2008年第六屆清華盃全國高級中學化學科能力競賽決賽試題

(1)

2009 年第六屆全國高級中學化學科能力競賽

實驗決賽

共 3 題，4 頁

題目一、水中 Mg

2+

和 Ca

2+

濃度的測定

有一貼有鈣鎂分析標籤的 500 mL 水樣品，請利用重量分析或滴定方法分別

定量出 Ca

2+

_{和 Mg}

2+

_{濃度，並在答案卷上寫下實驗步驟。}

【提示 1】在水中 Ca

2+

_{和 Mg}

2+

_{的濃度通常遠超過其他金屬離子，且當水中鈣離}

子均與 EDTA 形成錯合物後，Mg-EDTA 的錯合物才會形成。

【提示 2】草酸鈣的 Ksp 為 2.3 x 10

-9

草酸鎂的 Ksp 為 8.6 x 10

-5

【提示 3】

(2)

題目二、測定水溶液中銅離子的含量

有 2 個貼有銅分析標籤的水溶液樣品，請利用電解重量法分別使用白金片與

銅板測銅離子的含量。

註：請利用白金片測出未知液 1 的銅離子的含量。 請利用銅板測出未知液 2 的銅離子的含量。

【提示】

陽極（氧化） 2H

2

O

(l)

Æ O

2(g)

+ 4H

+ (aq)

+ 4e

-E

o

=－1.229 V

陰極（還原） Cu

2+ (aq)

+ 2e

-

Æ Cu

(s)

E

o

=＋0.340 V

【實驗步驟】

1. 取 30 mL 待測水溶液樣品，放入燒杯中。

2. 於上述燒杯中加入 3 mL 之 9 M 硫酸及 2 mL 之 6 M 硝酸。

註：6 M 硝酸應於排煙櫃內新鮮煮沸 30 秒後放冷，以趕出氮氣化物 (強酸! 危險! 請 注意操作安全)。

3. 將白金陰極片浸於 6 M 硝酸 5 分鐘，以除去表面所附著之雜質。取出之

白金片以蒸餾水洗滌，再用少量乙醇沖洗數次，然後將白金片置於 100

℃ 烘箱內乾燥 5 分鐘，再將白金片置於表玻璃中冷卻至室溫（約需 5 分

鐘）後稱重，紀錄重量。

註 1：白金絲易折損，修理不易，請小心使用。 註 2：切勿以手觸摸到白金陰極片的表面。 註 3：白金片置於表玻璃上再放進烘箱; 表玻璃需貼上填有組別的標籤紙，避免與別組渾 淆。

4. 請依圖一組裝電解裝置。組裝時須注意：(1) 陰、陽二極不得碰觸，以避

免短路；(2) 鱷魚連接夾不可接觸到液面；(3) 勿以手接觸白金絲、片，

請全程使用鑷子。(4) 最後請加適量蒸餾水於燒杯中，並調整陰極白金片

高於液面約 1～1.5 cm。

5. 組裝完成後，即可啟動電磁加熱攪拌器，溫和攪拌溶液；然後打開直流

電源供應器，電解至溶液的藍色完全消失。此時，可酌加蒸餾水使液面

上升約 0.5 cm，再行電解 15 分鐘; 若有新的銅析出，則可繼續重覆該步

驟直到無新的銅析出，方告電解完成。

註：1.電解條件，可由同學自行測試，使用說明請看附錄三。 2.電源供應器操作上有任何問題可詢問監試人員。

(3)

6. 電解完成後，在繼續通電情形下慢慢提起電極（或放下燒杯）

，並立刻以

裝有蒸餾水之洗滌瓶沖洗陰極白金片表面。沖洗完畢後，才可切斷電流。

註：持續通電可避免附著的銅脫落。

7. 將陰極白金片浸泡於蒸餾水中，取出後以乙醇沖洗數次，置於 100℃烘箱

內，乾燥 5 分鐘，再冷卻至室溫（約需 5 分鐘），秤量重量。

8. 最後請將白金絲與白金片浸於 6 M 硝酸中，待銅完全溶解後取出。再以

蒸餾水沖洗乾淨後放回器材箱內。

圖一電解裝置圖

(4)

題目三、鐵的測定

請利用鄰二氮菲測定一貼有鐵分析標籤的未知樣品，其濃度小於 1000ppm。

【提示】

鄰二氮菲是測定鐵的高靈敏性、高選擇性的試劑。在 pH 2~9 的溶液中，鄰

二氮菲和 Fe

2+

_{生成穩定的橘紅色錯合物，在反應生成 Fe}

2+

_{−鄰二氮菲前，通常需}

用 NH

2

OH 將全部的 Fe

3+

_{還原為 Fe}

2+

_。Fe

2+

與鄰二氮菲之反應如下:

【藥品配置】

標準鐵溶液: 稱取 0.345g 硫酸鐵銨放入乾淨的燒杯，加入 1 mL 2 M HCl 及 1

mL 去離子水，溶解後轉移至 100 mL 定量瓶中，再加入 10 mL

2 M HCl，並加水至刻線。請各組視情況做適當稀釋。

【實驗步驟】

1. 分別配置 5 個濃度遞增的標準鐵溶液於 25 mL 定量瓶，各加入 0.5 mL

NH

2

OH•HCl (10%) 溶液，混勻後靜置 2 分鐘。

2. 再各別加入 1 mL 鄰二氮菲(0.2 %) 溶液與 2 mL 醋酸鈉(1 M) 溶液，加水稀

釋至刻線，混合均勻。

3. 以空白試劑溶液為參考，選在 500 nm 的波長下測定各標準溶液的吸收度(A)，

並以濃度對吸收度作圖於方格紙上，即完成標準曲線的製作。

4. 利用標準曲線定量出未知液的濃度。

註:吸收度測量統一由監考人員操作儀器，參賽者在旁自行抄寫數據；有需要使用儀器測 量吸收度時，請備好樣品、空白試劑溶液與石英液槽並通知監試人員。

(5)

附錄一指示劑變色範圍

酸鹼指示劑

顏色

中文

英文

酸型

變色 pH 範

圍

鹼型

甲基橙

_{Methyl orange}

紅

_3.1~4.4

黃

甲基紅

_{Methyl red}

紅

_4.2~6.3

黃

酚酞

_{Phenolphthalein}

無

_8.3~10.0

紅

溴甲酚綠

_{Bromocresol green}

黃

_3.8~5.4

藍

其他

顏色變化

卡美其

_{Calmagite indicator}

紅-藍

鉻黑 T

_{Eriochrome Black T}

藍-紅

(6)

附錄二 LPS305 直流電源供應器相關簡易操作

1. 正負電源開關: ON/OFF 2.＋Vset ＋Iset ＋▲ ＋▼ 7 8 9 為正電源改變鍵: 例:＋25.5V 輸入→按 7 → 2 → 5 → • → 5 → enter ＋2.8A 輸入→ 按 8 → 2 → • → 8 → enter 當＋25.05V 電壓欲上升到＋25.08V 時只要按 9 三下即可

電源供應器面板

＋VSET ＋ISET ＋▲ ＋▼ 7 8 9 －VSET －ISET －▲ －▼ 4 5 6 TRACK 5V/3.3V BEEP 1 2 3 0 • ENTER ON/OFF

(7)

附錄三 LPS305 直流電源供應器規格

1.0~30V/0~3A ，165W

2.電壓電流解析度:10mV/1mA

3.具短路警示系統

(8)

附錄四週期表

H 氫 1 1.007 9 He 氦 2 4.003 Li 鋰 3 6.941 Be 鈹 4 9.012 B 硼 5 10.81 1 C 碳 6 12.01 1 N 氮 7 14.00 7 O 氧 8 15.99 9 F 氟 9 18.99 8 Ne 氖 10 20.18 0 Na 鈉 11 22.99 0 Mg 鎂 12 24.30 5 Al 鋁 13 26.98 2 Si 矽 14 28.08 6 P 磷 15 30.97 4 S 硫 16 32.06 6 Cl 氯 17 35.45 3 Ar 氬 18 39.94 8 K 鉀 19 39.09 8 Ca 鈣 20 40.07 8 Sc 鈧 21 44.95 Ti 鈦 22 47.88 V 釩 23 50.94 2 Cr 鉻 24 51.99 6 Mn 錳 25 54.93 8 Fe 鐵 26 55.84 7 Co 鈷 27 58.93 3 Ni 鎳 28 58.69 3 Cu 銅 29 63.54 6 Zn 鋅 30 65.39 Ga 鎵 31 69.72 3 Ge 鍺 32 72.61 As 砷 33 74.99 2 Se 硒 34 78.96 Br 溴 35 79.90 4 Kr 氪 36 83.80 Rb 銣 37 85.46 8 Sr 鍶 38 87.62 Y 釔 39 88.90 6 Zr 鋯 40 91.22 4 Nb 鈮 41 92.90 6 Mo 鉬 42 95.94 Tc 鎝 43 98.90 6 Ru 釕 44 101.0 7 Rh 銠 45 102.9 1 Pd 鈀 46 106.4 2 Ag 銀 47 107.8 7 Cd 鎘 48 112.4 1 In 銦 49 114.8 2 Sn 錫 50 118.7 1 Sb 銻 51 121.7 6 Te 碲 52 127.6 0 I 碘 53 126.9 0 Xe 氙 54 131.2 9 Cs 銫 55 132.9 1 Ba 鋇 56 137.3 3 Lu 鎦 71 174.9 7 Hf 鉿 72 178.4 9 Ta 鉭 73 180.9 5 W 鎢 74 183.8 5 Re 錸 75 186.2 1 Os 鋨 76 190.2 Ir 銥 77 192.2 2 Pt 鉑 78 195.0 8 Au 金 79 196.9 7 Hg 汞 80 200.5 9 Tl 鉈 81 204.3 8 Pb 鉛 82 207.2 Bi 鉍 83 208.9 8 Po 釙 84 209 At 砈 85 210 Rn 氡 86 222 Fr 鍅 87 223 Ra 鐳 88 226 Lw 103 Unq 104 Unp 105 Unh 106 Uns 107 Uno 108 Une 109 Uun 110 Uuu 111 Uub 112 Uut 113 Uuq 114 Uup 115 Uuh 116 Uus 117 Uuo 118 La 鑭 57 Ce 鈰 58 140.1 Pr 鐠 59 140.9 Nd 釹 60 Pm 鉕 61 Sm6 2 150.3 Eu 銪 63 151.9 Gd 釓 64 Tb 鋱 65 158.9 Dy 鏑 66 162.5 Ho 鈥 67 Er 鉺 68 167.2 Tm 銩 69 Yb 鐿 70 173.0 H 氫 1 1.00 Atomic number Atomic mass

(9)

138.9 1 2 1 144.2 4 146.9 2 6 7 157.2 5 3 0 164.9 3 6 168.9 3 4 Ac 錒 89 227 Th 釷 90 232.0 4 Pa 鏷 91 231.0 4 U 鈾 92 238.0 3 Np 錼 93 237.0 5 Pu 鈽 94 244 Am 鋂 95 243 Cm 鋦 96 247 Bk 鉳 97 247 Cf 鉲 98 251 Es 鑀 99 252 Fm 鐨 100 257 Md 鍆 101 258 No 鍩 102 259

(10)

附錄五、各項藥品性質及危險性列表（係依英文字母排列）

英文名稱 中文名稱 化學式 藥品性質及危險性

1 Acetic acid 醋酸 CH3COOH

藥品性質：無色液體，有刺激性氣味，熔點 16.63 ℃，沸點 118 ℃，比重 1.049。與水、酒精、甘油、乙醚互溶。可燃。 2 Ammonia hydroxide 氨水 NH4OH 藥品性質：具強烈刺激氣味之無色液體，比重0.895-0.910。食入及吸入均具毒性， 液體及蒸氣極具刺激性，特別是眼睛。 3 Ammonium chloride 氯化銨 NH4Cl 藥品性質：白色晶體。溶於水及甘油，微溶於酒精。於350 ℃昇華，比重1.54。 4 Ammonium oxalate 草酸銨 (NH4)2C2O4 藥品性質：無色晶體。溶於水。比重1.502，遇熱分解。

5 Calcium carbonate 碳酸鈣 CaCO3

藥品性質：白色粉末或無色晶體，無臭無味，無毒性。比重2.7-2.95，在825 ℃分解。 極微溶於水，可溶於酸而放出二氧化碳。 6 Calmagite indicator 卡美其 (OH)(CH3)C6H3N =NC10H5(OH)(SO 3H) 藥品性質：黑紫色粉末，能溶於水、醇和稀鹼溶液。水溶液pH值小於7時為亮紅色， pH值7.1～9.1為紅色，pH值9.1～11.4時為藍色，pH值12以上時為紅橙色。常被用來作為 pH10 條件下以EDTA滴定Ca2+_、Mg2+_{的指示劑，終點由紅變藍。}

7 Copper sulfate 硫酸銅 CuSO4⋅5H2O

藥品性質：藍色粉末或晶體。脫水時為白色。溶於水、甲醇，略溶於酒精與甘油，比重2.284。 危險性：食入有毒；強刺激性。 8 Ethanol 乙醇 C2H5OH 藥品性質：沸點 78.4 ℃，自燃溫度 343 ℃，為透明無色揮發性液體，有酒精味，與水互溶，易潮解，蒸氣及液體易燃。危險性：誤食或吸入高濃度蒸氣後，可能造成輕微的中樞神經系統抑制作用，引起頭痛、噁心、暈眩等症狀；會刺激眼睛，吞食或嘔吐液體可能吸入肺部，造成吸入性傷害。

(11)

9 Ethylenediaminetetraac e-tic acid 乙二胺四乙酸 EDTA 藥品性質：無色晶體。稍溶於水，不溶於一般有機溶劑。240 ℃分解。與鹼金屬氫氧化物中和形成水溶性鹽類，含有一個到四個鹼金屬陽離子。 危險性：低毒性。

10

Eriochrome Black T

鉻黑 T

C20H12N3NaO7S

藥品性質：黑褐色粉狀。可溶於水，稍溶於醇，微溶於丙酮。水中溶解度（90℃）爲 25 g/L。鉻黑 T 本身是酸鹼指示劑，在 pH 小於 6 時呈酒紅色，pH 在 8～10 時呈藍色， pH 大於 12 時呈橙黃色。

11 Ferrous ammonium

sulfate 硫酸銨鐵 Fe(NH4)(SO4)2

藥品性質：微綠色晶體，可溶於水，不溶於乙醇。比重 1.865。100~110℃分解。易潮 解，會受光影響。 12 Hydrochloric Acid 鹽酸 HCl 藥品性質：熔點－35 ℃，沸點 108.6 ℃，無色或淡黃色發煙液體，有刺激性嗆鼻氣味，全溶於水，為具強烈酸性的高腐蝕性酸。與金屬接觸會產生氫氣，可能引起火災 或爆炸。 危險性：吞食有害，吸入有毒，可能造成嚴重皮膚灼傷及眼睛損傷。 13 Hydroxylamine hydrochloride 鹽酸羥胺 NH2OH•HCl 藥品性質：無色吸濕性結晶。比重 1.67，熔點 152 ℃。溶於水、甘油、酒精。 危險性：吸食會中毒，對組織有強烈刺激性。

14 Magnesium Sulfate 硫酸鎂 MgSO4

藥品性質：無色或白色易風化的晶體或白色粉末。無臭，有苦鹹味。密度 1.68，在 150 ℃失去六分子結晶水，200 ℃失去全部結晶水。無水物密度 2.66，熔點 1124 ℃，同時分解。溶於水、甘油和乙醇。

15 Nitric acid 硝酸 HNO3

藥品性質：無色透明或是微黃色液體，能腐蝕大部分金屬，其黃色是由於曝光所產生之二氧化氮，為強氧化劑，能與水混合，酒精中會分解。沸點 78 ℃，凝固點-42 ℃，比重 1.504。危險性：吸入有劇毒，對皮膚有腐蝕性，為強氧化劑，與有機物接觸有起火危險，空 氣中容許量 2ppm。 警告: 強氧化物質勿與強酸、強鹼混合。

(12)

16 O-phenanthroline 鄰二氮菲 C12H8N2⋅H2O 藥品性質：白色晶形粉末。熔點 93-94 ℃，略溶於水，熔於乙醇、苯、丙酮。 17 potassium hydrogen phthalate (KHP) 鄰苯二甲酸氫鉀 HOOCC6H4COOK 藥品性質：無色晶體。溶於水，比重 1.636。 18 Sulfuric Acid 硫酸 H2SO4 藥品性質：沸點 274 ℃，分解溫度 340 ℃，分解時會產生毒氣，為無色至暗褐色吸濕性油狀液體，溶於水。為氧化劑，與金屬接觸會產生氫氣，可能引起火災或爆炸，與水會產生劇烈反應。 危險性：吞食、吸入可能致死，會腐蝕眼睛、皮膚、呼吸道，其無機酸霧滴具致癌性。 警告: 強氧化物質勿與強酸、強鹼混合。

19 Sodium Acetate 乙酸鈉 CH3COONa

藥品性質：熔點 58 ℃，在 120 ℃失去水，324 ℃分解，比重 1.528，為白色潮解性粉末，無味。溶於水及乙醚，略溶於酒精。

20 Sodium chloride 氯化鈉 NaCl 藥品性質：無色，透明晶體或是白色晶形粉末。可溶於水、甘油，微溶於乙醇。比重

2.165，熔點 801 ℃。不可燃。

21 Sodium hydroxide 氫氧化鈉 NaOH

藥品性質：熔點 318 ℃，沸點 1390 ℃，為粒狀白色固體，無味，在空氣中會吸水及二氧化碳，可溶於水，其水溶液為透明無色液體。危險性：在水氣存在下對組織有腐蝕性，會引起失明，永久性傷害和死亡，煙霧可能 引起肺部傷害。 22 Sodium phosphate, dibasic 磷酸氫二鈉 Na2HPO4 藥品性質：無色半透明晶體或白色粉末，可溶於水，易溶於乙醇。在 240℃變為焦磷 酸鈉。 23 Sodium thiosulfate 硫代硫酸鈉 Na2S2O3⋅5H2O 藥品性質：白色半透明晶體粉末，溶於水及松節油，不溶於乙醇; 可於霧氣中潮解。 在乾空氣 33 ℃以上風化; 比重 1.729; 熔點 48℃; 於沸點分解。

(13)

24 Urea 尿素 CO(NH2)2

藥品性質：白色結晶或粉末。比重 1.335，熔點 132.7℃，在煮沸前即分解。可溶於水、 酒精、苯，稍溶於乙醚。低毒性，不可燃。

(14)

2009 年第六屆清華盃全國高級中學化學科能力

競賽

實驗決賽答案

題目一. 鈣,鎂離子濃度(M) CaCO3 0.009819 1-4 組 MgSO4 0.022558 CaCO3 0.009822 5-8 組 MgSO4 0.022712 CaCO3 0.009844 9-12 組 MgSO4 0.022668 題目二. 硫酸銅 (1) 未知物-1 濃度(M) CuSO4 0.024577 1-10 組 0.024701 11-12 組 (2) 未知物-2 濃度(M) CuSO4 0.036086 1-10 組 0.037079 11-12 組題目三. 鐡未知物濃度(ppm) Fe(NH4)(SO4)2．12H2O 358 1-10 組 345 11-12 組

(15)

2008年第六屆清華盃全國高級中學化學科能力競賽決賽試題

2009 年第六屆全國高級中學化學科能力競賽

實驗決賽

題目一、水中 Mg

和 Ca

濃度的測定

有一貼有鈣鎂分析標籤的 500 mL 水樣品，請利用重量分析或滴定方法分別

定量出 Ca

和 Mg

濃度，並在答案卷上寫下實驗步驟。

【提示 1】在水中 Ca

和 Mg

的濃度通常遠超過其他金屬離子，且當水中鈣離

子均與 EDTA 形成錯合物後，Mg-EDTA 的錯合物才會形成。

【提示 2】草酸鈣的 Ksp 為 2.3 x 10

草酸鎂的 Ksp 為 8.6 x 10

【提示 3】

題目二、測定水溶液中銅離子的含量

有 2 個貼有銅分析標籤的水溶液樣品，請利用電解重量法分別使用白金片與

銅板測銅離子的含量。

【提示】

陽極（氧化） 2H

O

Æ O

+ 4H

+ 4e

-E

=－1.229 V

陰極（還原） Cu

+ 2e

Æ Cu

E

=＋0.340 V

【實驗步驟】

1. 取 30 mL 待測水溶液樣品，放入燒杯中。

2. 於上述燒杯中加入 3 mL 之 9 M 硫酸及 2 mL 之 6 M 硝酸。

3. 將白金陰極片浸於 6 M 硝酸 5 分鐘，以除去表面所附著之雜質。取出之

白金片以蒸餾水洗滌，再用少量乙醇沖洗數次，然後將白金片置於 100

℃ 烘箱內乾燥 5 分鐘，再將白金片置於表玻璃中冷卻至室溫（約需 5 分

鐘）後稱重，紀錄重量。

4. 請依圖一組裝電解裝置。組裝時須注意：(1) 陰、陽二極不得碰觸，以避

免短路；(2) 鱷魚連接夾不可接觸到液面；(3) 勿以手接觸白金絲、片，

請全程使用鑷子。(4) 最後請加適量蒸餾水於燒杯中，並調整陰極白金片

高於液面約 1～1.5 cm。

5. 組裝完成後，即可啟動電磁加熱攪拌器，溫和攪拌溶液；然後打開直流

電源供應器，電解至溶液的藍色完全消失。此時，可酌加蒸餾水使液面

上升約 0.5 cm，再行電解 15 分鐘; 若有新的銅析出，則可繼續重覆該步

驟直到無新的銅析出，方告電解完成。

6. 電解完成後，在繼續通電情形下慢慢提起電極（或放下燒杯）

，並立刻以

裝有蒸餾水之洗滌瓶沖洗陰極白金片表面。沖洗完畢後，才可切斷電流。

7. 將陰極白金片浸泡於蒸餾水中，取出後以乙醇沖洗數次，置於 100℃烘箱

內，乾燥 5 分鐘，再冷卻至室溫（約需 5 分鐘），秤量重量。

8. 最後請將白金絲與白金片浸於 6 M 硝酸中，待銅完全溶解後取出。再以

蒸餾水沖洗乾淨後放回器材箱內。

圖一 電解裝置圖

題目三、鐵的測定

請利用鄰二氮菲測定一貼有鐵分析標籤的未知樣品，其濃度小於 1000ppm。

【提示】

鄰二氮菲是測定鐵的高靈敏性、高選擇性的試劑。在 pH 2~9 的溶液中，鄰

二氮菲和 Fe

生成穩定的橘紅色錯合物，在反應生成 Fe

−鄰二氮菲前，通常需

用 NH

OH 將全部的 Fe

還原為 Fe

。Fe

與鄰二氮菲之反應如下:

【藥品配置】

標準鐵溶液: 稱取 0.345g 硫酸鐵銨放入乾淨的燒杯，加入 1 mL 2 M HCl 及 1

mL 去離子水，溶解後轉移至 100 mL 定量瓶中，再加入 10 mL

2 M HCl，並加水至刻線。請各組視情況做適當稀釋。

【實驗步驟】

1. 分別配置 5 個濃度遞增的標準鐵溶液於 25 mL 定量瓶，各加入 0.5 mL

NH

OH•HCl (10%) 溶液，混勻後靜置 2 分鐘。

2. 再各別加入 1 mL 鄰二氮菲(0.2 %) 溶液與 2 mL 醋酸鈉(1 M) 溶液，加水稀

釋至刻線，混合均勻。

3. 以空白試劑溶液為參考，選在 500 nm 的波長下測定各標準溶液的吸收度(A)，

並以濃度對吸收度作圖於方格紙上，即完成標準曲線的製作。

_{和 Mg}

_{濃度，並在答案卷上寫下實驗步驟。}

_{和 Mg}

_{的濃度通常遠超過其他金屬離子，且當水中鈣離}

圖一電解裝置圖

_{生成穩定的橘紅色錯合物，在反應生成 Fe}

_{−鄰二氮菲前，通常需}

_{還原為 Fe}

_。Fe

附錄一指示劑變色範圍

_{Methyl orange}

_3.1~4.4

_{Methyl red}

_4.2~6.3

_{Phenolphthalein}

_8.3~10.0

_{Bromocresol green}

_3.8~5.4

_{Calmagite indicator}

_{Eriochrome Black T}

附錄四週期表

實驗決賽答案