民國115年 高考三級 環境檢驗 環境化學與環境微生物學
第2題
天然水體的pH 緩衝能力常受碳酸鹽系統控制。一研究團隊於晴朗夏日 的清晨，前往某含有豐富藻類與水生植物的湖泊量測水質，測得pH 為 7.5，且湖水具有一定的總鹼…
題目
天然水體的pH 緩衝能力常受碳酸鹽系統控制。一研究團隊於晴朗夏日 的清晨，前往某含有豐富藻類與水生植物的湖泊量測水質，測得pH 為 7.5，且湖水具有一定的總鹼度。當團隊於午餐後再次檢測湖水時，請問 湖水的pH、總碳酸鹽濃度（total carbonate concentration）與總鹼度（total alkalinity）分別會降低、升高或近似維持不變？請從碳酸鹽系統及湖泊 日變化的角度說明原因。（25 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、系統定義：碳酸鹽系統中，總碳酸鹽濃度 CT＝[CO2(aq)]＋[H2CO3]＋[HCO3−]＋[CO3^2−]，總鹼度 Alk＝[HCO3−]＋2[CO3^2−]＋[OH−]−[H+]（忽略其他弱酸）。pH 由 CO2 分壓與鹼度共同決定，而藻類的光合作用與呼吸作用會改變 CO2 分壓。
- 二、pH 變化：清晨至午後，藻類與水生植物進行光合作用，消耗水中的 CO2 與 HCO3−，使 CO2 分壓下降；依亨利定律與碳酸平衡，pH 隨之上升。午後水溫升高使 CO2 溶解度下降，更加強 pH 上升。因此午後 pH 較清晨的7.5 升高，可達8.5 以上。
- 三、總碳酸鹽濃度：光合作用將無機碳固定為藻類生物量（有機碳），使 CT 減少；午後高 pH 若使水體達碳酸鈣飽和，可能誘發 CaCO3 沉澱，進一步移除無機碳。因此總碳酸鹽濃度降低。
- 四、總鹼度：CO2 的溶解、逸散及光合作用固定 CO2 均不改變鹼度；藻類吸收 HCO3− 並釋出 OH−，理論上可維持電荷平衡，使鹼度守恆。惟若發生 CaCO3 沉澱，每莫耳將減少約2當量鹼度，故鹼度為近似維持不變或略為降低。夜間呼吸作用則使 pH 下降、CT 回升。
- 五、綜合判定：午後 pH 升高、總碳酸鹽濃度降低、總鹼度近似不變（或略降）。此即湖泊日夜變化（diel cycle）的典型現象，可用以判讀優養化水體之代謝強度與碳循環。
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。