民國115年 普通考試 環保技術 環境化學概要考古題
民國115年 普通考試 環保技術 環境化學概要收錄考選部官方試題，共 5 題可線上瀏覽，考選部未公告本科目答案。
題目與答案
光化學煙霧（Photochemical smog）是現代都會區常見的空氣污染現象，
不僅降低能見度，更會對人體呼吸系統造成危害。請從「大氣化學」的
角度出發，回答下列問題：
詳細說明對流層臭氧（O3）的生成機制，並列出氮氧化物（NOX）參
與循環的關鍵化學反應式。（10 分）
探討揮發性有機物（VOCs）在此過程中所扮演的角色。（10 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、對流層臭氧（tropospheric ozone）並非直接排放，而是由氮氧化物（NOx）與揮發性有機物（VOCs）在日照下經光化學反應二次生成。啟動步驟為NO2吸收紫外光（λ＜420 nm）光解：NO2 + hν → NO + O(3P)；氧原子再與O2經第三體M碰撞生成臭氧：O(3P) + O2 + M → O3 + M。此為日間臭氧生成的啟動反應。
- 二、NOx循環的核心是NO2光解與O3氧化NO的交替：O3 + NO → NO2 + O2；NO2 + hν → NO + O(3P)，O(3P) + O2 + M → O3 + M。兩者合計為O3 + NO → NO2 + O2與NO2光解，淨結果不增加O3。此零淨循環使NOx在NO與NO2間轉換；若無VOCs介入，臭氧無法累積。
- 三、VOCs的角色是提供過氧自由基，將NO轉為NO2而不消耗O3，打斷零淨循環。典型反應：RH + OH → R + H2O；R + O2 → RO2；RO2 + NO → RO + NO2；HO2 + NO → OH + NO2。生成的NO2再光解產生O3，故VOCs如同燃料，決定臭氧的淨生成量。
- 四、VOCs氧化生成醛、酮及過氧乙醯硝酸酯（PAN），PAN可長距離輸送NOx。OH來源為O3光解：O3 + hν → O(1D) + O2；O(1D) + H2O → 2OH。NOx終止反應包括NO2 + OH → HNO3、NO2 + O3 → NO3 + O2、NO3 + NO2 ⇌ N2O5，故NOx可暫時被儲存。
- 五、臭氧生成對前驅物呈非線性：VOCs/NOx比值高時多為NOx限制，降低NOx可減臭氧；比值低時為VOCs限制，須先減VOCs。實務上以最大增量反應性（MIR）加權VOCs、光化學模型與臭氧等值線（EKMA）研擬管制，並注意NOx減量可能短期增加臭氧的NOx滴定效應。
某地下水受到石灰岩地層影響，量測結果顯示其酸鹼值（pH）為9.50。
已知pKa1 = 6.38、pKa2 =10.33。
試計算[CO32−]/[HCO3−] 之比值。（10 分）
判斷水中主要無機碳物種為何？（5 分）
說明此類地下水通常具有較高鹼度之原因。（5 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、依碳酸系統第二步解離：HCO3− ⇌ H+ + CO3^2−（Ka2）。由Henderson–Hasselbalch式：pH = pKa2 + log([CO3^2−]/[HCO3−])，故log比值 = 9.50 − 10.33 = −0.83，比值 = 10^−0.83 = 0.148（約0.15）。
- 二、以酸解離分布估算，pH 9.50時HCO3−莫耳分率約0.87，CO3^2−約0.13，H2CO3*僅約0.0007；故主要無機碳物種為HCO3−，CO3^2−為次要物種。此結果符合pH介於pKa1與pKa2之間、且較接近pKa2的碳酸系統特性。
- 三、石灰岩以CaCO3為主，溶解反應CaCO3(s) + CO2 + H2O ⇌ Ca2+ + 2HCO3−可提供大量HCO3−；鹼度主要來自HCO3−與CO3^2−，每莫耳CaCO3溶解約產生2當量鹼度。pH 9.5時CO2逸散促使2HCO3− → CO3^2− + CO2 + H2O，加上蒸發濃縮，使鹼度偏高。
- 四、鹼度不等於硬度，仍需實測Ca2+、Mg2+；計算忽略活度係數、溫度與離子強度，現場應以滴定鹼度、溶解無機碳（DIC）、鈣鎂與方解石飽和指數（SI）驗證。pH 9.5可能使方解石過飽和，需注意結垢與灌溉、飲用水處理上的影響。
水化學平衡在現代自來水廠的操作和控制中起著至關重要的作用。試以
混凝、膠凝、沉澱處理流程為例，說明水化學平衡（如酸鹼平衡、溶度
積等）如何影響混沉單元的處理效率。此外，請解釋如果平衡條件控制
不當可能產生的負面影響。（20 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、混凝、膠凝與沉澱的效率取決於膠體去穩定、顆粒碰撞與沉降性，而這些程序受酸鹼平衡、鹼度、溶度積與錯合平衡控制。混凝劑（如硫酸鋁、氯化鐵）投入後迅速水解，生成單核與多核羥基錯合物；其物種分布隨pH改變，直接影響電荷中和、壓縮電雙層（electric double layer）與架橋作用。
- 二、酸鹼平衡決定水解是否完全。以硫酸鋁為例，Al2(SO4)3 + 3Ca(HCO3)2 → 2Al(OH)3(s) + 3CaSO4 + 6CO2，會消耗鹼度並降低pH；若鹼度不足，pH驟降，鋁水解停在低聚合態，混凝效果差且殘餘鋁升高。實務常加石灰或氫氧化鈉補鹼，維持最佳pH與掃掠絮凝（sweep floc）。
- 三、溶度積（Ksp）控制金屬氫氧化物與碳酸鈣的沉澱。Al(OH)3具兩性，在pH約6至7附近溶解度最低；pH過低時Al3+殘留，pH過高時Al(OH)4−生成，反使殘餘鋁上升。Fe(OH)3亦有最低溶解度區間；pH亦影響CaCO3飽和指數（SI），過飽和易結垢，欠飽和則腐蝕。
- 四、膠體與天然有機物（NOM）的電荷受pH支配。pH升高使腐植質去質子化、負電增強，需更高混凝劑量；鈣、鎂可經架橋促進絮體形成。pH偏離最佳值會使絮體細小、密度低、沉降慢，沉澱池出水濁度與有機物升高，後續消毒副產物（DBPs）風險增加。
- 五、控制不當的負面影響包括：劑量不足造成濁度、病原與NOM穿透；過量造成電荷反轉、膠體再穩定、污泥量與殘餘金屬增加；低pH腐蝕管網、高pH結垢；鹼度破壞使pH劇烈波動。應以瓶杯試驗、線上pH/鹼度/濁度與電荷監測回饋加藥，必要時調整鹼度與pH。
某水庫近年監測結果如下：
項目
單位
枯水期
豐水期
總磷（TP）
mg /L
0.02
0.12
總氮（TN）
mg /L
0.6
2.0
葉綠素a（Chl-a）
g /L
底層溶氧（DO）
mg /L
7.5
1.0
請回答下列問題：
是否有優養化現象？（5 分）
判斷主要限制因子可能為何？（5 分）
解釋DO 下降原因。（10 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、表中葉綠素a（Chl-a）數值空白，無法計算完整卡爾森優養指數（Carlson TSI）；以總磷（TP）初判：枯水期20 μg/L約47（中營養），豐水期120 μg/L約73（優養）。配合TN 2.0 mg/L與底層DO 1.0 mg/L，判定豐水期有明顯優養化現象。
- 二、主要限制因子為磷。枯水期TN/TP質量比為0.6/0.02=30，豐水期為2.0/0.12≈16.7；一般淡水水體TN/TP大於10至15時，磷較可能限制藻類生長。故枯水期呈明顯磷限制，豐水期比值接近門檻，可能為磷限制或氮磷共同限制，仍需藻類生物試驗確認。
- 三、底層DO下降主要因優養化產生大量藻類與有機物，沉降後被異營微生物分解，消耗水中溶氧：有機物 + O2 → CO2 + H2O（簡式）。豐水期營養鹽與有機負荷增加，藻華量增大，沉降的有機碎屑使底層耗氧速率超過復氧速率，DO由7.5降至1.0 mg/L。
- 四、水庫熱分層使底層成為缺氧的封閉水體；表層光合作用產氧不易傳到底層，底層與大氣交換受限。硝化作用（NH4+ + 2O2 → NO3− + 2H+ + H2O）亦耗氧，沉積物耗氧（SOD）與鐵、錳還原釋放會進一步增加氧需求，形成缺氧—內源磷釋放的惡性循環。
- 五、管理上應補齊Chl-a、透明度與分層監測，以完整TSI判定；削減集水區氮磷非點源，設置緩衝帶與前置庫，必要時採曝氣、深層水抽出或底泥疏浚。惟曝氣可能改變水層穩定度，疏浚成本高，應以源頭減量優先並長期監測。
某農業試驗所對一塊農地進行土壤化學性質分析。取1 公斤的乾土樣
本進行交換性陽離子萃取，測得各交換性陽離子含量如下：
•鈣離子（Ca2+）：12.0 cmolc/kg
•鎂離子（Mg2+）：3.5 cmolc/kg
•鉀離子（K+）：1.0 cmolc/kg
•鈉離子（Na+）：0.5 cmolc/kg
•鋁離子（Al3+）：2.5 cmolc/kg
•氫離子（H+）：0.5 cmolc/kg
試根據上述數據計算下列土壤化學指標：
該土壤的有效陽離子交換容量（effective cation exchange capacity,
ECEC）。（5 分）
該土壤的鹽基飽和度（base saturation, BS %）。（5 分）
該土壤的交換性鈉百分率（exchangeable sodium percentage, ESP %），
並評估該土壤是否有鹼土（sodic soil）的危害風險。（10 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、有效陽離子交換容量（ECEC）為現地pH下交換性鹽基與交換性酸度之和。因題目單位已為cmolc/kg，可直接加總，不另乘價數：ECEC = 12.0 + 3.5 + 1.0 + 0.5 + 2.5 + 0.5 = 20.0 cmolc/kg，屬中等偏高。
- 二、鹽基飽和度（base saturation, BS）為交換性鹽基占ECEC的百分比：BS = (Ca2+ + Mg2+ + K+ + Na+)/ECEC × 100 = (12.0 + 3.5 + 1.0 + 0.5)/20.0 × 100 = 17.0/20.0 × 100 = 85%。BS高表示鹽基離子占多數，土壤酸性較弱。
- 三、交換性鈉百分率（exchangeable sodium percentage, ESP）為交換性鈉占ECEC的百分比：ESP = Na+/ECEC × 100 = 0.5/20.0 × 100 = 2.5%。一般以ESP ≥15%作為鹼土（sodic soil）判定門檻，部分系統以13%為警戒；本土壤僅2.5%，遠低於門檻，無明顯鈉害或鹼土風險。
- 四、惟交換性鋁2.5 cmolc/kg（占ECEC 12.5%）與交換性氫0.5 cmolc/kg顯示仍有交換性酸度；若現地pH偏低，須注意鋁毒與磷固定。另ESP低不代表無鹽害，仍應測定飽和抽出液電導度（ECe）、鈉吸附比（SAR）、質地與pH，以完整評估農地適用性。
- 五、綜合而言，此土壤BS 85%、ESP 2.5%，屬鹽基飽和度高且非鹼土，鈣為主要交換性陽離子（Ca/Mg約3.4）。農業利用上應注意交換性鋁與pH，必要時施石灰降低鋁活性，並避免含鈉灌溉水造成ESP累積，長期監測EC、SAR與有機質。