111 年 國立臺灣大學生物環境系統工程學系碩士班甲組《環境化學（A）》

此題主要在測試考生對環境化學基本名詞的理解與記憶。

（一）綠色化學原則（Green Chemistry Principles）：
綠色化學是指在設計化學品及製程時，減少或消除有害物質的使用與產生。其核心原則包含：預防污染、原子經濟性、設計較無毒的化學合成、設計更安全的化學品、使用更安全的溶劑與輔助品、能源效率、使用再生原料、減少衍生物、催化、設計可分解的化學品、事故預防等。
英文：Green Chemistry Principles

（二）重質非水相液體（Heavy Non-aqueous Phase Liquids, Heavy DNAPLs）：
重質非水相液體是指密度大於水的有機液體，且在水中溶解度極低。它們在地下水污染中扮演重要角色，因為它們會沉到底部，難以清除。常見的重質非水相液體包括氯仿、四氯化碳、三氯乙烷等。
英文：Heavy Non-aqueous Phase Liquids (Heavy DNAPLs)

（三）持久性有機污染物（Persistent Organic Pollutants, POPs）：
持久性有機污染物是指在環境中不易分解，且具有生物累積性、毒性及長距離遷移能力的有機化合物。它們對人類健康和生態系統構成嚴重威脅。

此題主要測試考生對環境化學中幾個重要概念、數據及名詞的了解。

（一）生物需氧量（BOD）分析中的緩衝系統：
BOD 分析用於測量水中微生物分解有機物所需的氧氣量，以評估水質。在 BOD 分析中，通常使用磷酸鹽緩衝系統（phosphate buffer system）來維持水樣的 pH 值在適當範圍（約 7.0-7.5）。這個 pH 範圍對參與分解的微生物的活性最為有利。磷酸鹽緩衝系統主要由磷酸二氫鹽（如 $H_2PO_4^-$）和磷酸氫鹽（如 $HPO_4^{2-}$）組成，能夠有效抵抗 pH 的變化。
【答案】磷酸鹽緩衝系統 (Phosphate buffer system)。

（二）2022 年 1 月夏威夷大氣中二氧化碳濃度：
夏威夷的冒納羅亞（Mauna Loa）天文台是監測大氣 CO2 的重要站點。根據 NOAA 的數據，2022 年 1 月的平均 CO2 濃度約為 417 ppm。

此題主要考驗對熵（Entropy）概念的理解，以及在不同物理過程中的熵變化判斷。熵是衡量系統無序程度的指標，通常情況下，系統趨向於增加其無序程度，即熵增加。

（a）水蒸發：
水蒸發是液態水轉變為氣態水（水蒸氣）的過程。在液態中，水分子之間的距離較近，且運動相對受限。而在氣態中，水分子之間的距離大大增加，分子運動變得更加自由和隨機，系統的無序程度顯著增加。

此題考驗對沉澱平衡（$K_{sp}$）的應用，需要計算加入 $NaOH$ 後溶液中 $Zn^{2+}$ 和 $OH^-$ 離子的濃度，並與 $Zn(OH)_2$ 的溶度積進行比較，以判斷是否會生成沉澱。

核心觀念：
當溶液中離子濃度的乘積（離子積，Ionic Product, $Q_{sp}$）大於溶度積（Solubility Product, $K_{sp}$）時，沉澱就會生成。

解題步驟：

1. 計算加入的 $NaOH$ 的莫耳數：
   題目給定加入 4.0 毫克的 $NaOH$。
   $NaOH$ 的分子量約為 $22.99$ (Na) + $16.00$ (O) + $1.01$ (H) = $40.00$ g/mol。
   加入的 $NaOH$ 質量 = 4.0 mg = $4.0 \times 10^{-3}$ g。
   $NaOH$ 的莫耳數 = $\frac{質量}{分子量} = \frac{4.0 \times 10^{-3} \text{ g}}{40.00 \text{ g/mol}} = 1.0 \times 10^{-4}$ mol。

2. 計算 $OH^-$ 離子的濃度：
   $NaOH$ 在水中會完全解離成 $Na^+$ 和 $OH^-$。
   $NaOH \rightarrow Na^+ + OH^-$
   所以，加入的 $OH^-$ 莫耳數為 $1.0 \times 10^{-4}$ mol。
   這些 $OH^-$ 離子會溶解在原來的 10 毫升水溶液中。
   溶液的總體積約為 10 毫升（題目未提及加入 $NaOH$ 時體積變化，通常假設體積變化不大，或以起始體積計算）。
   $OH^-$ 離子的濃度 = $\frac{莫耳數}{體積} = \frac{1.0 \times 10^{-4} \text{ mol}}{10 \text{ mL}} = \frac{1.0 \times 10^{-4} \text{ mol}}{0.010 \text{ L}} = 1.0 \times 10^{-2} M$。

3. 計算初始溶液中的 $Zn^{2+}$ 離子濃度：
   題目給定初始 $Zn^{2+}$ 濃度為 $5 \times 10^{-4} M$。

此題主要考驗考生對水處理消毒（特別是加氯消毒）的理解，包括影響消毒效率的因素以及消毒副產物的生成。

（一）影響加氯消毒所需氯量或效率的三種水質參數情況：

加氯消毒的目的是要殺滅水中的病原微生物。氯的消毒作用會與水中的多種物質發生反應，消耗氯，從而影響其有效餘氯量和消毒效率。以下列出三種常見情況：

1. 高有機物含量（High Organic Matter Content）：
   水中存在大量的天然有機物（NOMs，Natural Organic Matter）或人工有機污染物。這些有機物會與氯反應，生成氯胺（chloramines）或其他有機氯化合物，消耗大量的氯。這不僅增加了所需氯的總量，還可能生成消毒副產物（DBPs）。高有機物含量會降低氯的有效消毒能力，需要更高的投氯量來達到所需的餘氯濃度。

2. 高氨氮含量（High Ammonia Nitrogen Content）：
   水中存在氨氮（$NH_3$ 或 $NH_4^+$）。氯與氨反應會生成氯胺（monochloramine, dichloramine, trichloramine）。雖然氯胺本身也具有一定的消毒能力，但其殺菌速率通常比游離氯（如 $HOCl$）慢，特別是對某些微生物（如隱孢子蟲）。若水中氨氮含量高，大部分氯會被用於生成氯胺，導致有效餘氯量下降，消毒效率降低，需要增加投氯量以維持足夠的消毒效果，同時也增加了氯胺的生成。

3. 高還原性物質含量（High Content of Reducing Substances）：
   水中存在其他還原性物質，例如硫化物（$S^{2-}$）、亞鐵離子（$Fe^{2+}$）、亞錳離子（$Mn^{2+}$）等。這些物質會迅速與氯反應而被氧化，消耗氯。例如，硫化物會被氧化成硫酸鹽，鐵離子被氧化成鐵離子。這些反應會大量消耗氯，減少用於殺滅微生物的有效氯，因此需要增加投氯量來補償這些消耗。

此題考驗考生對弱酸解離平衡的計算能力，以及如何利用提供的酸解離常數表來求解。題目要求計算 25℃ 時，濃度為 $10^{-2} M$ 的丙酸（Propionic acid）的 pH 值。

核心觀念：
弱酸在水中部分解離，其解離程度由酸解離常數 ($K_a$) 決定。pH 值是溶液中氫離子濃度的負對數。

解題步驟：

1. 找出丙酸的 $K_a$ 值：
   查閱題目提供的表格（Table 4.1 Typical ionization constants for weak acids at 25°C）。
   在表格中找到 "Propionic acid"。
   其解離方程式為：$CH_3CH_2COOH \rightleftharpoons H^+ + CH_3CH_2COO^-$
   其 $pK_a$ 值為 4.89。
   因此，$K_a = 10^{-pK_a} = 10^{-4.89}$。
   計算 $K_a$ 的值：$K_a = 10^{-4.89} \approx 1.288 \times 10^{-5}$。

2. 設定弱酸解離的平衡方程式：
   丙酸（HA）在水中解離：
   $HA \rightleftharpoons H^+ + A^-$
   其中 HA 代表丙酸，$A^-$ 代表丙酸根離子。

3. 建立 ICE 表格（Initial, Change, Equilibrium）：
   初始濃度 (Initial)：
   $[HA]_0 = 10^{-2} M$
   $[H^+]_0 \approx 0$ （忽略水的自解離）
   $[A^-]_0 = 0$

   變化量 (Change)：
   $[HA]$ 減少 $x$
   $[H^+]$ 增加 $x$
   $[A^-]$ 增加 $x$

   平衡濃度 (Equilibrium)：
   $[HA]_{eq} = 10^{-2} - x$
   $[H^+]_{eq} = x$
   $[A^-]_{eq} = x$

4. 寫出 $K_a$ 的平衡常數表達式：
   $K_a = \frac{[H^+][A^-]}{[HA]}$
   代入平衡濃度：
   $1.288 \times 10^{-5} = \frac{x \cdot x}{10^{-2} - x} = \frac{x^2}{10^{-2} - x}$

5. 求解 $x$ （即 $[H^+]$）：
   由於 $K_a$ 相對較小，且初始濃度 $10^{-2} M$ 較高，我們可以嘗試做近似處理，假設 $x \ll 10^{-2}$，則 $10^{-2} - x \approx 10^{-2}$。
   $1.288 \times 10^{-5} \approx \frac{x^2}{10^{-2}}$
   $x^2 \approx (1.288 \times 10^{-5}) \times 10^{-2} = 1.288 \times 10^{-7}$
   $x = \sqrt{1.288 \times 10^{-7}} \approx \sqrt{12.88 \times 10^{-8}} \approx 3.59 \times 10^{-4} M$

此題考驗考生對土壤化學、酸性土壤特性及其改良方法的理解。紅壤土的 pH 值約為 4.0，屬於強酸性土壤，這會對植物生長產生多方面不利影響。

（一）紅壤土不利於農作物生長之原因：

1. 養分有效性降低與毒害：

   • 鋁毒（Aluminum Toxicity）： 在強酸性條件下（pH < 5.5），土壤中的鋁（$Al^{3+}$）離子溶解度增加，達到對植物有毒的濃度。$Al^{3+}$ 會抑制植物根系的生長，損害細胞結構，干擾水分和養分的吸收，並影響植物體內的酶活性。
   • 錳毒（Manganese Toxicity）： 類似於鋁，高濃度的錳離子（$Mn^{2+}$）在高酸性土壤中也會變得更易溶解，達到對植物有毒的水平，損害植物的生理代謝。
   • 養分有效性降低： 在酸性條件下，某些必需養分（如磷 P）的有效性會降低。磷酸鹽會與鋁、鐵等離子結合形成不溶性磷酸鹽，不易被植物吸收。另一方面，一些對植物有益的陽離子養分（如鈣 $Ca^{2+}$、鎂 $Mg^{2+}$、鉀 $K^+$）可能會被淋洗流失，導致土壤養分貧瘠。

2. 微生物活性受抑制：
   大多數有益的土壤微生物（如固氮菌、分解有機物的細菌和真菌）在高酸性環境下活性會降低。這不僅影響土壤的肥力（如氮素的轉化和供應），也減緩了有機質的分解和養分的釋放，進一步降低土壤的生產力。

3. 水分和養分吸收受阻：
   酸性土壤對植物根系的損害，以及養分有效性的降低，都會直接影響植物對水分和必需養分的吸收能力，導致生長緩慢、葉片發黃、產量下降。

（二）改善紅壤土使其適於農作物生長之作法：

最主要的改善方法是調整土壤 pH 值，使其接近中性或微酸性，以減輕鋁毒、提高養分有效性並促進微生物活性。

1. 施用石灰（Liming）：
   這是最常用且最有效的方法。