112 年 國立成功大學環境醫學研究所甲組《環境化學》

本題主要在考察學生對於常見環境污染物化學結構的辨識能力，以及其主要的排放來源。這類題目需要學生對有機化學命名規則和環境化學知識有扎實的基礎。

核心觀念：化學結構、命名、環境污染物來源。

解題步驟：
針對每一種化學物質，我們需要提供其化學結構式，並說明其在環境中的主要排放來源。

(1) Endosulfan
化學結構：Endosulfan 是一種有機氯殺蟲劑，其結構包含一個環己烯環、一個環戊二烯環，以及兩個氯原子和一個環氧化物。其化學名稱為 6,7,8,9,10-hexachloro-1,5,5a,6,9,9a-hexahydro-6,9-methano-2,4,3-benzodioxathiepine 3-oxide。
結構式（LaTeX 表示）：

\documentclass{article}
\usepackage{chemfig}
\begin{document}
\chemfig{**6(------)} % Simplified representation, actual structure is complex
\end{document}

更精確的結構式需要描繪其複雜的多環系統和官能基。
排放來源：Endosulfan 主要作為殺蟲劑用於農業，因此其排放來源主要是農業活動，包括噴灑、土壤沖刷、以及生產過程中的洩漏。

(2) Short chain chlorinated paraffins (SCCPs)
化學結構：SCCPs 是一類由氯化正烷烴組成的混合物，其中烷烴鏈長通常為 $C_{10}$ 至 $C_{13}$，氯含量通常在 40% 至 70% 之間。它們的結構是氯原子取代正烷烴鏈上的氫原子。
結構式（LaTeX 表示）：
$CH_3(CH_2)_nCH_3$ 經過氯化，其中 $n$ 大約為 8-11，氯原子隨機取代氫原子。
排放來源：SCCPs 的主要用途是作為阻燃劑、增塑劑、潤滑油添加劑以及塗料和密封劑的成分。因此，其排放來源包括工業生產過程中的洩漏、產品的使用和廢棄過程（如塑膠製品、紡織品、金屬加工液等）。

(3) Polychlorinated naphthalene (PCNs)
化學結構：PCNs 是一類含有兩個或多個氯原子取代萘環上氫原子的化合物。它們的結構與多氯聯苯 (PCBs) 類似，但基礎是萘環。
結構式（LaTeX 表示）：

\documentclass{article}
\usepackage{chemfig}
\begin{document}
\chemfig{[:30](*6(------))(*6(------))} % Simplified representation of naphthalene
\end{document}

核心觀念

本題考查化學方程式的配平，必須同時遵守：

1. 質量守恆定律：反應前後各元素原子數相等。
2. 電荷守恆：離子反應中，反應前後總電荷相等。
3. 氧化還原守恆：氧化劑所接受的電子數，必須等於還原劑所失去的電子數。
4. 酸鹼反應、沉澱反應常可先配平主要離子，再利用水與二氧化碳完成氫、氧、碳的配平。

係數應取最簡整數比，且不得更改化學式中的下標。

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解題方法

（1）磷酸二氫鈣與碳酸氫鈉反應

原式：

$$\mathrm{Ca(H_2PO_4)_2 + NaHCO_3 \rightarrow CaHPO_4 + Na_2HPO_4 + H_2O + CO_2}$$

先令 $\mathrm{Ca(H_2PO_4)_2}$ 係數為 $1$。

• 左側含有 $2$ 個磷原子。
• 生成物中的 $\mathrm{CaHPO_4}$ 已含 $1$ 個磷，因此 $\mathrm{Na_2HPO_4}$ 係數必須為 $1$。
• 生成物含有 $2$ 個鈉原子，所以 $\mathrm{NaHCO_3}$ 係數為 $2$。
• $2$ 個碳酸氫根產生 $2$ 個 $\mathrm{CO_2}$。
• 以氫原子守恆配水：

左側氫原子數：

$$4+2=6$$

右側已有 $\mathrm{CaHPO_4}$ 與 $\mathrm{Na_2HPO_4}$ 共 $2$ 個氫，剩餘 $4$ 個氫由 $2\mathrm{H_2O}$ 提供。

因此：

$$\boxed{\mathrm{Ca(H_2PO_4)_2 + 2NaHCO_3 \rightarrow CaHPO_4 + Na_2HPO_4 + 2H_2O + 2CO_2}}$$

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（2）硫酸亞鐵與重鉻酸鉀在酸性環境反應

原式：

$$\mathrm{FeSO_4 + K_2Cr_2O_7 + H_2SO_4 \rightarrow Fe_2(SO_4)_3 + Cr_2(SO_4)_3 + K_2SO_4 + H_2O}$$

此反應屬於酸性條件下的氧化還原反應。

氧化數判斷

• $\mathrm{FeSO_4}$ 中鐵為 $\mathrm{Fe^{2+}}$。
• $\mathrm{Fe_2(SO_4)_3}$ 中鐵為 $\mathrm{Fe^{3+}}$，每個鐵失去 $1$ 個電子。
• $\mathrm{Cr_2O_7^{2-}}$ 中鉻為 $+6$ 價。
• $\mathrm{Cr_2(SO_4)_3}$ 中鉻為 $+3$ 價，每個鉻得到 $3$ 個電子。

一個 $\mathrm{Cr_2O_7^{2-}}$ 含有 $2$ 個鉻，共得到：

$$2\times 3=6\text{ 個電子}$$

因此需要 $6$ 個 $\mathrm{Fe^{2+}}$ 提供 $6$ 個電子。

配出鐵與鉻後：

• $6\mathrm{FeSO_4}$ 生成 $3\mathrm{Fe_2(SO_4)_3}$。
• $1\mathrm{K_2Cr_2O_7}$ 生成 $1\mathrm{Cr_2(SO_4)_3}$。
• $\mathrm{K_2SO_4}$ 係數為 $1$，以配合鉀元素。

接著配平硫酸根。右側硫酸根總數為：

$$3\times 3+3+1=13$$

左側 $6\mathrm{FeSO_4}$ 已提供 $6$ 個硫酸根，因此還需由 $7\mathrm{H_2SO_4}$ 提供：

$$13-6=7$$

最後由氫原子配水，$7\mathrm{H_2SO_4}$ 含有 $14$ 個氫，故生成 $7\mathrm{H_2O}$。

$$\boxed{\mathrm{6FeSO_4 + K_2Cr_2O_7 + 7H_2SO_4 \rightarrow 3Fe_2(SO_4)_3 + Cr_2(SO_4)_3 + K_2SO_4 + 7H_2O}}$$

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（3）硫酸鋁結晶水合物與碳酸氫鈣反應

原式：

$$\mathrm{Al_2(SO_4)_3\cdot 14H_2O + Ca(HCO_3)_2 \rightarrow Al(OH)_3 + CaSO_4 + H_2O + CO_2}$$

先令 $\mathrm{Al_2(SO_4)_3\cdot14H_2O}$ 係數為 $1$。

• 左側有 $2$ 個鋁，因此生成 $2\mathrm{Al(OH)_3}$。
• 左側有 $3$ 個硫酸根，因此生成 $3\mathrm{CaSO_4}$。
• 右側需要 $3$ 個鈣，所以 $\mathrm{Ca(HCO_3)_2}$ 係數為 $3$。

本題主要考察學生對水體中氮循環，特別是氨氮轉化為亞硝酸鹽和硝酸鹽的過程的理解，以及如何用圖形和文字來解釋這些變化。這涉及到生物地球化學的知識，特別是硝化作用。

核心觀念：水體氮循環、硝化作用、好氧環境。

解題步驟：

1. 理解氮循環過程： 在好氧環境下，水體中的氨氮 (NH$_3$/NH$_4^+$) 主要通過硝化作用轉化為亞硝酸鹽 (NO$_2^-$)，然後進一步轉化為硝酸鹽 (NO$_3^-$)。這個過程由特定的微生物（硝化細菌）催化。

   • 第一步：氨氧化 (Ammonia Oxidation)：
     $2NH_3 + 3O_2 \rightarrow 2NO_2^- + 2H^+ + 2H_2O$ (或 $NH_4^+ + 2O_2 \rightarrow NO_3^- + 2H^+ + H_2O$)
     （註：實際過程複雜，通常由氨氧化細菌 (AOB) 和亞硝酸鹽氧化細菌 (NOB) 完成。）
     簡化為：$NH_3 \rightarrow NO_2^-$
   • 第二步：亞硝酸鹽氧化 (Nitrite Oxidation)：
     $2NO_2^- + O_2 \rightarrow 2NO_3^-$
     簡化為：$NO_2^- \rightarrow NO_3^-$

2. 情境設定： 假設氨 (NH$_3$) 被排放到一個原先水質較好的湖泊中。湖泊處於好氧環境，意味著溶解氧充足，有利於硝化作用的進行。

3. 變化過程分析：

   • 初期 (NH$_3$ 排放後立即)： 湖水中 NH$_3$ (或 NH$_4^+$，在水中會達到平衡) 的濃度會顯著升高。由於好氧條件，硝化細菌開始活躍，但轉化需要時間。
   • 中期 (一段時間後)： 隨著硝化作用的進行，NH$_3$/NH$_4^+$ 的濃度開始下降，同時 NO$_2^-$ 的濃度開始上升，達到一個峰值。
   • 後期 (硝化作用持續進行)： NO$_2^-$ 的濃度開始下降，因為它被進一步氧化為 NO$_3^-$。NO$_3^-$ 的濃度則持續上升，直到達到一個相對穩定的水平，或者受其他因素（如藻類吸收、反硝化作用等）影響。
   • 最終狀態： 如果沒有其他污染源或生物過程的干擾，NH$_3$/NH$_4^+$ 和 NO$_2^-$ 的濃度會降至較低水平，而 NO$_3^-$ 的濃度會顯著高於原始水平。

4. 繪製圖形：
   我們需要繪製一個時間-濃度關係圖。橫軸為時間 (t)，縱軸為濃度。圖中應包含三條曲線，分別代表 NH$_3$ (或 NH$_4^+$)、NO$_2^-$ 和 NO$_3^-$ 的濃度隨時間的變化。

   圖形說明：

   • NH$_3$/NH$_4^+$ 曲線： 在時間 t=0 時開始排放，濃度迅速升高，然後隨著硝化作用的進行，濃度逐漸下降，最終趨於一個較低的穩態。

本題考察學生對 PM2.5 形成機制，特別是一次污染物和二次污染物的區別與形成過程的理解。這屬於大氣化學和空氣污染控制的範疇。

核心觀念：一次 PM2.5、二次 PM2.5、化學反應、前驅物。

解題步驟：
PM2.5 是指粒徑小於或等於 2.5 微米的懸浮微粒。其形成機制主要分為兩種：一次生成 (Primary) 和二次生成 (Secondary)。

1. 一次 PM2.5 (Primary PM2.5)

   • 定義： 指污染物在排放源直接以顆粒物形式排放到大氣中。
   • 形成機制：
     • 直接燃燒過程： 燃料（如煤、石油、生物質）在不完全燃燒時，會產生黑碳 (black carbon) 或有機碳 (organic carbon) 顆粒，例如煙塵、煤灰、燃燒產生的碳粒。
     • 工業生產過程： 如水泥生產、金屬冶煉、採礦等過程中，產生的粉塵、飛灰。
     • 自然源： 如土壤揚塵、火山爆發的灰燼、森林火災產生的煙塵、海鹽顆粒等。
   • 主要成分： 元素碳（黑碳）、有機碳、無機鹽類（如硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽，但這些很多是二次生成的）、金屬元素、礦物質等。
   • 特點： 來源明確，通常是直接排放的固體或液滴顆粒。

2. 二次 PM2.5 (Secondary PM2.5)

   • 定義： 指氣態污染物在大氣中經過化學反應轉化而成的顆粒物。
   • 形成機制：
     • 氣態前驅物： 主要來自於燃燒過程排放的 SO$_2$ (二氧化硫)、NOx (氮氧化物)、VOCs (揮發性有機化合物) 以及來自氨 (NH$_3$) 的銨。
     • 化學反應：
       • 硫酸鹽形成： SO$_2$ 在大氣中通過濕化學反應（例如在雲水、霧滴中）或乾化學反應（例如與羥基自由基 OH· 反應）被氧化成硫酸根離子 (SO$_4^{2-}$)。

本題考察學生對自來水消毒方法中氯化作用的理解，特別是氯的斷點消毒和餘氯的種類。這屬於水質化學和環境工程的範疇。

核心觀念：氯化消毒、斷點氯化、餘氯（游離餘氯、結合餘氯）。

解題步驟：

(1) Breakpoint Chlorination (斷點氯化)

• 定義： 斷點氯化是指向水中逐步加入氯，並觀察餘氯濃度隨氯投加量的變化。當氯的投加量達到某一點後，餘氯濃度會先下降，然後迅速回升。這個使餘氯濃度先降後升的點稱為「斷點」。在此之後，繼續增加氯的投加量，餘氯濃度會近似線性地上升。

• 過程與反應：
  當氯 (Cl$_2$) 加入水中時，會發生以下反應：

  1. 氯的溶解與水解：
     $Cl_2 + H_2O \rightleftharpoons HOCl + HCl$
     $HOCl \rightleftharpoons H^+ + OCl^-$ (次氯酸，是主要的消毒殺菌物質)
  2. 與還原性物質反應： 水中可能含有氨、有機物、硫化物等還原性物質。氯會首先與這些物質反應，消耗自身。
     • 與氨反應：
       $NH_3 + HOCl \rightarrow NH_2Cl + H_2O$ (一氯胺, monochloramine)
       $NH_2Cl + HOCl \rightarrow NHCl_2 + H_2O$ (二氯胺, dichloramine)
       $NHCl_2 + HOCl \rightarrow NCl_3 + H_2O$ (三氯胺, trichloramine)
       這些氯胺統稱為「結合餘氯」，它們也有一定的消毒能力，但不如游離餘氯。
     • 與有機物反應： 氯與有機物反應，生成氯代有機物，同時消耗氯。
  3. 斷點之後： 當所有還原性物質都被氯氧化完全後，繼續加入的氯就不再被消耗，而是以游離狀態（HOCl 和 OCl$^-$）存在，形成「游離餘氯」。此時，餘氯濃度會隨著氯投加量的增加而近似線性上升。

• 圖形解釋：
  需要繪製一張圖，橫軸為氯投加量 (Chlorine Dose)，縱軸為餘氯濃度 (Residual Chlorine)。

  • 圖形應顯示：
    • 起始階段：餘氯濃度很低或為零。
    • 第一階段：隨著氯投加量增加，餘氯濃度緩慢上升，因為水中還原性物質較少。
    • 第二階段（緩降區）：當水中氨氮等還原性物質的濃度較高時，氯與之反應生成氯胺，消耗了大部分氯，導致餘氯濃度下降。
    • 斷點 (Breakpoint)： 餘氯濃度降至最低點，然後開始迅速回升。
    • 第三階段（上升區）：斷點之後，所有還原性物質已被反應完全，新增的氯以游離餘氯形式存在，餘氯濃度隨氯投加量近似線性增加。
  • 圖中應標示出「結合餘氯」(Combined Chlorine) 的區域（通常在緩降區）和「游離餘氯」(Free Chlorine) 的區域（斷點之後）。

  🖼️【此處應繪製斷點氯化曲線圖，顯示氯投加量與餘氯濃度的關係，並標示出緩降區、斷點、上升區，以及結合餘氯與游離餘氯的區域。】