請使用化學反應式說明天然水體的pH 緩衝系統。（10 分） 若氧氣溶解於水的亨利常數是1.3×10-3mol L-1 atm-1，計算一大氣壓時， 水中的飽和溶…

題目

請使用化學反應式說明天然水體的pH 緩衝系統。（10 分） 若氧氣溶解於水的亨利常數是1.3×10-3mol L-1 atm-1，計算一大氣壓時， 水中的飽和溶氧濃度，並以mg/L 表示。（10 分）

參考解答（AI 生成，非官方）

• 一、天然水體的酸鹼緩衝以碳酸鹽系統（carbonate system）為核心，主要物種為 CO2(aq)、H2CO3、HCO3-、CO3^2-。平衡式：CO2(g) ⇌ CO2(aq)；CO2 + H2O ⇌ H2CO3；H2CO3 ⇌ H+ + HCO3-（pKa1≈6.3）；HCO3- ⇌ H+ + CO3^2-（pKa2≈10.3）。加酸時 H+ 與 HCO3- 結合成 H2CO3 並釋出 CO2；加鹼時 H2CO3 解離補充 H+，因此 pH 的變化會被抑制。
• 二、開放系統（與大氣交換 CO2）的緩衝能力主要取決於碳酸氫根濃度，pH 約落在 4.5～8.3；封閉系統（不與大氣交換）則在 pKa1 與 pKa2 之間形成緩衝平台，pH 約 6.3～10.3。水體鹼度（alkalinity）主要由 HCO3- 與 CO3^2- 構成，是實務上評估緩衝容量與酸化敏感度的指標。
• 三、碳酸鹽之外，海水的硼酸系統（B(OH)3／B(OH)4-，pKa≈8.6）在 pH 8 附近貢獻顯著；矽酸鹽、腐植酸（humic acid）與有機酸亦具緩衝作用；酸性礦區水體則由 Al3+ 水解（Al3+ + 3H2O ⇌ Al(OH)3 + 3H+）與硫酸鹽系統主導，pH 常被固定在 4～5 之間。
• 四、亨利定律（Henry's law）於稀薄溶液、氣液平衡下為 [O2(aq)] = KH × pO2。題給 KH = 1.3×10^-3 mol L^-1 atm^-1、pO2 = 1 atm，故 [O2] = 1.3×10^-3 × 1 = 1.3×10^-3 mol/L；換算質量濃度為 1.3×10^-3 mol/L × 32 g/mol = 0.0416 g/L。
• 五、即飽和溶氧約 41.6 mg/L。惟此係「純氧、一大氣壓」之結果；若介質為空氣（O2 分壓 0.21 atm），則 [O2] = 1.3×10^-3 × 0.21 = 2.73×10^-4 mol/L，約 8.7 mg/L，較符實際水體。作答時應明確標示所採用之分壓假設，以免混淆。

AI 依官方試題文字產生的參考解答，非考選部公告答案，內容僅供備考參考。

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