109 年 國立高雄大學化學工程及材料工程學系碩士班甲組《普通化學》

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第 1 題

The element lithium (Li) exists as two stable isotopes, 6^6Li (isotopic mass = 6.200 amu) and 7^7Li (isotopic mass = 7.200 amu). Lithium has an atomic mass of 7.125 amu. What is the percent abundance of 6^6Li?
(A) 7.5%
(B) 22.3%
(C) 90.2%
(D) 92.5%
(E) none of these

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本題考查原子量與同位素豐度的關係。原子量是元素的各種天然同位素的原子量加權平均值,權重即為該同位素的豐度。

設 6^6Li 的豐度為 xx,則 7^7Li 的豐度為 (1−x)(1-x)。
根據題意,6^6Li 的同位素質量為 6.200 amu,7^7Li 的同位素質量為 7.200 amu,鋰的平均原子量為 7.125 amu。
因此,可以建立以下方程式:

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第 2 題

A chemical engineer dilutes a stock solution of hydrochloric acid (HCl) by adding 25.0 m³ of 7.50 M acid to enough water to make 500 m³. What is the mass (in g) of HCl per liter of the diluted solution? (Mw(HCl) = 36.46 g/mol)
(A) 13.7
(B) 12.1
(C) 0.567
(D) 0.0136
(E) none of these

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本題考查溶液稀釋以及質量濃度的計算。

首先,計算加入的 HCl 的莫耳數:
體積 V1=25.0 m3=25.0×103 LV_1 = 25.0 \text{ m}^3 = 25.0 \times 10^3 \text{ L}
濃度 M1=7.50 M=7.50 mol/LM_1 = 7.50 \text{ M} = 7.50 \text{ mol/L}
莫耳數 n1=M1×V1=7.50 mol/L×25.0×103 L=1.875×105 moln_1 = M_1 \times V_1 = 7.50 \text{ mol/L} \times 25.0 \times 10^3 \text{ L} = 1.875 \times 10^5 \text{ mol}

稀釋後的總體積 V2=500 m3=500×103 LV_2 = 500 \text{ m}^3 = 500 \times 10^3 \text{ L}。

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第 3 題

A rigid plastic container holds 45.5 g of methane (CH4) at a pressure of 820 torr. What is the pressure (torr) if 3.5 g of methane is removed at constant temperature?
(A) 723
(B) 757
(C) 808
(D) 794
(E) none of these

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本題考查理想氣體定律在定溫下的應用,特別是氣體質量與壓力之間的關係。

理想氣體定律為 PV=nRTPV = nRT。
由於容器是剛性的(體積固定 VV 不變),且溫度恆定 (TT 不變),氣體常數 RR 也是常數,因此壓力 PP 與氣體的莫耳數 nn 成正比:P∝nP \propto n。
氣體的莫耳數 nn 又與其質量 mm 成正比:n=mMn = \frac{m}{M},其中 MM 是莫耳質量。
因此,在定溫定容下,氣體的壓力 PP 與其質量 mm 成正比:P∝mP \propto m。

我們可以建立比例關係:
P1m1=P2m2\frac{P_1}{m_1} = \frac{P_2}{m_2}

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第 4 題

Which of the following statements is true?
(A) The number of neutrons is the same for all neutral atoms of an element.
(B) Alkali metals form ions with a 2+ charge when they react with nonmetals.
(C) The molecule SO2 has two resonance structures.
(D) The total energy of the universe decreases, while the entropy decreases.
(E) none of these

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本題考查原子結構、元素性質、化學鍵結與熱力學定律等基本觀念。我們逐一檢視各選項:

(A) 中子的數量與質子數(原子序)相同,決定了元素的種類。然而,同一元素可以有不同的同位素,同位素的差異就在於中子數不同。例如,碳有 12^12C (6 中子) 和 13^13C (7 中子)。因此,同一元素的原子,中子數不一定相同。此選項錯誤。

(B) 鹼金屬(第一族元素)最外層通常只有一個價電子,它們傾向於失去這個電子形成帶 +1 電荷的離子(例如 Na+Na^+、K+K^+)。形成 2+ 電荷的離子需要失去兩個電子,這對於鹼金屬來說能量上不利。而鹼土金屬(第二族元素,如 Mg, Ca)才傾向於形成 2+ 離子。此選項錯誤。

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第 5 題

In a hydrogenation reaction, ethene (C2H4) and H2 from ethane (C2H6). If 137 kJ is given off per mole of C2H4 reacting, how much heat (kJ) is released when 12.6 g of C2H6 forms? (Mw(C2H6) = 30.07 g/mol)
(A) 57.4
(B) 28.7
(C) 14.4
(D) 0
(E) none of these

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本題考查化學反應的熱效應與化學計量關係。

反應方程式為:C2H4(g)+H2(g)→C2H6(g)C_2H_4(g) + H_2(g) \rightarrow C_2H_6(g)
已知每反應 1 莫耳 C2H4C_2H_4,放出 137 kJ 的熱量。這表示反應的焓變 ΔHrxn=−137 kJ/mol C2H4\Delta H_{rxn} = -137 \text{ kJ/mol } C_2H_4。
由於反應的化學計量比為 1:1:1,所以每生成 1 莫耳 C2H6C_2H_6,也放出 137 kJ 的熱量。

我們需要計算當生成 12.6 g 的 C2H6C_2H_6 時,釋放的熱量。
首先,計算 12.6 g C2H6C_2H_6 的莫耳數:
C2H6C_2H_6 的莫耳質量 Mw(C2H6)=30.07 g/molM_w(C_2H_6) = 30.07 \text{ g/mol}。

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第 6 題

Balance the following redox equation using the smallest integers possible and select the correct coefficient for the HI.
K2Cr2O7(aq) + HI(aq) → KI(aq) + CrI3(aq) + I2(s) + H2O(l)
(A) 1
(B) 2
(C) 4
(D) 7
(E) none of these

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核心觀念

本題考查酸性條件下的氧化還原反應配平,並要求找出 HI 的最小整數係數。

反應中:

  • Cr 在 K2Cr2O7\mathrm{K_2Cr_2O_7} 中為 +6+6 價。
  • Cr 在 CrI3\mathrm{CrI_3} 中為 +3+3 價,因此每個 Cr 得到 33 個電子;兩個 Cr 共得到 66 個電子。
  • I⁻ 在 HI 中部分被氧化成 I2\mathrm{I_2},氧化數由 −1-1 升至 00。

電子守恆是配平氧化還原反應的核心。

解題方法

設 K2Cr2O7\mathrm{K_2Cr_2O_7} 的係數為 11:

K2Cr2O7+HI→KI+CrI3+I2+H2O\mathrm{K_2Cr_2O_7+HI\rightarrow KI+CrI_3+I_2+H_2O}

先依元素逐一配平。

1. 配平鉀與鉻

左側有 22 個 K,因此右側需要 2KI2\mathrm{KI}。

左側有 22 個 Cr,因此右側需要 2CrI32\mathrm{CrI_3}:

K2Cr2O7+HI→2KI+2CrI3+I2+H2O\mathrm{K_2Cr_2O_7+HI\rightarrow 2KI+2CrI_3+I_2+H_2O}

2. 配平氧與氫

左側有 77 個 O,因此右側需要 7H2O7\mathrm{H_2O}。

右側 7H2O7\mathrm{H_2O} 含有 1414 個 H,因此左側需要 14HI14\mathrm{HI}:

K2Cr2O7+14HI→2KI+2CrI3+I2+7H2O\mathrm{K_2Cr_2O_7+14HI\rightarrow 2KI+2CrI_3+I_2+7H_2O}

3. 配平碘

左側 14HI14\mathrm{HI} 提供 1414 個 I。

右側已存在:

  • 2KI2\mathrm{KI}:含 22 個 I
  • 2CrI32\mathrm{CrI_3}:含 66 個 I

因此尚有:

14−2−6=614-2-6=6
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第 7 題

Which of the following statements is incorrect?

(A) NF3\mathrm{NF_3} is a polar molecule.
(B) The hybridization of the central atom is sp3sp^3 in ICl4−\mathrm{ICl_4^-}.
(C) According to the molecular orbital model, the bond order of P2\mathrm{P_2} molecule is three.
(D) A material is made from Al, Ga, and As. The mole fraction of each element is 0.25, 0.26, and 0.49, respectively. This material would be a p-type semiconductor.
(E) none of these

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核心觀念

本題考查分子極性、中心原子的電子域與雜化、分子軌域鍵級,以及半導體的價電子數判斷。

判斷時可依序使用:

  • 分子極性:分子是否有淨偶極矩,須同時考慮鍵偶極與分子幾何。

  • 雜化與電子域:中心原子的電子域數等於成鍵電子域數加孤電子對數;電子域數為 4 時對應 sp3sp^3,為 6 時對應 sp3d2sp^3d^2。

  • 分子軌域鍵級:

    鍵級=N鍵結電子−N反鍵結電子2\text{鍵級}=\frac{N_{\text{鍵結電子}}-N_{\text{反鍵結電子}}}{2}

  • 半導體型態:以平均價電子數與理想共價晶體每個原子平均 4 個價電子相比;平均價電子數低於 4,呈受體特性,判為 pp 型。

解題方法

逐項檢查敘述是否正確。特別要注意,ICl4−\mathrm{ICl_4^-} 的中心碘原子有四個鍵結電子域與兩對孤電子,總電子域數為 6,不能只因為有四個鍵就判成 sp3sp^3。

選項分析

(A) 正確。
NF3\mathrm{NF_3} 中氮原子有三個 N–F 鍵與一對孤電子對,分子形狀為三角錐形。N–F 鍵具有鍵偶極,且三個鍵偶極無法完全抵消,因此分子具有淨偶極矩,屬於極性分子。

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第 8 題

Which of the following electron configurations belongs to an atom that is most likely to be involved in a covalent bond?

(A) 1s22s22p63s21s^22s^22p^63s^2
(B) 1s22s22p63s23p31s^22s^22p^63s^23p^3
(C) 1s22s22p61s^22s^22p^6
(D) 1s22s22p63s23p61s^22s^22p^63s^23p^6
(E) none of these

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核心觀念

共價鍵是原子透過共享價電子形成的化學鍵,常見於價電子層尚未填滿的非金屬原子。判斷電子組態時,可先確認元素身分,再看其價電子數與最外層是否已達穩定組態。

解題方法

由電子組態中的總電子數判斷元素,並觀察最外層電子:

  • (A) 有 1212 個電子,是鎂,價電子組態為 3s23s^2。
  • (B) 有 1515 個電子,是磷,價電子組態為 3s23p33s^2 3p^3。
  • (C) 有 1010 個電子,是氖,最外層已填滿。
  • (D) 有 1818 個電子,是氬,最外層已填滿。

磷有 55 個價電子,距離八隅體還差 33 個電子,常藉由與其他非金屬原子共享電子形成共價鍵。因此,(B) 最符合題意。

選項分析

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第 9 題

Select the correct name for the following compound.

CH3CH2CH(CH3)CH(CH3)CH2OH\mathrm{CH_3CH_2CH(CH_3)CH(CH_3)CH_2OH}

(A) 3-ethyl-2,3-dimethyl-1-propanol
(B) 2,3,4-trimethyl-1-butanol
(C) 2,3-dimethyl-1-pentanol
(D) 3,4-dimethyl-5-pentanol
(E) none of these

🖼️ 本題含圖表,以下為原卷對應頁面:
原卷第 2 頁

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核心觀念

醇類命名時,先選出包含羥基(−OH-\mathrm{OH})的最長碳鏈作為主鏈,再從離羥基最近的一端編號,使羥基取得最小位號。主鏈以外的碳鏈則作為取代基標示位置。

解題方法

依原圖結構,主鏈可由右側的 CH2OH\mathrm{CH_2OH} 開始,依序經過兩個相鄰的 CH\mathrm{CH},再沿左上方的 CH2CH3\mathrm{CH_2CH_3} 延伸。這條包含羥基的最長主鏈有五個碳;兩個 CH\mathrm{CH} 上各連有一個甲基。

從羥基端開始編號:

HOCH2(1)−CH(CH3)(2)−CH(CH3)(3)−CH2(4)−CH3(5)\mathrm{HOCH_2(1)-CH(CH_3)(2)-CH(CH_3)(3)-CH_2(4)-CH_3(5)}

因此主鏈是戊醇,羥基在第 1 位,甲基在第 2、3 位,名稱為 2,3-二甲基-1-戊醇。

選項分析

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第 10 題

A certain gas expands in volume from 1.0 L1.0\ \mathrm{L} to 2.0 L2.0\ \mathrm{L} at constant temperature. Calculate the work done by the gas if it expands against a vacuum. (1 L⋅atm=101.3 J1\ \mathrm{L\cdot atm}=101.3\ \mathrm{J})

(A) +202.6 J+202.6\ \mathrm{J}
(B) −101.3 J-101.3\ \mathrm{J}
(C) +101.3 J+101.3\ \mathrm{J}
(D) 0 J0\ \mathrm{J}
(E) none of these

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核心觀念

氣體膨脹時,對外界所做的功取決於外界壓力。若外界壓力固定,氣體對外界所做的功為

W氣體對外=P外ΔVW_{\text{氣體對外}}=P_{\text{外}}\Delta V

化學常用的系統功則採用相反符號:

w系統=−P外ΔVw_{\text{系統}}=-P_{\text{外}}\Delta V

本題的氣體膨脹至真空,表示外界壓力 P外=0P_{\text{外}}=0。

解題方法

體積變化為

ΔV=2.0 L−1.0 L=1.0 L\Delta V=2.0\ \mathrm{L}-1.0\ \mathrm{L}=1.0\ \mathrm{L}

膨脹對抗真空時,外界沒有壓力阻擋氣體,也就沒有對外界做功:

W氣體對外=P外ΔV=(0 atm)(1.0 L)=0 L⋅atm=0 JW_{\text{氣體對外}}=P_{\text{外}}\Delta V =(0\ \mathrm{atm})(1.0\ \mathrm{L})=0\ \mathrm{L\cdot atm}=0\ \mathrm{J}

因此,題目提供的換算關係 1 L⋅atm=101.3 J1\ \mathrm{L\cdot atm}=101.3\ \mathrm{J} 不需使用。

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第 11 題

Which of the following statements about voltaic (galvanic) and electrolytic cells is correct?

(A) The anode will definitely gain weight in a voltaic cell.
(B) Oxidation occurs at the cathode of both cells.
(C) The free energy change, ΔG\Delta G, is negative for the voltaic cell.
(D) The electrons in the external wire flow from cathode to anode in an electrolytic cell.
(E) none of these.

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核心觀念

電化學電池依反應是否自發分為伏打電池(原電池)與電解電池。兩者都遵守相同的電極定義:

  • 陽極(anode)發生氧化反應。
  • 陰極(cathode)發生還原反應。

兩種電池的差別在於反應方向與能量轉換:伏打電池的反應自發進行,將化學能轉換為電能;電解電池則由外加電源驅動非自發反應。電池電位與吉布斯自由能的關係為:

ΔG=−nFEcell\Delta G=-nFE_{\text{cell}}

其中 nn 是反應轉移的電子莫耳數,FF 是法拉第常數。對自發運作的伏打電池,Ecell>0E_{\text{cell}}>0,因此 ΔG<0\Delta G<0。

解題方法

先記住陽極氧化、陰極還原,這項定義不因電池種類改變。接著判斷各選項是否符合電極反應與能量轉換的基本規則。電極是否增重則要看實際的電極材料與反應,不能只由「陽極」這個名稱判定。

選項分析

(A) 錯誤。 伏打電池的陽極發生氧化,但不代表陽極一定增重。以鋅銅電池為例,陽極的鋅氧化成鋅離子:

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第 12 題

Calculate Ecell∘E^\circ_{\mathrm{cell}} and indicate whether the overall reaction shown is spontaneous or nonspontaneous.

O2(g)+4H+(aq)+4e−→2H2O(l)E∘=1.229 V\mathrm{O_2(g)+4H^+(aq)+4e^-\rightarrow 2H_2O(l)} \qquad E^\circ=1.229\ \mathrm{V}

Al3+(aq)+3e−→Al(s)E∘=−1.662 V\mathrm{Al^{3+}(aq)+3e^-\rightarrow Al(s)} \qquad E^\circ=-1.662\ \mathrm{V}

Overall reaction:

4Al(s)+3O2(g)+12H+(aq)→4Al3+(aq)+6H2O(l)\mathrm{4Al(s)+3O_2(g)+12H^+(aq)\rightarrow 4Al^{3+}(aq)+6H_2O(l)}

(A) Ecell∘=−2.891 VE^\circ_{\mathrm{cell}}=-2.891\ \mathrm{V}, nonspontaneous
(B) Ecell∘=−2.891 VE^\circ_{\mathrm{cell}}=-2.891\ \mathrm{V}, spontaneous
(C) Ecell∘=2.891 VE^\circ_{\mathrm{cell}}=2.891\ \mathrm{V}, nonspontaneous
(D) Ecell∘=2.891 VE^\circ_{\mathrm{cell}}=2.891\ \mathrm{V}, spontaneous
(E) none of these

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核心觀念

標準電池電位由陰極的還原電位減去陽極的還原電位計算:

Ecell∘=E陰極∘−E陽極∘E^\circ_{\mathrm{cell}}=E^\circ_{\mathrm{陰極}}-E^\circ_{\mathrm{陽極}}

電池反應自發時,Ecell∘>0E^\circ_{\mathrm{cell}}>0。配平半反應時可將電子數乘上係數,但電極電位是強度性質,不隨係數倍增。

解題方法

依原卷圖,氧氣半反應為 O2+4H++4e−→2H2O\mathrm{O_2+4H^++4e^-\rightarrow 2H_2O},其還原電位為 1.229 V1.229\ \mathrm{V};鋁半反應為 Al3++3e−→Al\mathrm{Al^{3+}+3e^-\rightarrow Al},其還原電位為 −1.662 V-1.662\ \mathrm{V}。總反應中鋁生成 Al3+\mathrm{Al^{3+}},因此鋁被氧化,是陽極;氧氣被還原,是陰極。

代入電位公式:

Ecell∘=1.229−(−1.662)=2.891 VE^\circ_{\mathrm{cell}} =1.229-(-1.662) =2.891\ \mathrm{V}
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第 13 題

Formic acid (HCOOH\mathrm{HCOOH}) has a Ka=1.8×10−4K_a=1.8\times10^{-4}. What is the [H3O+][\mathrm{H_3O^+}] in a solution that is initially 0.10 M0.10\ \mathrm{M} formic acid?

(A) 4.2×10−3 M4.2\times10^{-3}\ \mathrm{M}
(B) 8.4×10−3 M8.4\times10^{-3}\ \mathrm{M}
(C) 1.8×10−4 M1.8\times10^{-4}\ \mathrm{M}
(D) 1.8×10−5 M1.8\times10^{-5}\ \mathrm{M}
(E) none of these

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核心觀念

甲酸是弱酸,在水中部分解離:

HCOOH+H2O⇌H3O++HCOO−\mathrm{HCOOH + H_2O \rightleftharpoons H_3O^+ + HCOO^-}

酸解離常數定義為:

Ka=[H3O+][HCOO−][HCOOH]K_a=\frac{[\mathrm{H_3O^+}][\mathrm{HCOO^-}]}{[\mathrm{HCOOH}]}

題目給定甲酸的初始濃度與 KaK_a,可利用平衡濃度表求出 [H3O+][\mathrm{H_3O^+}]。

解題方法

設甲酸解離 x Mx\ \mathrm{M}。依化學計量,平衡時:

物種初始濃度(M)變化(M)平衡濃度(M)
HCOOH\mathrm{HCOOH}0.100.10−x-x0.10−x0.10-x
H3O+\mathrm{H_3O^+}00+x+xxx
HCOO−\mathrm{HCOO^-}00+x+xxx

代入 Ka=1.8×10−4K_a=1.8\times10^{-4}:

1.8×10−4=x20.10−x1.8\times10^{-4}=\frac{x^2}{0.10-x}

解此二次方程式:

x2+1.8×10−4x−1.8×10−5=0x^2+1.8\times10^{-4}x-1.8\times10^{-5}=0

取正根:

x=−1.8×10−4+(1.8×10−4)2+4(1.8×10−5)2≈4.15×10−3 Mx=\frac{-1.8\times10^{-4}+\sqrt{(1.8\times10^{-4})^2+4(1.8\times10^{-5})}}{2} \approx 4.15\times10^{-3}\ \mathrm{M}
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第 14 題

When a weak acid is titrated with a strong base, the pH at the equivalence point

(A) is less than 7.0.
(B) is equal to 7.0.
(C) is greater than 7.0.
(D) is equal to the pKapK_a of the acid.
(E) none of these

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核心觀念

弱酸以強鹼滴定時,當量點代表弱酸恰好被中和,溶液中主要含有弱酸的共軛鹼 A−A^-。共軛鹼會與水反應,產生氫氧根離子,使溶液呈鹼性:

A−+H2O⇌HA+OH−A^- + H_2O \rightleftharpoons HA + OH^-

因此,在一般考試採用的 25∘C25^\circ\mathrm{C} 條件下,當量點的 pH 大於 7.07.0。這題考的是共軛酸鹼的水解,以及當量點溶液的酸鹼性判斷。

解題方法

以弱酸 HAHA 和強鹼 OH−OH^- 為例,中和反應為:

HA+OH−→A−+H2OHA + OH^- \rightarrow A^- + H_2O

當量點時,HAHA 已被完全中和,強鹼也沒有過量;但溶液中的 A−A^- 會水解:

A−+H2O⇌HA+OH−A^- + H_2O \rightleftharpoons HA + OH^-

水解產生的 OH−OH^- 使溶液呈鹼性,所以當量點 pH 大於 7.07.0。若以平衡常數表示,共軛鹼的鹼解常數為:

Kb=KwKaK_b = \frac{K_w}{K_a}
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第 15 題

What elements are alloyed to make stainless steel?

(A) Fe and C
(B) Fe and Mn
(C) Fe and Zn
(D) Fe, V, and Zn
(E) Fe, Cr, and Ni

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核心觀念

不鏽鋼是以鐵為基底,加入足量鉻以提升耐腐蝕性的合金。鉻會在鋼材表面形成緻密的氧化鉻保護膜,降低鐵進一步氧化與生鏽的機會。鎳常加入不鏽鋼中,可改善耐腐蝕性、韌性與加工性。

解題方法

辨認不鏽鋼的關鍵元素是鉻(Cr),而常見不鏽鋼也含有鎳(Ni);其主要金屬元素因此為鐵、鉻與鎳。題目選項中,符合此組成的是(E)。

選項分析

  • (A) Fe 和 C:錯誤。 鐵與碳是鋼的基本組成,碳含量會影響硬度與強度,但這組成未指出讓不鏽鋼具有耐腐蝕性的鉻。
  • **(B) Fe 和 Mn:錯誤。
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第 16 題

30.0 mL30.0\ \mathrm{mL} of a 0.100 mol/L0.100\ \mathrm{mol/L} solution of a metal ion M2+\mathrm{M^{2+}} is mixed with 30.0 mL30.0\ \mathrm{mL} of a 0.100 mol/L0.100\ \mathrm{mol/L} solution of a ligand L\mathrm{L}. A reaction occurs in which the product is ML42+\mathrm{ML_4^{2+}}. Approximately, what is the maximum concentration of ML42+\mathrm{ML_4^{2+}}, in mol/L\mathrm{mol/L}, which could result from this reaction?

(A) 0.02500.0250
(B) 0.2500.250
(C) 0.1800.180
(D) 0.01250.0125
(E) none of these

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核心觀念

本題考查反應化學計量、限量試劑與混合後的總體積。生成物 ML42+\mathrm{ML_4^{2+}} 中,每生成 11 mol 產物,需要 11 mol M2+\mathrm{M^{2+}} 與 44 mol 配位基 L\mathrm{L}:

M2++4L⟶ML42+\mathrm{M^{2+}+4L\longrightarrow ML_4^{2+}}

最大生成量由限量試劑決定;混合後的產物濃度則以混合後的總體積計算。

解題方法

先計算兩種反應物的物質的量:

n(M2+)=0.0300 L×0.100 mol/L=0.00300 moln(\mathrm{M^{2+}})=0.0300\ \mathrm{L}\times0.100\ \mathrm{mol/L} =0.00300\ \mathrm{mol} n(L)=0.0300 L×0.100 mol/L=0.00300 moln(\mathrm{L})=0.0300\ \mathrm{L}\times0.100\ \mathrm{mol/L} =0.00300\ \mathrm{mol}

生成 0.003000.00300 mol M2+\mathrm{M^{2+}} 需要 0.01200.0120 mol L\mathrm{L},但實際只有 0.003000.00300 mol L\mathrm{L},因此 L\mathrm{L} 是限量試劑。最多可生成:

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第 17 題

Which one of the following statements about solid Cu (face-centered cubic unit cell) is incorrect?

(A) The solid has a cubic closest-packed structure.
(B) The number of atoms surrounding each Cu atom is 12.
(C) There are two atoms per unit cell.
(D) The length of a face diagonal is four times the Cu radius.
(E) none of these

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核心觀念

面心立方晶胞(FCC)的結構可由三個特徵判斷:

  • 原子位於立方體的 8 個頂點與 6 個面心。
  • 每個晶胞所含原子數,須依原子與相鄰晶胞共享的比例計算。
  • FCC 中原子沿著面對角線彼此接觸,因此可用面對角線長度與原子半徑建立關係。

FCC 也稱為立方最密堆積(cubic closest-packed, CCP),每個原子的最近鄰配位數為 12。

解題方法

先用晶胞位置確認每個晶胞所含的原子數,再用面對角線上的接觸關係檢查幾何敘述。

FCC 晶胞的原子數為

8(18)+6(12)=1+3=48\left(\frac{1}{8}\right)+6\left(\frac{1}{2}\right)=1+3=4

其中,頂點原子由 8 個晶胞共享,每個晶胞分得 18\frac{1}{8} 個;面心原子由 2 個晶胞共享,每個晶胞分得 12\frac{1}{2} 個。

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第 18 題

What is the molecular shape of BrF5\mathrm{BrF_5} as predicted by the VSEPR theory?

(A) Trigonal bipyramidal
(B) Square planar
(C) T shaped
(D) Seesaw
(E) none of these

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核心觀念

VSEPR 理論以中心原子周圍的電子域互相排斥為基礎,判斷分子的空間形狀。中心原子上的每一個單鍵、雙鍵或三鍵都算一個成鍵電子域;每一對孤電子也算一個電子域。

判斷時先計算中心原子周圍的電子域總數,得到電子域排列,再依據原子的位置判斷分子形狀。孤電子對會影響分子形狀,但不列入分子形狀名稱中的原子位置。

解題方法

在 BrF5\mathrm{BrF_5} 中,溴是中心原子。溴有 77 個價電子,與 55 個氟原子各形成一個單鍵後,中心溴原子還有一對孤電子。

因此,溴原子周圍共有:

  • 55 個成鍵電子域
  • 11 對孤電子域

電子域總數為 66,其電子域排列為八面體。六個位置中,五個由氟原子占據,一個由孤電子對占據,因此分子形狀為四角錐形(square pyramidal)。

選項分析

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第 19 題

The rate expression for a particular reaction is rate=k[A]2[B]\mathrm{rate}=k[\mathrm{A}]^2[\mathrm{B}]. If the initial concentration of B is increased from 0.1 M0.1\ \mathrm{M} to 0.4 M0.4\ \mathrm{M}, the initial rate will increase by which of the following factors?

(A) 2
(B) 4
(C) 8
(D) 16
(E) none of these

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核心觀念

速率定律 rate=k[A]2[B]\mathrm{rate}=k[\mathrm{A}]^2[\mathrm{B}] 表示反應速率與 [A][\mathrm{A}] 的平方及 [B][\mathrm{B}] 成正比。[B][\mathrm{B}] 的反應級數為 1,因此在其他條件不變時,[B][\mathrm{B}] 增加幾倍,初始速率就增加幾倍。

解題方法

假設 [A][\mathrm{A}]、溫度及其他條件不變,只比較 [B][\mathrm{B}] 改變前後的速率:

rate2rate1=k[A]2(0.4)k[A]2(0.1)=0.40.1=4\frac{\mathrm{rate}_2}{\mathrm{rate}_1} = \frac{k[\mathrm{A}]^2(0.4)}{k[\mathrm{A}]^2(0.1)} = \frac{0.4}{0.1} = 4

因此,初始速率增加為原來的 44 倍。

選項分析

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第 20 題

For the reaction FeCl2(aq)+O2(g)→Fe2O3(s)+Cl2(g)\mathrm{FeCl_2(aq)+O_2(g)\rightarrow Fe_2O_3(s)+Cl_2(g)} (unbalanced), what volume (mL) of a 1.25 M1.25\ \mathrm{M} solution of FeCl2\mathrm{FeCl_2} is required to react completely with 4.32×10224.32\times10^{22} molecules of O2\mathrm{O_2}?

(A) 76.5
(B) 38.3
(C) 125.2
(D) 57.4
(E) none of these

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核心觀念

本題考查化學反應式平衡、粒子數與莫耳數的換算,以及莫耳濃度的定義。

  • 平衡反應式中的係數代表反應物與生成物的莫耳比例。
  • 粒子數換算成莫耳數:n=N/NAn=N/N_A,其中亞佛加厥常數 NA=6.022×1023 mol−1N_A=6.022\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}。
  • 莫耳濃度定義為 M=n/VM=n/V,所以溶液體積為 V=n/MV=n/M。

解題方法

先配平反應式,再依係數比例求出所需的 FeCl2\mathrm{FeCl_2} 莫耳數,最後用濃度換算體積。

令反應式為:

aFeCl2+bO2→cFe2O3+dCl2a\mathrm{FeCl_2}+b\mathrm{O_2}\rightarrow c\mathrm{Fe_2O_3}+d\mathrm{Cl_2}

依各元素守恆,取最簡整數係數可得:

4FeCl2+3O2→2Fe2O3+4Cl24\mathrm{FeCl_2}+3\mathrm{O_2}\rightarrow2\mathrm{Fe_2O_3}+4\mathrm{Cl_2}

因此 FeCl2\mathrm{FeCl_2} 與 O2\mathrm{O_2} 的莫耳比為 4:34:3。

先將氧氣分子數換算成莫耳數:

n(O2)=4.32×1022 個6.022×1023 個 mol−1=0.07174 moln(\mathrm{O_2}) =\frac{4.32\times10^{22}\ \text{個}}{6.022\times10^{23}\ \text{個 mol}^{-1}} =0.07174\ \mathrm{mol}
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第 II-(1) 題10 分

For the process Br2(l)→Br2(g)\mathrm{Br_2(l)\rightarrow Br_2(g)}, ΔH∘=31.0 kJ/mol\Delta H^\circ=31.0\ \mathrm{kJ/mol} and ΔS∘=93.0 J/(K⋅mol)\Delta S^\circ=93.0\ \mathrm{J/(K\cdot mol)}. What is the normal boiling point (K) of liquid Br2\mathrm{Br_2}?

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核心觀念

沸點是液體與蒸氣達到相平衡的溫度。汽化過程在沸點時,吉布斯自由能變化為零:

ΔGvap∘=ΔHvap∘−TΔSvap∘=0\Delta G^\circ_{\mathrm{vap}} = \Delta H^\circ_{\mathrm{vap}} - T\Delta S^\circ_{\mathrm{vap}} =0

因此可由汽化焓與汽化熵求沸點:

Tb=ΔHvap∘ΔSvap∘T_{\mathrm{b}} = \frac{\Delta H^\circ_{\mathrm{vap}}}{\Delta S^\circ_{\mathrm{vap}}}

解題方法

題目給定 Br2(l)→Br2(g)\mathrm{Br_2(l)\rightarrow Br_2(g)} 的汽化焓與汽化熵。先將焓的單位換成 J/mol\mathrm{J/mol},使它與熵的能量單位一致:

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第 II-(2) 題10 分

Find the solubility of solid CaF2\mathrm{CaF_2} (Ksp=4.0×10−11K_{sp}=4.0\times10^{-11}) in a 0.025 M0.025\ \mathrm{M} NaF\mathrm{NaF} solution.

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核心觀念

氟化鈣的溶解平衡為

CaF2(s)⇌Ca2+(aq)+2F−(aq)\mathrm{CaF_2(s)\rightleftharpoons Ca^{2+}(aq)+2F^-(aq)}

溶度積定義為

Ksp=[Ca2+][F−]2K_{sp}=[\mathrm{Ca^{2+}}][\mathrm{F^-}]^2

加入 NaF\mathrm{NaF} 後,溶液中原本已有 F−\mathrm{F^-},這是共同離子效應,會降低 CaF2\mathrm{CaF_2} 的溶解度。

解題方法

設 CaF2\mathrm{CaF_2} 的莫耳溶解度為 s Ms\ \mathrm{M}。每溶解 11 莫耳 CaF2\mathrm{CaF_2},產生 11 莫耳 Ca2+\mathrm{Ca^{2+}} 與 22 莫耳 F−\mathrm{F^-},因此

[Ca2+]=s,[F−]=0.025+2s[\mathrm{Ca^{2+}}]=s,\qquad [\mathrm{F^-}]=0.025+2s

代入溶度積式:

4.0×10−11=s(0.025+2s)24.0\times10^{-11}=s(0.025+2s)^2
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第 II-(3) 題10 分

Methane (CH4\mathrm{CH_4}) reacts with chlorine gas (Cl2\mathrm{Cl_2}) to form chloromethane (CH3Cl\mathrm{CH_3Cl}), as shown in the following equation:

CH4(g)+Cl2(g)→CH3Cl(g)+HCl(g)\mathrm{CH_4(g)+Cl_2(g)\rightarrow CH_3Cl(g)+HCl(g)}

When 20.5 g20.5\ \mathrm{g} of methane and 45.0 g45.0\ \mathrm{g} of chlorine gas undergo a reaction that has a 65%65\% yield, what mass of chloromethane (CH3Cl\mathrm{CH_3Cl}) forms?

Mw(CH4)=16.04 g/molM_w(\mathrm{CH_4})=16.04\ \mathrm{g/mol}, Mw(Cl2)=70.90 g/molM_w(\mathrm{Cl_2})=70.90\ \mathrm{g/mol}, Mw(CH3Cl)=50.48 g/molM_w(\mathrm{CH_3Cl})=50.48\ \mathrm{g/mol}

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核心觀念

本題考「限量試劑」與「百分產率」。先依平衡反應式找出不足、會限制產物生成量的反應物,再由理論產量乘上百分產率,求實際產量。

反應式為:

CH4(g)+Cl2(g)→CH3Cl(g)+HCl(g)\mathrm{CH_4(g)+Cl_2(g)\rightarrow CH_3Cl(g)+HCl(g)}

甲烷與氯氣的莫耳比為 1:11:1,氯甲烷與氯氣的莫耳比也為 1:11:1。百分產率定義為:

百分產率=實際產量理論產量×100%\text{百分產率} = \frac{\text{實際產量}}{\text{理論產量}}\times 100\%

解題方法

依原卷第 II-(3) 題,題目給定 20.5 g20.5\ \mathrm{g} 的 CH4\mathrm{CH_4}、45.0 g45.0\ \mathrm{g} 的 Cl2\mathrm{Cl_2},反應產率為 65%65\%,並提供三種物質的莫耳質量。先將兩種反應物換算為莫耳數,才能比較限量試劑。

甲烷的莫耳數為:

n(CH4)=20.5 g16.04 g/mol=1.28 moln(\mathrm{CH_4}) = \frac{20.5\ \mathrm{g}}{16.04\ \mathrm{g/mol}} = 1.28\ \mathrm{mol}

氯氣的莫耳數為:

n(Cl2)=45.0 g70.90 g/mol=0.6347 moln(\mathrm{Cl_2}) = \frac{45.0\ \mathrm{g}}{70.90\ \mathrm{g/mol}} = 0.6347\ \mathrm{mol}
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第 II-(4) 題10 分

Given the following reactions of nitrogen oxides and their standard enthalpy changes:

(1) NO(g)+NO2(g)→N2O3(g)\mathrm{NO(g)+NO_2(g)\rightarrow N_2O_3(g)}, ΔHrxn∘=−39.8 kJ\Delta H^\circ_{\mathrm{rxn}}=-39.8\ \mathrm{kJ}

(2) NO(g)+NO2(g)+O2(g)→N2O5(g)\mathrm{NO(g)+NO_2(g)+O_2(g)\rightarrow N_2O_5(g)}, ΔHrxn∘=−112.5 kJ\Delta H^\circ_{\mathrm{rxn}}=-112.5\ \mathrm{kJ}

(3) 2NO2(g)→N2O4(g)\mathrm{2NO_2(g)\rightarrow N_2O_4(g)}, ΔHrxn∘=−57.2 kJ\Delta H^\circ_{\mathrm{rxn}}=-57.2\ \mathrm{kJ}

(4) 2NO(g)+O2(g)→2NO2(g)\mathrm{2NO(g)+O_2(g)\rightarrow 2NO_2(g)}, ΔHrxn∘=−114.2 kJ\Delta H^\circ_{\mathrm{rxn}}=-114.2\ \mathrm{kJ}

(5) N2O5(s)→N2O5(g)\mathrm{N_2O_5(s)\rightarrow N_2O_5(g)}, ΔHsubl∘=54.1 kJ\Delta H^\circ_{\mathrm{subl}}=54.1\ \mathrm{kJ}

Calculate the heat of reaction for:

N2O3(g)+N2O5(s)→2N2O4(g)\mathrm{N_2O_3(g)+N_2O_5(s)\rightarrow 2N_2O_4(g)}

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核心觀念

本題考查赫斯定律:反應焓只取決於反應物與生成物的狀態,與反應實際經過的步驟無關。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^\circ 變號,反應式倍乘時,ΔH∘\Delta H^\circ 也按相同比例倍乘。

解題方法

將已知反應調整成目標反應所需的方向與係數。

先反向反應(1),使 N2O3(g)\mathrm{N_2O_3(g)} 成為反應物:

N2O3(g)→NO(g)+NO2(g)\mathrm{N_2O_3(g)\rightarrow NO(g)+NO_2(g)} ΔH∘=+39.8 kJ\Delta H^\circ=+39.8\ \mathrm{kJ}

反應(2)需反向,使 N2O5(g)\mathrm{N_2O_5(g)} 分解;再加上反應(5)的昇華,使起始物為 N2O5(s)\mathrm{N_2O_5(s)}:

N2O5(s)→N2O5(g)ΔH∘=+54.1 kJ\mathrm{N_2O_5(s)\rightarrow N_2O_5(g)} \qquad \Delta H^\circ=+54.1\ \mathrm{kJ} N2O5(g)→NO(g)+NO2(g)+O2(g)ΔH∘=+112.5 kJ\mathrm{N_2O_5(g)\rightarrow NO(g)+NO_2(g)+O_2(g)} \qquad \Delta H^\circ=+112.5\ \mathrm{kJ}

兩式相加後為:

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