DSE 化學 · Topic XV
分析化學
Analytical Chemistry
儀器分析（IR, MS, 比色法）及化學試驗是核心，紅外光譜官能基判斷及質譜碎片分析是必考題。
01
儀器分析方法
Instrumental Analytical Methods
紅外光譜、質譜及比色法的基本原理與圖譜分析
核心考點
1. 比色法與吸光度規律
考評提示：校準曲線繪製步驟、吸光度與濃度成正比
- 比色法 (Colorimetry)：基於吸光度 (A) 與濃度成正比的規律。步驟：① 配製一系列標準溶液 ② 量度各吸光度 ③ 繪製校準曲線（A vs 濃度）④ 由未知樣品的 A 讀出濃度。
常見題型
描述焰色試驗的步驟及常見金屬離子的焰色結果
- 步驟：將洗淨（浸稀 HCl 並以本生燈燒至無色）的鉑絲或鎳鉻絲蘸取少量樣本，置於本生燈非發光（藍色）火焰中觀察焰色。
- 結果：Na⁺ 金黃色；K⁺ 丁香紫（需透過鈷藍玻璃觀察以濾去 Na⁺ 的黃色）；Ca²⁺ 磚紅色；Cu²⁺ 藍綠色；Li⁺ 深紅；Ba²⁺ 蘋果綠。
- 原理：金屬離子受熱時，電子被激發至高能階，跌回基態時釋放特定波長的光子，因此不同金屬呈現特定顏色。
- 觀察陷阱：必須使用非發光火焰（藍色），否則焰色被明亮的黃色淹蓋；鉑絲清洗不徹底會引致假陽性 Na⁺ 結果。
檢測陽離子：描述 Al³⁺、NH₄⁺、Fe²⁺、Fe³⁺ 及 Cu²⁺ 的化學試驗
- Al³⁺：加 NaOH(aq)，先產生白色膠狀沉澱 Al(OH)₃，過量 NaOH 後沉澱溶解（因生成 AlO₂⁻/Al(OH)₄⁻）。
- NH₄⁺：加 NaOH(aq) 並加熱，釋出有刺激性氣味的氨氣；以濕潤紅色石蕊試紙接近試管口，變藍。
- Fe²⁺ vs Fe³⁺：加 NaOH(aq)，Fe²⁺ 生成綠色沉澱 Fe(OH)₂（在空氣中漸變為棕色 Fe(OH)₃）；Fe³⁺ 生成紅棕色沉澱 Fe(OH)₃。
- Cu²⁺：加 NaOH(aq)，生成藍色沉澱 Cu(OH)₂；加過量 NH₃(aq) 則溶解生成深藍色 [Cu(NH₃)₄]²⁺ 複合離子。
檢測陰離子：Cl⁻、Br⁻、I⁻、CO₃²⁻ 及 SO₃²⁻ 的試驗
- 鹵素離子：加稀 HNO₃ 再加 AgNO₃(aq)——Cl⁻ 白色 AgCl、Br⁻ 淡黃色 AgBr、I⁻ 黃色 AgI；進一步以 NH₃(aq) 測試：AgCl 溶於稀 NH₃；AgBr 須濃 NH₃ 方溶；AgI 不溶。
- CO₃²⁻：加稀 HCl，產生無色無味氣泡；氣體通入石灰水 Ca(OH)₂，使石灰水變渾濁（生成 CaCO₃），證明為 CO₂。
- SO₃²⁻：加稀 HCl 產生有刺激性氣味的 SO₂ 氣體；以酸性 KMnO₄ 溶液檢測，紫色褪為無色（SO₂ 為還原劑，將 MnO₄⁻ 還原為 Mn²⁺）。
- 觀察記錄：必須詳細描述沉澱顏色與上層液；切勿使用稀 H₂SO₄ 取代 HNO₃ 以免引入 SO₄²⁻ 干擾。
鑑定碳化合物官能基：使用 2,4-DNP 及托倫斯試劑
- 測 C=O：加 2,4-二硝基苯肼 (2,4-DNP / Brady 試劑)，醛及酮均生成橙黃色結晶性沉澱；陰性表示無 C=O。
- 區分醛 vs 酮：加托倫斯試劑 Tollens’[Ag(NH₃)₂]⁺ 並水浴加熱——醛使試劑被還原，產生銀鏡（鏡面效應）；酮無反應。
- 進一步：以費林試劑 Fehling’s（藍色 Cu²⁺ 複合液）——醛（脂肪族）使藍色變紅色沉澱 (Cu₂O)；酮及芳香醛無反應。
- 測 −OH：加金屬鈉（Na）產生 H₂ 氣泡；測 C=C：加 Br₂/CCl₄，褪色快（常溫無催化劑）；測 −COOH：加 Na₂CO₃ 產生 CO₂ 氣泡。
描述薄層色層法 (TLC) 的操作步驟及 Rf 值的計算
- 操作：於薄層色譜板底端距邊 1 cm 處點上樣品與參考標準物；將底端浸於展開劑（不可淹沒樣點）。
- 展開：以展開劑上升，待達到適當高度（距頂部約 1 cm）時取出板；用鉛筆劃出溶劑前沿；如非有色樣品則以 UV 燈或碘蒸氣顯色。
- Rf = 樣點由起點移動距離 / 溶劑前沿由起點移動距離；0 < Rf < 1，與樣品及展開劑對應。
- 應用：分析混合物成份、檢查反應完成度、鑑定未知化合物（對比參考 Rf）；若斑點 Rf 與參考物相同即初步鑑定。
描述莫爾法 (Mohr’s titration) 測定氯離子含量的原理及步驟
- 原理：以 AgNO₃ 標準溶液作滴定劑，以 K₂CrO₄ 作指示劑（中性或微鹼性 pH 6.5–9，避免 CrO₄²⁻ 轉化為 Cr₂O₇²⁻ 或 Ag₂O 沉澱）。
- 反應：Cl⁻ + Ag⁺ → AgCl↓ 白色沉澱（Ksp 較小，先沉澱）。
- 終點：當 Cl⁻ 耗盡後，多滴入的 Ag⁺ 與 CrO₄²⁻ 反應：2Ag⁺ + CrO₄²⁻ → Ag₂CrO₄↓ 磚紅色沉澱 → 代表終點。
- 計算：Cl⁻ 物質的量 = n(Ag⁺) = c × V (AgNO₃)；可將結果換算為樣品中 Cl⁻ 濃度（mol dm⁻³ 或 mg dm⁻³）。
利用紅外 (IR) 光譜鑑定有機化合物的官能基並識別七個常用吸收峯
- 原理：官能基中的鍵具特定振動頻率，吸收對應紅外光波數 (cm⁻¹)；譜圖由於指紋區不同可區別結構相近物質。
- 寬廣 O−H 吸收：醇 3200–3550 cm⁻¹（中等寬）；羧酸 2500–3300 cm⁻¹（非常寬，伴隨 1700 cm⁻¹ C=O）。
- 其他鍵：N−H 3300–3500（兩峯，伯胺）；C−H 2850–3100；C≡C ~2150；C=O 1680–1750（酮/醛/酸/酯）；C=C ~1620–1680；C−N 1000–1250。
- 解題策略：先找 C=O（~1700）判有無；再看 O−H 寬闊程度分醇/酸；用 C−H 上下鑑芳香 (3100+) 或脂肪 (2850–3000)。
02
檢測化學物種的存在
Detecting Chemical Species
焰色試驗、陽離子/陰離子/官能基的化學測試及觀察
核心考點
1. 焰色及陽離子試驗
考評提示：焰色顏色配對、NaOH 及 NH₃ 試驗的觀察及離子方程式
- 焰色試驗：以濃鹽酸潔淨之鉑絲蘸樣品後放入不發光火焰中—Ca²⁺ 磚紅色、Cu²⁺ 藍綠色、K⁺ 紫色 (淡紫)、Na⁺ 金黃色。
- NH₄⁺：加過量 NaOH 並加熱，釋出 NH₃，使濕潤的紅色石蕊試紙變藍。方程式：NH₄⁺ + OH⁻ → NH₃↑ + H₂O。
- Ca²⁺ / Mg²⁺ (加 NaOH 後)：Ca²⁺ 白色沉澱微溶；Mg²⁺ 白色沉澱不溶於過量 NaOH (可與 Al³⁺ 區別—後者可溶)。
- Fe²⁺ / Fe³⁺：加 NaOH →Fe²⁺ 產生綠色沉澱 Fe(OH)₂，久置氧化變褐紅；Fe³⁺ 產生紅棕色沉澱 Fe(OH)₃。
- Cu²⁺：加 NaOH → 淡藍色沉澱 Cu(OH)₂；加氨水並過量→沉澱溶解為深藍色 [Cu(NH₃)₄(H₂O)₂]²⁺。
2. 陰離子及官能基試驗
考評提示：鹵素離子 AgNO₃ 沉澱顏色、CO₃²⁻/SO₄²⁻ 試驗、-OH、-CHO、-COOH 官能基測試
- 鹵素：酸化後加 AgNO₃ → Cl⁻ 白色 AgCl (溶於稀 NH₃)、Br⁻ 奶油色 AgBr (僅溶於濃 NH₃)、I⁻ 黃色 AgI (不溶於 NH₃)。
- CO₃²⁻：加稀 HCl→放出 CO₂ (氣泡)，氣體通入澄清石灰水使之變混濁。方程式：CO₃²⁻ + 2H⁺ → CO₂↑ + H₂O。
- SO₄²⁻：加稀 HCl 酸化後加 BaCl₂→產生不溶於酸的白色 BaSO₄ 沉澱 (與 SO₃²⁻ 區別，後者溶於酸)。
- C=C 雙鍵：溴水 (紅棕) 褪色，或稀酸性 KMnO₄ (紫) 褪色變無色或棕色 MnO₂。
- -OH：醇與鈉金屬反應放出 H₂；-CHO 醛與 Tollens' (銀氨) 試劑產生銀鏡；與 Fehling's 試劑生成磚紅色 Cu₂O。
- >C=O (醛/酮)：與 2,4-二硝基苯肼 (2,4-DNP) 反應產生橙/黃色沉澱 (腙)；-COOH 與 NaHCO₃ 反應放出 CO₂ 氣泡。
常見題型
描述焰色試驗的步驟及常見陽離子的焰色
- 步驟：以濃鹽酸清洗鉑絲 (或鎳鉻絲)，再蘸少量樣品放入本生燈不發光火焰。
- 觀察焰色：Ca²⁺ 磚紅色、Cu²⁺ 藍綠色、K⁺ 紫色 (淡紫)、Na⁺ 金黃色。
- 注意：K⁺ 紫色易被 Na⁺ 金黃色掩蓋，應透過鈷藍玻璃觀察，以過濾鈉的黃光。
- 限制：只能偵測少數陽離子，且某些混合樣品焰色複雜難辨。
描述鑑別 Fe²⁺ 及 Fe³⁺ 的化學試驗
- 加稀 NaOH：Fe²⁺ 產生綠色沉澱 Fe(OH)₂，靜置於空氣中逐漸變為紅棕色 (氧化為 Fe(OH)₃)。
- Fe³⁺ 產生紅棕色沉澱 Fe(OH)₃，不會進一步變色。
- 或加 KSCN 溶液：Fe³⁺ 變血紅色 [Fe(SCN)]²⁺；Fe²⁺ 無色或極淺。
- 或加 K₃[Fe(CN)₆]：Fe²⁺ 產生深藍色 Turnbull's blue 沉澱；Fe³⁺ 不反應。
描述鑑別 Cl⁻、Br⁻、I⁻ 的化學試驗
- 樣品用稀 HNO₃ 酸化 (防止 CO₃²⁻ 等干擾)，再加 AgNO₃ 溶液。
- 觀察沉澱：Cl⁻→白色 AgCl；Br⁻→奶油色 AgBr；I⁻→黃色 AgI。
- 加入稀 NH₃(aq) 進一步區別：AgCl 溶解、AgBr 不溶 (但溶於濃 NH₃)、AgI 不溶於任何 NH₃。
- 方程式例子：Ag⁺ + Cl⁻ → AgCl(s)。
描述鑑別 CO₃²⁻ 及 SO₃²⁻ 的化學試驗
- CO₃²⁻：加稀 HCl→放出氣泡 (CO₂)，氣體通入石灰水使之變乳白色。
- 方程式：CO₃²⁻ + 2H⁺ → CO₂↑ + H₂O；CO₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃ + H₂O。
- SO₃²⁻：加稀 HCl 釋出刺激性 SO₂ 氣體；SO₂ 可使濕潤的酸性重鉻酸鉀試紙由橙變綠（Cr₂O₇²⁻→Cr³⁺），用以確認。
- 方程式：SO₃²⁻ + 2H⁺ → SO₂↑ + H₂O；SO₂ 與石灰水反應亦會使溶液變乳白，故需配合試紙或氣味等特徵區分。
描述以化學試驗鑑別 C=C 雙鍵
- 試驗一：加溴水 (紅棕色) 至樣品中—若含 C=C，則溴水迅速褪色變無色 (加成反應)。
- 方程式範例：CH₂=CH₂ + Br₂ → CH₂Br-CH₂Br。
- 試驗二：加稀酸性 KMnO₄ (紫色)—若含 C=C，紫色褪去，產生棕色 MnO₂ 或無色 Mn²⁺。
- 注意：醛、酚等亦可使 KMnO₄ 褪色，須結合其他測試確認。
區別醛 (-CHO) 與酮 (>C=O) 的化學試驗
- 共同：兩者均與 2,4-二硝基苯肼 (2,4-DNP) 反應產生橙/黃色沉澱 (腙)，證明有 >C=O。
- 區別 1：Tollens' 試劑 (銀氨溶液)—醛被氧化為羧酸並沉積銀鏡；酮不反應。
- 區別 2：Fehling's 試劑—醛使深藍溶液變磚紅色沉澱 (Cu₂O)；酮不反應 (芳香醛通常也不反應)。
- 條件：Tollens' 試驗須在鹼性、室溫或微溫；Fehling's 須加熱至沸。
描述鑑別醇 (-OH) 及羧酸 (-COOH) 的化學試驗
- 醇：加入少量鈉金屬→放出 H₂ 氣泡，並生成醇鈉；H₂ 可以燃著木條驗證 (發出「噗」聲)。
- 方程式：2 R-OH + 2 Na → 2 R-ONa + H₂。
- 羧酸：加入 NaHCO₃ (碳酸氫鈉)→放出 CO₂ 氣泡，氣體使石灰水變乳白色。
- 方程式：R-COOH + NaHCO₃ → R-COONa + H₂O + CO₂↑；醇及酚不會使 NaHCO₃ 發泡，故可區別。
設計實驗以分離並鑑定含 Na⁺、Cu²⁺、Cl⁻、SO₄²⁻ 的混合物
- 先將樣品溶於水，取少量做焰色試驗—同時觀察 Na⁺ 金黃色及 Cu²⁺ 藍綠色以確認兩陽離子。
- 加入過量 NaOH：Cu²⁺ 形成淡藍色 Cu(OH)₂ 沉澱，過濾即可分離；濾液含 Na⁺ (不生沉澱)。
- 取濾液酸化後加 BaCl₂→白色 BaSO₄ 沉澱確認 SO₄²⁻。
- 另取樣品酸化後加 AgNO₃→白色 AgCl 沉澱 (溶於稀 NH₃) 確認 Cl⁻。
03
分離和提純的方法
Separation and Purification Methods
結晶、蒸餾、液液萃取、色層及熔沸點測定的原理和應用
核心考點
1. 結晶、蒸餾與萃取
考評提示：各方法的適用對象、步驟及關鍵觀察
- 結晶：適用於從溶液提純固態化合物。加熱溶劑至飽和，冷卻使溶質形成晶體，雜質則留在母液中。
- 簡單蒸餾：適用於沸點差 ≥ 25°C 的液體或從溶液回收溶劑；分餾柱裝置適用於沸點接近的液體。
- 分餾柱作用：玻璃珠或填料提供大表面積，氣體反覆冷凝—再蒸發，沿柱向上愈高的部份愈接近低沸點組份的純態。
- 液—液萃取：以分液漏斗使溶質在兩種互不相溶的溶劑 (如水與乙醚) 之間按分配係數分布，反覆萃取以提高回收率。
- 分液漏斗使用時須先排氣 (避免壓力累積)，兩層靜置清晰後放出下層，收集上層於容器中。
2. 色層法與純度測試
考評提示：Rf 值計算、紙/TLC/柱色層的原理、熔沸點用於純度檢驗
- 色層法原理：基於組份在固定相與流動相之間的分配係數不同—與固定相作用較弱者隨流動相移動較快。
- Rf (保留因子) = 物質移動距離 / 溶劑前緣移動距離，0 < Rf ≤ 1；在固定溶劑及固定相條件下，Rf 可用於物質鑑定。
- 紙色層：纖維素吸附水為固定相；薄層色層 (TLC)：矽膠/氧化鋁塗層；柱色層：適用於大量樣品的分離。
- 純物質具尖銳、固定的熔點及沸點；含雜質時熔點降低且熔程變寬 (熔點下降 degree 與雜質量呈定性關係)。
- 應用：物質熔點與文獻值比較 (±1°C 內) 可確認身份及純度；混合熔點法可鑑定未知樣品是否與已知物相同。
常見題型
描述結晶法的步驟及操作注意事項
- 選擇合適的溶劑：熱時溶解目標物質多，冷時溶解少；雜質溶於冷溶劑中不析出。
- 加熱溶解至飽和：用熱水浴或回流加熱，避免溶劑大量揮發。
- 熱濾去不溶雜質 (可用預熱漏斗)；冷卻濾液使溶質緩慢結晶。
- 過濾收集晶體 (Buchner 抽氣過濾)，以少量冷溶劑洗滌並風乾。
比較簡單蒸餾與分餾的應用及裝置特點
- 簡單蒸餾：適用於沸點相差 ≥ 25°C 的液體或從溶液提取溶劑；裝置不含分餾柱。
- 分餾：適用於沸點接近 (如乙醇 78°C 與水 100°C) 的液體混合物；裝置加裝分餾柱。
- 分餾柱作用：氣體在填料表面反覆冷凝—再蒸發，使上升氣體逐漸富集低沸點組份。
- 注意：溫度計應置於蒸餾頭側管口 (讀取蒸氣溫度)；不能直接插入燒瓶液體內。
描述液液萃取的原理及操作步驟
- 原理：溶質按分配係數 Kd = [溶質]有機相 / [溶質]水相，在兩種互不相溶的溶劑間分布。
- 操作：將水相混合物與有機溶劑 (如乙醚) 倒入分液漏斗，塞蓋搖晃使兩相充分混合。
- 重要：倒置漏斗開啟活塞排氣 (因揮發性溶劑產生壓力)，防止塞爆開。
- 靜置使兩相分層清晰，放出下層 (水層)，保留含目標的上層 (有機層)；可重複萃取提高回收率。
解釋紙色層法原理及計算 Rf 值
- 原理：纖維素吸附水作為固定相，選定溶劑作為流動相；組份與兩相作用強弱不同，移動速度不同。
- 操作：在濾紙底端畫基線，點上樣品與參考物斑點，將紙插入展開槽使溶劑緩慢上升。
- 計算：當溶劑前緣接近頂端時取出紙，標記前緣位置；Rf = 斑點中心移動距離 / 溶劑前緣移動距離。
- 舉例：某斑點移動 3.6 cm，溶劑前緣移動 8.0 cm → Rf = 3.6 / 8.0 = 0.45。
比較紙色層、薄層色層 (TLC) 及柱色層的異同
- 共同：均基於組份在固定相與流動相之間的分配差異分離。
- 固定相：紙色層為纖維素 + 水；TLC 為矽膠/氧化鋁塗層 (塗在玻璃/塑膠板上)；柱色層多為矽膠填裝於玻璃管中。
- 規模：紙色層/TLC 主要用於分析 (少量)；柱色層可製備性分離 (克量級)。
- 速度與解析：TLC 比紙色層快且分離度高；柱色層可用不同極性溶劑梯度洗提以提高解析。
解釋如何以熔點或沸點測定判斷物質純度
- 純物質具固定、尖銳的熔沸點 (熔程 < 1°C)；與文獻值相符即為純。
- 含雜質：熔點降低且熔程變寬 (例如熔程 > 2°C 暗示純度不足)；沸點可能升高並出現回流時溫度漂移。
- 混合熔點法：將未知樣品與已知純物質等量混合，若熔點未降低且熔程仍尖銳→兩者為同一物質。
- 局限：不適用於分解化合物或熔點附近易昇華的物質，須配合色層法或光譜確認。
設計方案以分離並提純含鹽 (NaCl)、砂和碘的混合物
- 步驟一：將混合物溶於水—NaCl 溶解，砂及 I₂ 不溶 (碘溶解度低)。
- 步驟二：過濾—濾液含 NaCl 溶液；殘渣含砂及 I₂。
- 步驟三：將殘渣加熱昇華—I₂ 昇華為紫色蒸氣，冷卻凝固收集為純 I₂；砂留下。
- 步驟四：將 NaCl 濾液蒸發結晶得純 NaCl。
評估選擇合適分離方法的考慮因素
- 物理性質：熔/沸點差距大→蒸餾；物質在水與有機溶劑間分配係數差異大→萃取。
- 樣品量：分析級少量→TLC 或紙色層；製備級大量→柱色層或蒸餾。
- 雜質種類：難揮發固態雜質→結晶；不同極性有色組份→色層。
- 經濟與安全：考慮溶劑成本及毒性 (盡量選擇無毒/可再循環溶劑)、能源消耗及回收率。
04
定量分析方法
Quantitative Analytical Methods
酸鹼、氧化還原、莫爾法、碘量滴定法及誤差分析
核心考點
1. 容量分析基礎
考評提示：滴定概念、當量點與終點、指示劑選擇
- 容量分析 (滴定)：以已知濃度 (標準溶液) 的試劑與未知樣品定量反應，由所用體積計算未知物含量。
- 當量點：化學計量比剛好相等的一刻；終點：指示劑變色的一刻；兩者差距稱為滴定誤差。
- 酸鹼滴定指示劑選擇：強酸/強鹼 → 任何 (如酚酞 pH 8.2–10 或甲基橙 3.1–4.4)；強酸/弱鹼 → 甲基橙；弱酸/強鹼 → 酚酞。
- 滴定計算基本式：n (未知) = n (標準) × 化學計量比；濃度 c = n / V；務必轉換至同一體積單位。
2. 氧化還原、莫爾法及碘量滴定
考評提示：KMnO₄ 自身指示劑、莫爾法測 Cl⁻、碘量法測維生素 C、誤差分析
- KMnO₄ 滴定：KMnO₄ 自身為深紫色，還原後變無色 (Mn²⁺)—滴定至剛出現淡粉紅即為終點，無需額外指示劑。
- Na₂S₂O₃ / I₂ 滴定：以澱粉為指示劑，I₂ + 澱粉呈深藍；滴定接近終點才加澱粉 (避免吸附過多 I₂)。
- 莫爾 (Mohr) 法 (沉澱滴定)：以 AgNO₃ 滴定 Cl⁻，K₂CrO₄ 為指示劑；AgCl (白) 全部沉澱後，多餘 Ag⁺ 與 CrO₄²⁻ 反應生成紅棕色 Ag₂CrO₄，即終點。
- 莫爾法限制：須在弱鹼/中性條件 (pH 6.5–9)；酸性下 CrO₄²⁻ 轉為 Cr₂O₇²⁻；強鹼下 AgOH 沉澱干擾。
- 碘量法測維生素 C (抗壞血酸)：I₂ 氧化抗壞血酸→以澱粉為指示劑，藍色出現即為過量 I₂，表示反應完成。反應比 1:1。
- 誤差來源：讀取凹液面視差、滴定管初始未對零、泡沫/氣泡、超過終點、樣品潮解。減誤方法：三次一致 (粗測 + 兩次精測差距 < 0.1 mL)。
常見題型
描述酸鹼滴定的步驟並解釋指示劑的選擇
- 步驟：用移液管移取定量未知樣品於錐形瓶，加入適當指示劑 2–3 滴；滴定管填滿已標定的標準溶液並對零。
- 逐滴滴定並攪拌；接近終點時逐滴緩慢加入，直到指示劑剛出現恆定顏色變化。
- 記錄最終讀數 (精確至 0.05 mL)；重複至少兩次精測，差距 < 0.1 mL 即取平均。
- 指示劑選擇：強酸/強鹼—任何 (酚酞或甲基橙)；強酸/弱鹼—甲基橙 (pH 3.1–4.4)；弱酸/強鹼—酚酞 (pH 8.2–10)。
計算：25.00 mL 0.100 M HCl 與 NaOH 滴定，終點時用去 24.50 mL NaOH，求 NaOH 濃度
- 反應：HCl + NaOH → NaCl + H₂O (1:1)。
- n(HCl) = 0.100 × 25.00/1000 = 2.50 × 10⁻³ mol。
- n(NaOH) = n(HCl) = 2.50 × 10⁻³ mol (1:1)。
- c(NaOH) = 2.50 × 10⁻³ / (24.50/1000) = 0.102 M (3 sig fig)。
解釋 KMnO₄ 氧化還原滴定無需額外指示劑的原因及步驟
- KMnO₄ 深紫色；被還原後 (至 Mn²⁺) 變為幾乎無色，故自身作為指示劑。
- 酸化樣品 (用稀 H₂SO₄ 而非 HCl—避免 Cl⁻ 被氧化)；將樣品加至錐形瓶。
- KMnO₄ 填入滴定管，對零。滴定時 KMnO₄ 滴入被立即褪色；當接近終點，紫色消退變慢。
- 終點：加入一滴 KMnO₄ 後溶液呈現不消退的淡粉紅色 (持續 30 秒)。
描述莫爾法測定 Cl⁻ 含量的原理、步驟及限制
- 原理：AgNO₃ 先與 Cl⁻ 反應生成白色 AgCl 沉澱 (Ksp 較小)；Cl⁻ 耗盡後，過量 Ag⁺ 與 CrO₄²⁻ 生成紅棕色 Ag₂CrO₄，即終點。
- 步驟：取 Cl⁻ 樣品於錐形瓶，加 1 mL 5% K₂CrO₄ 指示劑；以 AgNO₃ 標準液滴定至出現持久紅棕色。
- 方程式：Ag⁺ + Cl⁻ → AgCl(白)；2Ag⁺ + CrO₄²⁻ → Ag₂CrO₄(紅棕)。
- 限制：須在 pH 6.5–9；酸性下 CrO₄²⁻ → Cr₂O₇²⁻ 無效；強鹼下 AgOH 沉澱；不適用於強氧化或強還原性樣品。
描述碘量法測定果汁樣品中維生素 C 含量的實驗
- 反應：抗壞血酸 + I₂ → 脫氫抗壞血酸 + 2HI (1:1)。
- 步驟：取一定體積果汁於錐形瓶；以 0.005 M I₂ 標準溶液滴定，接近終點時加入澱粉指示劑。
- 終點：溶液出現持久的藍黑色 (I₂ 與澱粉形成錯合物)，表示所有維生素 C 已被氧化。
- 計算：n(維生素 C) = n(I₂) = c(I₂) × V(I₂)/1000；再由質量 = n × M (M = 176 g/mol) 得含量，即可換算成每 100 mL 含維生素 C 毫克數。
分析滴定實驗中的誤差來源及減誤方法
- 儀器：滴定管刻度誤差、凹液面讀取視差 (眼睛需平視液面)；容量瓶溫度未平衡至室溫。
- 操作：漏液或未排除管尖氣泡、指示劑太多致終點不清、超過終點 (過度滴加)。
- 樣品：標準液標定不準、潮解影響質量、樣品未充分溶解均勻。
- 減誤：用三次一致滴定 (粗測 + 兩次精測差距 < 0.1 mL) 取平均；用標準物校準標準溶液；讀數記錄至 0.05 mL。
比較強酸/強鹼與弱酸/強鹼滴定的 pH 曲線及指示劑選擇
- 強酸/強鹼 (HCl + NaOH)：起始 pH ≈ 1，當量點 pH = 7，附近跳躍區約 pH 3–11。
- 弱酸/強鹼 (CH₃COOH + NaOH)：起始 pH ≈ 2–3，當量點 pH ≈ 8.7 (鹼性—CH₃COO⁻ 水解)，跳躍區約 pH 7–11。
- 強酸/強鹼指示劑選擇：任何在 pH 3.5–10 內變色者皆可 (酚酞或甲基橙)。
- 弱酸/強鹼指示劑選擇：須選變色範圍在鹼性區者，如酚酞 (pH 8.2–10)；甲基橙太早變色會產生誤差。
計算：20.00 mL 未知 Fe²⁺ 溶液用 0.0200 M KMnO₄ 滴定，用去 22.00 mL，求 [Fe²⁺]
- 反應：MnO₄⁻ + 5Fe²⁺ + 8H⁺ → Mn²⁺ + 5Fe³⁺ + 4H₂O (比例 1:5)。
- n(MnO₄⁻) = 0.0200 × 22.00/1000 = 4.40 × 10⁻⁴ mol。
- n(Fe²⁺) = 5 × n(MnO₄⁻) = 5 × 4.40 × 10⁻⁴ = 2.20 × 10⁻³ mol。
- [Fe²⁺] = 2.20 × 10⁻³ / (20.00/1000) = 0.110 M。
05
分析化學對社會的貢獻
Analytical Chemistry Contributions to Society
食品/藥物分析、環境監測、鑑證化學及臨床診斷應用
核心考點
1. 食品、藥物與環境分析
考評提示：三聚氰胺、違禁添加劑、空氣及水質污染物的檢測原理
- 食品分析：2008 年三聚氰胺奶粉事件揭示須以高效液相色譜 (HPLC) 或質譜 (MS) 測定牛奶中三聚氰胺含量，保護嬰兒健康。
- 違法添加劑：如蘇丹紅 (致癌偶氮染料) 在辣椒粉中；利用色層法 + 質譜鑑定是否含有。
- 空氣污染監測：CO 用紅外光譜法；SO₂/NO₂ 用比色法或螢光法；戶內甲醛用 DNPH 衍生化後以 HPLC 測定。
- 水質：重金屬 (Pb, Hg, Cd) 以原子吸收光譜 (AAS) 測定，靈敏度達 μg/L；pH、溶氧、COD 為常規指標。
- 戴奧辛 (二噁英)：劇毒有機氯化合物；以高分辨率 GC-MS (色譜—質譜聯用) 測定 ppt 級含量，確保食品及環境安全。
2. 鑑證化學與臨床診斷
考評提示：指紋/DNA 分析、違禁藥物鑑定、血糖及膽固醇測定
- 鑑證化學：以碘蒸氣或寧海德林 (ninhydrin) 顯示指紋；DNA 分析採用聚合酶鏈反應 (PCR) 放大微量 DNA 再以電泳識別。
- 違禁藥物：氣相色譜—質譜 (GC-MS) 鑑定大麻、海洛因、甲基安非他命等；呼氣酒精測試器以電化學或 IR 原理測定駕駛者血液酒精含量。
- 臨床血糖：葡萄糖氧化酶作用於葡萄糖產生 H₂O₂，經比色法或電化學法定量；糖尿病患者自檢血糖儀原理。
- 血脂 (膽固醇、三酸甘油酯)：酶—比色法量度，用於預測心血管疾病風險；LDL/HDL 比值為重要指標。
- 鑑證 DNA 數據庫支持刑事調查—能由極少量生物樣品 (毛髮、血跡) 鎖定嫌疑人，但亦牽涉隱私與倫理議題。
常見題型
指出家用血糖儀作為分析化學儀器的用途
- 用途：測量一滴血液中葡萄糖的濃度，常用於糖尿病患者的日常自我監測。
- 結果表示：以 mmol/L（或 mg/dL）表示血糖水平。
- 意義：屬分析化學在日常生活及臨床監測中的應用例子。
- 註：按課程要求，學生不須深入了解儀器的具體化學原理或電化學／比色操作步驟。
指出呼氣酒精測試器作為分析化學儀器的用途
- 用途：測量呼氣中乙醇 (ethanol) 的含量，用於執法及酒後駕駛檢查。
- 結果表示：換算為血液酒精含量 (BAC)，香港法定駕駛上限為 50 mg/100 mL 血液。
- 意義：屬分析化學在公共安全（交通安全執法）中的應用例子。
- 註：按課程要求，學生不須深入了解儀器的具體化學原理或電化學／紅外檢測的操作步驟。
比較傳統化學試驗與現代儀器分析的優缺點
- 傳統化學試驗：儀器簡單、成本低、可隨地進行；但靈敏度及特異性有限，難以檢測痕量。
- 現代儀器 (HPLC、GC-MS、AAS、IR)：靈敏度達 ppb/ppt 級，可同時分離與鑑定複雜混合物；但儀器昂貴、需專業人員、樣品前處理繁複。
- 互補性：野外或初篩用化學試驗 (如試紙)；實驗室確認及定量用儀器分析。
- 選擇原則：根據檢測目的 (定性 vs 定量)、靈敏度需求、成本及時效綜合考慮。
討論分析化學在現代生活方式中的角色及相關倫理議題
- 貢獻：提供食品、藥物、環境、醫療等領域的可靠化學數據，支撐政策制定及個人健康決定。
- 日常例子：超市食品標示、藥物成分分析、空氣/水質監測報告、家用血糖/尿液試紙。
- 倫理：DNA 資料庫涉及隱私與自由；基因檢測的結果可能引致保險或就業歧視。
- 社會責任：化學家須誠實記錄並報告數據、拒絕造假；政府須建立標準及監管機制；公眾需理性看待科學數據。
