民國115年 高考三級 環境檢驗 分析化學
第4題
凱氏定氮法（Kjeldahl method）是環境樣品（如水質、底泥）中測定總凱 氏氮（TKN）的經典古典分析法，其包含了複雜的前處理與反滴定（Back tit…
題目
凱氏定氮法（Kjeldahl method）是環境樣品（如水質、底泥）中測定總凱 氏氮（TKN）的經典古典分析法，其包含了複雜的前處理與反滴定（Back titration）技術。 請詳細敘述凱氏定氮法的三個主要步驟：「消化（Digestion）」、「蒸餾 （Distillation）」與「滴定（Titration）」，並寫出每個步驟所對應的關鍵 化學反應方程式。（10 分） 在最後的滴定步驟中，傳統做法是將蒸餾出的氨氣吸收於「已知過量 體積」的標準鹽酸（HCl）中，再以標準氫氧化鈉（NaOH）進行反滴 定。而現代改良法則是將氨氣吸收於硼酸（H3BO3）溶液中，再以標準 鹽酸直接滴定。請比較這兩種吸收與滴定策略，說明為何「硼酸改良 法」能有效降低實驗的系統性誤差並簡化操作？（15 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、消化（digestion）：取樣品加濃硫酸、硫酸鉀與硫酸銅（或硒）催化劑，加熱至 350–400 ℃，使有機氮氧化分解並轉為銨鹽。K2SO4 提高沸點，CuSO4 為催化劑。反應：有機氮 + H2SO4 → (NH4)2SO4 + CO2 + H2O；含氮雜環或硝態氮需另行還原處理。
- 二、蒸餾（distillation）：冷卻後加過量 NaOH 使溶液呈強鹼，銨離子轉為氨氣並蒸餾出。NH4+ + OH− → NH3↑ + H2O。傳統以已知過量標準 HCl 吸收：NH3 + HCl → NH4Cl；改良法以 2% 硼酸吸收：NH3 + H3BO3 + H2O → NH4+ + H2BO3−，吸收液不影響後續滴定。
- 三、滴定（titration）：反滴定法以標準 NaOH 滴定剩餘 HCl：HCl + NaOH → NaCl + H2O，由差值求氨量；硼酸法直接以標準 HCl 滴定生成之硼酸根：H2BO3− + H+ → H3BO3，以甲基紅–溴甲酚綠混合指示劑由綠變粉紅判定終點。
- 四、硼酸法降低系統誤差之理由：硼酸為極弱酸（pKa 約 9.2），不與氨競爭、不影響終點，故不需精確量取「已知過量」體積，免除體積與濃度標定的累積誤差；僅需一種標準液，減少一次滴定讀數；避免過量酸吸收空氣中氨或鹼液吸收 CO2 造成的漂移；吸收完全且終點靈敏，操作簡化。
- 五、限制與注意：硼酸吸收液須足量且指示劑比例固定；蒸餾須完全（可以蒸餾空白確認）；試劑空白與回收率試驗不可省略；高鹽或高有機基質可能造成暴沸與干擾，需調整消化條件。整體而言，硼酸法將兩次滴定簡化為一次，誤差傳播較小。
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。