進吸熱方向,即向右;降溫則向放熱的逆反應方向,即向左。
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第 28 題2 分

波長 280 nm280\ \mathrm{nm} 之紫外光與波長 420 nm420\ \mathrm{nm} 之紫光,其光子所具有能量之比值 E紫外光:E紫光E_{\text{紫外光}}:E_{\text{紫光}} 為何?

這一題的完整詳解

核心觀念

光子的能量與波長成反比,公式為

E=hν=hcλE = h\nu = \frac{hc}{\lambda}

其中 hh 為普朗克常數、cc 為光速、λ\lambda 為波長。因此,波長越短,光子能量越大。

解題方法

比較兩種光子的能量比時,hh 與 cc 相同,會相消:

E紫外光E紫光=hc/280hc/420=420280=32\frac{E_{\text{紫外光}}}{E_{\text{紫光}}} = \frac{hc/280}{hc/420} = \frac{420}{280} = \frac{3}{2}

所以能量比為 3:23:2。紫外光波長較短,光子能量較大,與計算結果一致。

選項分析

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第 29 題2 分

C4H8O2\mathrm{C_4H_8O_2} 的哪個異構物在水中的溶解度最大?

🖼️ 本題原卷含圖表。基於試題來源之版權考量,本站不轉載原卷影像; 題目文字已完整轉錄,圖表請自行參閱考選部公告之試題原檔。
這一題的完整詳解

核心觀念

本題考比較有機異構物在水中的溶解度。水是極性溶劑;分子能與水形成氫鍵、極性官能基越多,通常越容易溶於水。另一方面,碳氫部分會降低水溶性,因此要同時比較親水官能基與分子的碳骨架。

解題方法

先辨認各選項的官能基:

  • (A)、(B) 是酯類,具有酯基的氧原子,可接受水分子的氫鍵,但酯基沒有可供氫鍵的 O–H。
  • (C) 是含兩個羥基的烯類二醇,兩個羥基都能與水形成氫鍵。
  • (D) 是羧酸,羧基可與水形成氫鍵,也能部分解離;但分子仍有三個碳的疏水骨架。

(C) 有兩個羥基,能與水形成較多氫鍵,且碳骨架只有四個碳,因此在這些異構物中水溶性最大。

選項分析

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第 30 題2 分

試由下列平衡反應及其相對應平衡常數求出 K3K_3 為何?

A2(g)+B2(g)⇌2AB(g)K1=102\mathrm{A_2(g)+B_2(g)\rightleftharpoons 2AB(g)} \qquad K_1=10^2

2A2(g)+C2(g)⇌2A2C(g)K2=10−4\mathrm{2A_2(g)+C_2(g)\rightleftharpoons 2A_2C(g)} \qquad K_2=10^{-4}

A2C(g)+B2(g)⇌2AB(g)+12C2(g)K3=?\mathrm{A_2C(g)+B_2(g)\rightleftharpoons 2AB(g)+\frac{1}{2}C_2(g)} \qquad K_3=?

這一題的完整詳解

核心觀念

平衡反應式的平衡常數,會隨反應式的倍數或方向改變:

  • 反應式乘以 nn,平衡常數變為 KnK^n。
  • 反應式反向,平衡常數變為 1/K1/K。
  • 若將數個反應式相加,總反應的平衡常數等於各反應平衡常數的乘積。

解題方法

將已知反應式適當倍乘、反向後相加,使中間物種 A2\mathrm{A_2}、B2\mathrm{B_2} 與 C2\mathrm{C_2} 消去,得到題目所列的第三個反應式。

第一個反應式保持不變:

A2+B2⇌2ABK=K1\mathrm{A_2+B_2\rightleftharpoons 2AB} \qquad K=K_1

第二個反應式先除以 22,再反向:

A2C⇌A2+12C2K=K2−1/2\mathrm{A_2C\rightleftharpoons A_2+\frac12 C_2} \qquad K=K_2^{-1/2}

兩式相加後,A2\mathrm{A_2} 抵消,所得總反應為:

A2C+B2⇌2AB+12C2\mathrm{A_2C+B_2\rightleftharpoons 2AB+\frac12 C_2}

因此:

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第 31 題2 分

在實驗室中若需要以 0.10 M0.10\ \mathrm{M} HCl 水溶液滴定某未知濃度的氨水時,使用下列何種指示劑最合適?(氨水 Kb=1.8×10−5K_b=1.8\times10^{-5}。)

指示劑pH 變色範圍呈色
甲基紫0→20\rightarrow2紅 →\rightarrow 藍
甲基紅4→64\rightarrow6紅 →\rightarrow 黃
甲酚紅7→97\rightarrow9黃 →\rightarrow 紫
酚酞8→108\rightarrow10無色 →\rightarrow 粉紅
這一題的完整詳解

核心觀念

本題考查弱鹼與強酸滴定時,如何依滴定終點附近的 pH 選擇指示劑。氨水中的氨是弱鹼,HCl 是強酸;當量點時,氨已轉化為銨離子 NH4+\mathrm{NH_4^+},溶液呈酸性,因此當量點 pH 小於 77。適用的指示劑,其變色範圍應落在滴定曲線當量點附近的陡升或陡降區間。

解題方法

滴定反應為:

NH3+HCl→NH4++Cl−\mathrm{NH_3 + HCl \rightarrow NH_4^+ + Cl^-}

當量點時主要存在 NH4+\mathrm{NH_4^+},其酸解離常數為:

Ka(NH4+)=KwKb=1.0×10−141.8×10−5≈5.6×10−10K_a(\mathrm{NH_4^+})=\frac{K_w}{K_b} =\frac{1.0\times10^{-14}}{1.8\times10^{-5}} \approx 5.6\times10^{-10}

因此當量點溶液呈酸性。若以 CC 表示當量點時 NH4+\mathrm{NH_4^+} 的濃度,則在弱酸近似下:

[H+]≈KaC[\mathrm{H^+}]\approx\sqrt{K_a C}
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第 32 題2 分

當液體 A 與 B 混合形成理想溶液,下列關於此溶液之敘述何者錯誤?

這一題的完整詳解

核心觀念

理想溶液是指不同分子間的作用力與同種分子間的作用力相近,因此混合時不造成明顯的能量變化與體積變化。其主要特徵為:

  • 符合拉午耳定律:PA=xAPA∘P_A=x_A P_A^\circ、PB=xBPB∘P_B=x_B P_B^\circ,總蒸氣壓為 P總=xAPA∘+xBPB∘P_{\text{總}}=x_A P_A^\circ+x_B P_B^\circ。
  • 混合體積具有加成性,混合體積變化 ΔVmix=0\Delta V_{\text{mix}}=0。
  • 混合焓變化 ΔHmix=0\Delta H_{\text{mix}}=0,因此混合過程不吸熱也不放熱。

解題方法

逐項對照理想溶液的定義與性質即可。理想溶液混合前後,分子間作用力的改變可忽略,所以混合時沒有淨熱效應;

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第 33 題2 分

在室溫下,下列三種化合物之溶度積分別為:

  • AB\mathrm{AB}:Ksp=4.0×10−8K_{sp}=4.0\times10^{-8}
  • AB2\mathrm{AB_2}:Ksp=3.2×10−14K_{sp}=3.2\times10^{-14}
  • A3B\mathrm{A_3B}:Ksp=2.7×10−15K_{sp}=2.7\times10^{-15}

這些化合物在此溫度下,在水中的溶解度(mol/L)順序為何?

這一題的完整詳解

核心觀念

溶度積 KspK_{sp} 是難溶鹽在飽和溶液中,各離子平衡濃度依化學計量係數次方相乘的數值。比較不同化學式的溶解度時,不能只比較 KspK_{sp} 大小,必須先寫出溶解平衡,再以莫耳溶解度 ss 表示各離子濃度。

解題方法

假設各化合物完全解離,且題目所列 KspK_{sp} 對應的飽和溶液可直接以莫耳溶解度表示。

  1. AB\mathrm{AB} 的溶解平衡為 AB(s)⇌A+(aq)+B−(aq)\mathrm{AB(s)\rightleftharpoons A^+(aq)+B^-(aq)} 若莫耳溶解度為 s1s_1,則 [A+]=[B−]=s1[A^+]=[B^-]=s_1,因此 Ksp=s12=4.0×10−8K_{sp}=s_1^2=4.0\times10^{-8} s1=4.0×10−8=2.0×10−4 mol/Ls_1=\sqrt{4.0\times10^{-8}}=2.0\times10^{-4}\ \mathrm{mol/L}

  2. AB2\mathrm{AB_2} 的溶解平衡為 AB2(s)⇌A2+(aq)+2B−(aq)\mathrm{AB_2(s)\rightleftharpoons A^{2+}(aq)+2B^-(aq)} 若莫耳溶解度為 s2s_2,則 [A2+]=s2[A^{2+}]=s_2、[B−]=2s2[B^-]=2s_2,因此 Ksp=s2(2s2)2=4s23=3.2×10−14K_{sp}=s_2(2s_2)^2=4s_2^3=3.2\times10^{-14} s2=8.0×10−153=2.0×10−5 mol/Ls_2=\sqrt[3]{8.0\times10^{-15}}=2.0\times10^{-5}\ \mathrm{mol/L}

  3. A3B\mathrm{A_3B} 的溶解平衡為 A3B(s)⇌3A+(aq)+B3−(aq)\mathrm{A_3B(s)\rightleftharpoons 3A^+(aq)+B^{3-}(aq)}

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第 34 題2 分

下表為 298 K298\ \mathrm{K} 時幾種反應之標準還原電位。則相同溫度下,電池

Co(s)∣Co2+(aq)(1 M)∣∣Ag+(aq)(1 M)∣Ag(s)\mathrm{Co(s)|Co^{2+}(aq)(1\ M)||Ag^+(aq)(1\ M)|Ag(s)}

之電動勢為何?

(標準還原電位表之文字擷取不全,請參考原卷。)

🖼️ 本題原卷含圖表。基於試題來源之版權考量,本站不轉載原卷影像; 題目文字已完整轉錄,圖表請自行參閱考選部公告之試題原檔。
這一題的完整詳解

核心觀念

電池電動勢由陰極的標準還原電位減去陽極的標準還原電位:

E電池∘=E陰極∘−E陽極∘E^\circ_{\text{電池}}=E^\circ_{\text{陰極}}-E^\circ_{\text{陽極}}

電池表示式中,左側為陽極、右側為陰極。本題兩側溶液均為 1 M1\ \mathrm{M},因此所列電位可直接使用標準還原電位。

解題方法

由題目表格查得:

Co2++2e−→CoE∘=−0.28 V\mathrm{Co^{2+}+2e^-\rightarrow Co}\qquad E^\circ=-0.28\ \mathrm{V}

Ag++e−→AgE∘=+0.80 V\mathrm{Ag^++e^-\rightarrow Ag}\qquad E^\circ=+0.80\ \mathrm{V}

電池表示式左側是 Co 電極,作為陽極;右側是 Ag 電極,作為陰極。因此:

E電池∘=0.80−(−0.28)=1.08 VE^\circ_{\text{電池}}=0.80-(-0.28)=1.08\ \mathrm{V}

也可將陽極反應寫成氧化反應 Co→Co2++2e−\mathrm{Co\rightarrow Co^{2+}+2e^-},其氧化電位為 +0.28 V+0.28\ \mathrm{V};

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第 35 題2 分

市售濃硫酸(H2SO4\mathrm{H_2SO_4})的重量百分比濃度為 98%98\%,比重為 1.841.84。若要配製 1.01.0 升的 2.0 M2.0\ \mathrm{M} 硫酸水溶液,需要取多少毫升的濃硫酸?(硫酸分子量 =98.0=98.0。)

這一題的完整詳解

核心觀念

本題考查莫耳濃度、重量百分比濃度與溶液密度的換算。

  • 莫耳濃度:M=溶質莫耳數溶液體積(L)M=\dfrac{\text{溶質莫耳數}}{\text{溶液體積(L)}}
  • 重量百分比:98%98\% 表示每 100 g100\ \mathrm{g} 濃硫酸溶液含有 98 g98\ \mathrm{g} 的 H2SO4\mathrm{H_2SO_4}。
  • 比重為 1.841.84,表示濃硫酸溶液密度約為 1.84 g/mL1.84\ \mathrm{g/mL}。

解題方法

配製 1.0 L1.0\ \mathrm{L}、2.0 M2.0\ \mathrm{M} 的硫酸溶液,所需純硫酸莫耳數為

n=MV=(2.0 mol/L)(1.0 L)=2.0 moln=MV=(2.0\ \mathrm{mol/L})(1.0\ \mathrm{L})=2.0\ \mathrm{mol}

純硫酸質量為

mH2SO4=nMr=(2.0 mol)(98.0 g/mol)=196 gm_{\mathrm{H_2SO_4}}=nM_r=(2.0\ \mathrm{mol})(98.0\ \mathrm{g/mol})=196\ \mathrm{g}

濃硫酸的重量百分比為 98%98\%,因此所需濃硫酸溶液質量為

m濃硫酸=196 g0.98=200 gm_{\mathrm{濃硫酸}}=\frac{196\ \mathrm{g}}{0.98}=200\ \mathrm{g}

再以密度換算體積:

V濃硫酸=200 g1.84 g/mL≈108.7 mLV_{\mathrm{濃硫酸}} =\frac{200\ \mathrm{g}}{1.84\ \mathrm{g/mL}} \approx108.7\ \mathrm{mL}
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第 36 題2 分

乙醇可藉由生物發酵作用來製備。若葡萄糖(C6H12O6\mathrm{C_6H_{12}O_6})經過酵母菌發酵時會產生乙醇及二氧化碳。已知相關分子的莫耳生成熱(kJ/mol)分別為:

  • 二氧化碳:−393.5-393.5
  • 乙醇:−277.7-277.7
  • 葡萄糖:−1260-1260
  • 水:−285.8-285.8

則發酵 11 莫耳葡萄糖的反應熱為多少 kJ?

這一題的完整詳解

核心觀念

本題考查赫斯定律與標準莫耳生成熱的應用。反應熱等於生成物的莫耳生成熱總和,減去反應物的莫耳生成熱總和:

ΔH反應∘=∑ν ΔHf∘(生成物)−∑ν ΔHf∘(反應物)\Delta H^\circ_{\text{反應}} =\sum \nu\,\Delta H^\circ_f(\text{生成物}) -\sum \nu\,\Delta H^\circ_f(\text{反應物})

其中 ν\nu 是化學反應式中的化學計量係數。

解題方法

先配平葡萄糖發酵反應:

C6H12O6→2C2H5OH+2CO2\mathrm{C_6H_{12}O_6 \rightarrow 2C_2H_5OH + 2CO_2}

原子數左右相同,因此反應式已配平。每發酵 11 莫耳葡萄糖,會生成 22 莫耳乙醇與 22 莫耳二氧化碳。

代入題目提供的生成熱:

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第 37 題2 分

由元素分析實驗結果得知,某一有機化合物含有碳、氫、氧三種元素,其重量百分比分別為 37.5%37.5\%、12.5%12.5\%、50.0%50.0\%。下列何者是該化合物可能的化學式?(原子量:氫 =1.0=1.0;碳 =12.0=12.0;氧 =16.0=16.0。)

這一題的完整詳解

核心觀念

元素分析題是依化合物中各元素的重量百分比,換算各元素的莫耳數比例,再求出最簡整數比。重量百分比不能直接當成原子個數比;必須先除以各元素的原子量。

解題方法

假設樣品總質量為 100 g100\ \mathrm{g},則碳、氫、氧的質量分別為 37.5 g37.5\ \mathrm{g}、12.5 g12.5\ \mathrm{g}、50.0 g50.0\ \mathrm{g}。

換算成莫耳數:

n(C)=37.512.0=3.125n(\mathrm{C})=\frac{37.5}{12.0}=3.125 n(H)=12.51.0=12.5n(\mathrm{H})=\frac{12.5}{1.0}=12.5 n(O)=50.016.0=3.125n(\mathrm{O})=\frac{50.0}{16.0}=3.125

以最小值 3.1253.125 同除,得到原子莫耳數比:

C:H:O=1:4:1\mathrm{C:H:O}=1:4:1

所以最簡實驗式為 CH4O\mathrm{CH_4O},符合選項 (B)。

選項分析

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第 38 題2 分

下列各選項的 N—O 鍵結,何者鍵長最短?

這一題的完整詳解

核心觀念

鍵長通常與鍵級相關:其他條件相近時,鍵級越高,成鍵電子密度越集中於兩核之間,鍵結越強,鍵長越短。比較含有多個等價鍵的分子或離子時,可先用路易斯結構與共振式判斷平均鍵級,再比較。

解題方法

先計算各物種的價電子數,畫出合理的路易斯結構,並考慮共振造成的平均鍵級:

  • NO+\mathrm{NO^+}:價電子數為 5+6−1=105+6-1=10。其主要結構為 [N≡O]+\mathrm{[N\equiv O]^+},N—O 鍵級為 33。
  • NO3−\mathrm{NO_3^-}:硝酸根有三個等價 N—O 鍵。共振使一個雙鍵的特徵平均分散到三個鍵上,平均鍵級為 43\frac{4}{3}。
  • NO2−\mathrm{NO_2^-}:亞硝酸根有兩個等價 N—O 鍵,共振使一個雙鍵分散到兩個鍵上,平均鍵級為 32\frac{3}{2}。
  • N2O\mathrm{N_2O}:主要共振結構可表示為 N≡N+−O−\mathrm{N\equiv N^+-O^-},其中的 N—O 鍵以單鍵為主;其他共振貢獻不會使其 N—O 鍵級高於 NO+\mathrm{NO^+} 的三鍵。

因此,NO+\mathrm{NO^+} 的 N—O 鍵級最高,鍵長最短。

選項分析

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第 39 題2 分

將氯化鉀(KCl\mathrm{KCl})水溶液與硝酸鈉水溶液(NaNO3\mathrm{NaNO_3})互相混合,請問混合後是否會產生沉澱物?若有沉澱物產生,該沉澱物為何?

這一題的完整詳解

核心觀念

本題考查水溶液中離子化合物混合後,是否會因生成難溶物而產生沉澱。判斷時先列出溶液中的離子,再檢查可能生成的化合物是否難溶於水。

一般溶解度規則指出:硝酸鹽大多可溶;鈉鹽、鉀鹽及氯化物也大多可溶(氯化物的常見難溶例外包括銀、鉛、汞的部分鹽)。

解題方法

氯化鉀與硝酸鈉在水中解離:

KCl(aq)→K+(aq)+Cl−(aq)\mathrm{KCl(aq)\rightarrow K^+(aq)+Cl^-(aq)} NaNO3(aq)→Na+(aq)+NO3−(aq)\mathrm{NaNO_3(aq)\rightarrow Na^+(aq)+NO_3^-(aq)}

混合後,溶液中的離子仍是 K+\mathrm{K^+}、Cl−\mathrm{Cl^-}、Na+\mathrm{Na^+} 與 NO3−\mathrm{NO_3^-}。若將陽、陰離子重新配對,可能得到 KNO3\mathrm{KNO_3} 與 NaCl\mathrm{NaCl};但兩者都可溶於水,沒有難溶固體生成。因此混合後不會產生沉澱。

也可將形式上的分子反應寫成:

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第 40 題2 分

下列哪一個化合物內含有離子鍵結(ionic bond)?

這一題的完整詳解

核心觀念

本題考查化學鍵的種類。離子鍵主要形成於金屬原子與非金屬原子之間:金屬原子失去電子形成陽離子,非金屬原子得到電子形成陰離子,兩者藉由異號電荷間的靜電引力結合。共價鍵則是原子共享電子對,常見於非金屬元素彼此之間。

解題方法

逐一判斷各化合物中的原子種類及成鍵方式。若由金屬與非金屬組成,且可形成陽、陰離子,通常判為離子化合物;若由非金屬原子組成,通常以共價鍵結合。

選項分析

  • (A) H2\mathrm{H_2}:錯誤。 兩個氫原子共享一對電子,形成非極性共價鍵,沒有離子鍵。
  • (B) NaCl\mathrm{NaCl}:正確。 鈉是金屬,氯是非金屬。
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第 41 題2 分

將下列化學反應式進行平衡,請問當各個反應物與產物的反應平衡係數皆為最小整數時,水(H2O\mathrm{H_2O})的平衡係數(coefficient in the balance equation)為何?

Ca(OH)2(aq)+H3PO4(aq)→Ca3(PO4)2(s)+H2O(l)\mathrm{Ca(OH)_2(aq)+H_3PO_4(aq)\rightarrow Ca_3(PO_4)_2(s)+H_2O(l)}

這一題的完整詳解

核心觀念

化學反應式平衡須符合質量守恆:反應前後每種元素的原子數都相同。平衡係數需化為最小整數比。

解題方法

設反應式各物質的係數依序為 a,b,c,da,b,c,d:

a Ca(OH)2+b H3PO4→c Ca3(PO4)2+d H2Oa\,\mathrm{Ca(OH)_2}+b\,\mathrm{H_3PO_4} \rightarrow c\,\mathrm{Ca_3(PO_4)_2}+d\,\mathrm{H_2O}

依各元素守恆列式:

  • 鈣(Ca):a=3ca=3c
  • 磷(P):b=2cb=2c
  • 氫(H):2a+3b=2d2a+3b=2d

取產物 Ca3(PO4)2\mathrm{Ca_3(PO_4)_2} 的係數 c=1c=1,得到 a=3a=3、b=2b=2。代入氫守恆式:

2(3)+3(2)=2d⇒d=62(3)+3(2)=2d \quad\Rightarrow\quad d=6

氧元素亦符合守恆:左側有 2a+4b=2(3)+4(2)=142a+4b=2(3)+4(2)=14 個氧原子,右側有 8c+d=8(1)+6=148c+d=8(1)+6=14 個。因此最小整數係數反應式為:

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第 42 題2 分

下列原子間若形成鍵結,請將鍵結的極性(polar)由弱排到強:

Si−Cl, P−Cl, Mg−Cl, S−Cl\mathrm{Si-Cl,\ P-Cl,\ Mg-Cl,\ S-Cl}

這一題的完整詳解

核心觀念

鍵結的極性取決於兩原子的電負度差。電負度差越大,成鍵電子越偏向電負度較大的原子,鍵結的極性越強:

Δχ=∣χA−χB∣\Delta \chi = |\chi_A-\chi_B|

本題四種鍵結都含有氯原子,因此只要比較 Si、P、Mg、S 與 Cl 的電負度差即可。常用的 Pauling 電負度約為:

元素MgSiPSCl
電負度 χ\chi1.311.902.192.583.16

解題方法

各鍵結的電負度差為:

Δχ(Si−Cl)=∣3.16−1.90∣=1.26Δχ(P−Cl)=∣3.16−2.19∣=0.97Δχ(Mg−Cl)=∣3.16−1.31∣=1.85Δχ(S−Cl)=∣3.16−2.58∣=0.58\begin{aligned} \Delta\chi(\mathrm{Si-Cl}) &= |3.16-1.90|=1.26\\ \Delta\chi(\mathrm{P-Cl}) &= |3.16-2.19|=0.97\\ \Delta\chi(\mathrm{Mg-Cl}) &= |3.16-1.31|=1.85\\ \Delta\chi(\mathrm{S-Cl}) &= |3.16-2.58|=0.58 \end{aligned}

由弱排到強,就是依電負度差由小排到大:

S−Cl<P−Cl<Si−Cl<Mg−Cl\mathrm{S-Cl<P-Cl<Si-Cl<Mg-Cl}

因此符合選項 (C)。

選項分析

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第 43 題2 分

如果已知下列三個反應前後的焓變化(enthalpy change):

2ClF+O2→Cl2O+F2OΔH=−43.4 kJ/mol\mathrm{2ClF+O_2\rightarrow Cl_2O+F_2O} \qquad \Delta H=-43.4\ \mathrm{kJ/mol}

2ClF3+2O2→Cl2O+3F2OΔH=167.4 kJ/mol\mathrm{2ClF_3+2O_2\rightarrow Cl_2O+3F_2O} \qquad \Delta H=167.4\ \mathrm{kJ/mol}

2F2+O2→2F2OΔH=341.4 kJ/mol\mathrm{2F_2+O_2\rightarrow 2F_2O} \qquad \Delta H=341.4\ \mathrm{kJ/mol}

請問 ClF3→ClF+F2\mathrm{ClF_3\rightarrow ClF+F_2} 這個反應的焓變化為何?

這一題的完整詳解

核心觀念

本題考熱化學方程式與赫斯定律:反應焓變只取決於反應物與生成物的狀態,與反應途徑無關。因此,可將已知反應式反向或倍乘,再相加成目標反應;反應式反向時,ΔH\Delta H 變號,倍乘時,ΔH\Delta H 也乘上相同倍數。

解題方法

設三個已知反應依序為(1)、(2)、(3)。將反應式作以下線性組合:

12(1)−12(2)+14(3)\frac{1}{2}(1)-\frac{1}{2}(2)+\frac{1}{4}(3)

即:

ClF+12O2→12Cl2O+12F2OΔH=−21.7 kJ/mol12Cl2O+32F2O→ClF3+O2ΔH=−83.7 kJ/mol12F2+14O2→12F2OΔH=+85.35 kJ/mol\begin{aligned} \mathrm{ClF+ \tfrac12 O_2} &\rightarrow \mathrm{\tfrac12 Cl_2O+\tfrac12 F_2O} &&\Delta H=-21.7\ \mathrm{kJ/mol}\\ \mathrm{\tfrac12 Cl_2O+\tfrac32 F_2O} &\rightarrow \mathrm{ClF_3+\mathrm{O_2}} &&\Delta H=-83.7\ \mathrm{kJ/mol}\\ \mathrm{\tfrac12 F_2+\tfrac14 O_2} &\rightarrow \mathrm{\tfrac12 F_2O} &&\Delta H=+85.35\ \mathrm{kJ/mol} \end{aligned}

相加並消去兩側共同物質 Cl2O\mathrm{Cl_2O}、F2O\mathrm{F_2O} 與 O2\mathrm{O_2},得到:

ClF→ClF3+12F2\mathrm{ClF \rightarrow ClF_3+\tfrac12 F_2}

這是目標反應的逆反應。將方程式反向,得到:

ClF3→ClF+12F2\mathrm{ClF_3\rightarrow ClF+\tfrac12 F_2}

因此目標反應的焓變為:

ΔH=(−21.7)+(−83.7)+85.35=−20.05 kJ/mol\Delta H=(-21.7)+(-83.7)+85.35=-20.05\ \mathrm{kJ/mol}
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第 44 題2 分

假設有一個平衡反應

2H2(g)+X2(g)⇌2H2X(g)\mathrm{2H_2(g)+X_2(g)\rightleftharpoons 2H_2X(g)}

在已經達到平衡的情況下,突然增加反應環境的壓力。請問增加壓力後再一次達到平衡時,與前一次平衡時相比,會有什麼改變?

這一題的完整詳解

核心觀念

本題考「改變壓力對氣體平衡的影響」,依勒沙特列原理,平衡系統受到外在條件改變時,會朝減弱該改變的方向移動。若在溫度不變下壓縮氣體、使壓力增加,平衡會朝氣體總莫耳數較少的一側移動。

反應為:

2H2(g)+X2(g)⇌2H2X(g)\mathrm{2H_2(g)+X_2(g)\rightleftharpoons 2H_2X(g)}

反應物側共有 33 莫耳氣體,生成物側共有 22 莫耳氣體,因此增壓會使平衡向右移,生成更多 H2X\mathrm{H_2X}。

解題方法

把「增加壓力」視為體積縮小,並比較反應式兩側的氣體莫耳數。平衡向右移後,反應物 H2\mathrm{H_2} 與 X2\mathrm{X_2} 被消耗,生成物 H2X\mathrm{H_2X} 增加。

以平衡常數也可說明:定溫下 KpK_p 不變,反應商為

Qp=PH2X2PH22PX2Q_p=\frac{P_{\mathrm{H_2X}}^2}{P_{\mathrm{H_2}}^2P_{\mathrm{X_2}}}

壓縮時各氣體分壓同時按比例上升。若壓力乘上因子 c>1c>1,則 QpQ_p 變為原來的 1/c1/c,小於原本等於 KpK_p 的值,反應便向右進行,直到重新達到平衡

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第 45 題2 分

S 在 Li2SO3\mathrm{Li_2SO_3} 中的氧化態(oxidation state)為何?

這一題的完整詳解

核心觀念

氧化態是依據原子在化合物中的形式電荷分配所指定的數值。中性化合物中,各原子的氧化態總和為 00;常見規則是氧通常為 −2-2,鋰等第 1 族金屬通常為 +1+1。

解題方法

設 Li2SO3\mathrm{Li_2SO_3} 中硫的氧化態為 xx。鋰有 22 個,每個為 +1+1;氧有 33 個,每個為 −2-2。由於整個化合物呈電中性:

2(+1)+x+3(−2)=02(+1)+x+3(-2)=0

整理得:

2+x−6=0⇒x=+42+x-6=0 \quad\Rightarrow\quad x=+4

因此,硫的氧化態為 +4+4。

選項分析

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第 46 題2 分

下列何種化學反應牽涉到電子的轉移(transfer of electrons)?

這一題的完整詳解

核心觀念

本題考反應分類與電子轉移。氧化還原反應的判斷重點是:反應前後是否有元素的氧化數改變。氧化數上升代表失去電子、被氧化;氧化數下降代表得到電子、被還原,因此氧化與還原會同時發生,並涉及電子轉移。

解題方法

辨認各選項所代表的反應類型,並確認其定義是否以電子轉移為核心:

  • 沉澱反應:溶液中的離子結合,生成難溶固體。
  • 酸鹼中和反應:酸與鹼反應,核心是質子轉移。
  • 氧化還原反應:反應物之間發生電子轉移。
  • 置換反應:元素取代化合物中的另一元素;常見情況會伴隨氧化數改變,但「置換」本身不是電子轉移反應的總稱。

選項分析

(A) 沉澱反應:錯誤。 例如:

Ag+(aq)+Cl−(aq)→AgCl(s)\mathrm{Ag^+(aq)+Cl^-(aq)\rightarrow AgCl(s)}

銀離子與氯離子形成沉澱,兩元素的氧化數在反應前後未改變,沒有電子轉移。

(B) 酸鹼中和反應:錯誤。 例如:

H+(aq)+OH−(aq)→H2O(l)\mathrm{H^+(aq)+OH^-(aq)\rightarrow H_2O(l)}

其核心是酸提供的質子與鹼接受的質子結合形成水,屬於質子轉移;

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第 47 題2 分

在下列反應中:

TiCl4(l)+O2(g)→TiO2(s)+2Cl2(g)\mathrm{TiCl_4(l)+O_2(g)\rightarrow TiO_2(s)+2Cl_2(g)}

哪一個物質是被氧化(be oxidized)?

這一題的完整詳解

核心觀念

本題考氧化還原反應與氧化數的判定。元素的氧化數上升,表示失去電子,稱為「被氧化」;氧化數下降,表示得到電子,稱為「被還原」。

解題方法

先標出反應物與生成物中各元素的氧化數:

  • TiCl4\mathrm{TiCl_4} 中,氯通常為 −1-1,所以鈦為 +4+4。
  • O2\mathrm{O_2} 是單質,氧的氧化數為 00。
  • TiO2\mathrm{TiO_2} 中,氧通常為 −2-2,所以鈦為 +4+4。
  • Cl2\mathrm{Cl_2} 是單質,氯的氧化數為 00。

比較反應前後的氧化數:

Ti: +4→+4,Cl: −1→0,O: 0→−2\mathrm{Ti}:\ +4\rightarrow +4,\qquad \mathrm{Cl}:\ -1\rightarrow 0,\qquad \mathrm{O}:\ 0\rightarrow -2

氯的氧化數由 −1-1 上升至 00,因此氯失去電子、被氧化。氧的氧化數由 00 下降至 −2-2,因此氧被還原。

選項分析

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第 48 題2 分

在

2Fe2++Cl2→2Fe3++2Cl−\mathrm{2Fe^{2+}+Cl_2\rightarrow 2Fe^{3+}+2Cl^-}

這個氧化還原反應中,下列何者為正確的半反應(half-reactions)?

① Cl2+2e−→2Cl−\mathrm{Cl_2+2e^-\rightarrow 2Cl^-}

② Cl→Cl−+e−\mathrm{Cl\rightarrow Cl^-+e^-}

③ Cl2→2Cl−+2e−\mathrm{Cl_2\rightarrow 2Cl^-+2e^-}

④ Fe2+→Fe3++e−\mathrm{Fe^{2+}\rightarrow Fe^{3+}+e^-}

⑤ Fe2++e−→Fe3+\mathrm{Fe^{2+}+e^-\rightarrow Fe^{3+}}

這一題的完整詳解

核心觀念

氧化還原反應可拆成氧化半反應與還原半反應。半反應需同時符合原子數與電荷守恆:

  • 氧化:失去電子,電子寫在生成物一側。
  • 還原:得到電子,電子寫在反應物一側。

本題中,鐵由 Fe2+\mathrm{Fe^{2+}} 變成 Fe3+\mathrm{Fe^{3+}},氯由 Cl2\mathrm{Cl_2} 變成 Cl−\mathrm{Cl^-}。

解題方法

先比較各元素的氧化數:

  • 鐵:Fe2+\mathrm{Fe^{2+}} 中為 +2+2,Fe3+\mathrm{Fe^{3+}} 中為 +3+3,氧化數上升 11,每個鐵離子失去 11 個電子: Fe2+→Fe3++e−\mathrm{Fe^{2+}\rightarrow Fe^{3+}+e^-}
  • 氯:Cl2\mathrm{Cl_2} 中每個氯原子氧化數為 00,Cl−\mathrm{Cl^-} 中為 −1-1。一個 Cl2\mathrm{Cl_2} 分子含兩個氯原子,總共得到 22 個電子: Cl2+2e−→2Cl−\mathrm{Cl_2+2e^-\rightarrow 2Cl^-}

兩個半反應的電子數均為 22:鐵半反應乘以 22 後,與氯半反應相加,即得到題目所列的總反應。因此正確半反應為①與④。

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第 49 題2 分

請問在一個

80204Hg^{204}_{80}\mathrm{Hg}

原子(atom)中,含有幾個中子(neutron)?

這一題的完整詳解

核心觀念

核種符號 ZAX{}^{A}_{Z}\mathrm{X} 中,左上角的 AA 是質量數,表示原子核內「質子數與中子數的總和」;左下角的 ZZ 是原子序,表示質子數。因此:

中子數=A−Z\text{中子數}=A-Z

題目所寫的是汞原子 80204Hg{}^{204}_{80}\mathrm{Hg}。

解題方法

由核種符號讀出質量數 A=204A=204、原子序 Z=80Z=80,代入公式:

中子數=204−80=124\text{中子數}=204-80=124
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第 50 題2 分

已知化合物 A 是種飽和的碳氫化合物。若有 1010 升容器內裝有 215∘C215^\circ\mathrm{C}、0.200.20 大氣壓的化合物 A 氣體,氣體的重量為 2.202.20 克,下列敘述何者正確?(原子量:氫 =1.0=1.0,碳 =12.0=12.0。)

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核心觀念

本題考理想氣體狀態方程式、由質量求莫耳數與分子量,以及飽和碳氫化合物完全燃燒的化學計量。

理想氣體方程式為 PV=nRTPV=nRT;飽和碳氫化合物可寫成烷類通式 CnH2n+2\mathrm{C_nH_{2n+2}},完全燃燒時每莫耳烷類生成 nn 莫耳 CO2\mathrm{CO_2} 與 n+1n+1 莫耳 H2O\mathrm{H_2O}。

解題方法

先由氣體的壓力、體積與溫度求莫耳數。溫度須換算為絕對溫度:

T=215+273=488 KT=215+273=488\ \mathrm{K}

取 R=0.082 L⋅atm/(mol⋅K)R=0.082\ \mathrm{L\cdot atm/(mol\cdot K)},則

n=PVRT=(0.20)(10)(0.082)(488)≈0.050 moln=\frac{PV}{RT} =\frac{(0.20)(10)}{(0.082)(488)} \approx 0.050\ \mathrm{mol}

化合物 A 的分子量為

M=2.20 g0.050 mol=44.0 g/molM=\frac{2.20\ \mathrm{g}}{0.050\ \mathrm{mol}} =44.0\ \mathrm{g/mol}

設 A 為 CnH2n+2\mathrm{C_nH_{2n+2}},其分子量為

12n+(2n+2)=14n+212n+(2n+2)=14n+2

因此

14n+2=44⇒n=314n+2=44 \quad\Rightarrow\quad n=3

故 A 為 C3H8\mathrm{C_3H_8}(丙烷)。其完全燃燒反應式為

C3H8+5O2→3CO2+4H2O\mathrm{C_3H_8+5O_2\rightarrow 3CO_2+4H_2O}
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