实务酸碱分析:HSC 化学练习考试

透过这份 tutorgum 原创的 42 分化学复习考试,测试你对实务酸碱分析的理解。练习解读数位 pH 与导电度数据、评估校正与取样方法,并透过完整详解及评分指引应用所学。

这是一份 tutorgum 原创练习试卷,涵盖所提供的 2025 年化学课程范围中的实务酸碱分析主题。本试卷测验数位 pH 与导电度探针如何进行校正、如何用于收集与处理资料,以及如何评估其可靠性。这是一份原创复习资源,并非 NESA 官方、经认可的、历届或预测试卷。

01考试说明

条件详情
建议阅读时间5 分钟
建议作答时间55 分钟
总分42 分
器材笔或铅笔、尺及科学计算机
计算过程展示计算过程,并在适当时标示单位。
数值取舍按照各题要求的精确度作答。
温度除非另有说明,否则假设所有测量均在 25°C 下进行。

评量范围

本试卷著重于所提供的 2025 年化学课程范围中的实务酸碱分析主题:

  • 使用数位 pH 与导电度探针收集资料。
  • 校正仪器并检查其性能。
  • 处理重复测量结果并解读数值资料。
  • 评估精密度、准确度、可靠性及可能的测量误差。
  • 评估取样程序及测量方法是否合适。

本试卷不考查滴定化学计量、平衡计算、有机化学或其他不相关的化学单元。

在本试卷中,pH 低于 7.0 表示溶液呈酸性,pH 等于 7.0 表示溶液呈中性,而 pH 高于 7.0 表示溶液呈碱性。

请先尝试回答所有题目,再参阅详解。除了正确的数值答案外,清楚展示推理过程也可得分。

02题目

第 1 题(6 分)

一名学生正在准备数位 pH 计,以分析数个水溶液样本。在校正仪器之前,学生使用三种新鲜缓冲溶液检查仪器,这些溶液的 pH 值均已获得认证。

经认证的缓冲溶液 pH 值校正前的仪器读数
4.004.18
7.007.12
10.009.76
数位 pH 计读数与经认证的缓冲溶液 pH 值之间的散点图,显示三个测量点及一条有标示的理想一致线。
  • 测量读数
  • 理想一致线
三种经认证缓冲溶液的测量读数与理想一致线的比较;在线上,仪器读数等于经认证的 pH 值。

(a) 计算三个仪器读数各自的绝对误差。(3 分)

(b) 指出绝对误差最大的缓冲溶液,并写出该误差的大小。(1 分)

(c) 解释为甚么校正时应使用涵盖样本预期 pH 范围的新鲜缓冲溶液,而不应只依赖单一缓冲溶液。(2 分)

第 2 题(7 分)

一名学生将经校正的数位 pH 探针放入酸性样本中,并每隔固定时间记录一次显示的 pH 值。

经过时间(s)显示的 pH 值
03.82
103.94
204.01
304.02
404.02
折线图显示数位 pH 读数在 0、10、20、30 和 40 秒时的变化,实测值由 3.82 至 4.02。
  • 显示的 pH 值
40 秒内测得的 pH 值。按时间顺序排列的数据点为 3.82、3.94、4.01、4.02 和 4.02。这些数值是文章中提供的实验数据。

(a) 描述测量期间显示的 pH 值如何变化。(2 分)

(b) 学生采用以下规则:只有当连续两次读数相同时,才确认读数已稳定。指出应报告的 pH 值,以及确认读数稳定的时间。(2 分)

(c) 解释为甚么记录最初显示的数值,可能比等待读数稳定后才记录得到较不可靠的结果。(2 分)

(d) 指出比较多个样本的 pH 时,一项应保持不变的测量条件。(1 分)

第 3 题(7 分)

一名技术人员使用同一部经校正的 pH 计测量两个水溶液样本。在相同的测量条件下,每个样本均测量三次。

样本读数 1读数 2读数 3
X3.213.233.22
Y5.785.805.79

(a) 计算样本 X 和样本 Y 三次 pH 读数的算术平均值。每个结果均取至小数点后两位。(4 分)

(b) 根据数据指出哪个样本的酸性较强,并以数据支持答案。(1 分)

(c) 解释重复读数的分散程度反映了甚么精密度资讯。并解释为甚么单凭这些结果,不能确定测量是否准确。(2 分)

第 4 题(7 分)

某实验室使用数位 pH 探针和数位导电度探针分析三个水溶液样本。所有测量均在相同温度下进行。

结果如下。

样本pH导电度(\(\mathrm{mS\,cm^{-1}}\))
A2.81.60
B7.11.42
C2.90.08

(a) 根据各样本的 pH,将其分类为酸性、中性或碱性。(3 分)

(b) 指出导电度最高的样本。(1 分)

(c) 解释为甚么不能直接根据导电度结果排列样本的酸性强弱,即使样本 B 的导电度最高。(3 分)

第 5 题(7 分)

一名学生想比较从两个不同地点采集的水样本的 pH。

学生采用以下程序:

  1. 只使用 pH 7.00 缓冲溶液校正数位 pH 计。
  2. 使用同一个烧杯,从每个地点各采集一份 100 mL 样本,并且在不同样本之间没有冲洗烧杯。
  3. 将探针插入每个样本,并记录第一个显示的数值。
  4. 比较记录下来的两个 pH 值。

(a) 指出此程序中的两项缺点。(2 分)

(b) 针对 (a) 部分指出的每项缺点,提出一项具体的改进方法,并解释该方法如何改善结果的品质。(4 分)

(c) 解释为甚么对同一份已采集的样本进行重复测量,不能取代从同一地点采集独立样本。(1 分)

第 6 题(8 分)

某实验室使用数位导电度探针比较三个水溶液样本。

在测量样本之前,技术人员使用一种预期导电度为 \(1.00\ \mathrm{mS\,cm^{-1}}\) 的参考溶液检查探针。所有样本测量完成后,技术人员再次进行此项检查。

本题中,若参考检查的测量值与预期值之间的差异在 \(\pm 0.05\ \mathrm{mS\,cm^{-1}}\) 以内,则该次检查视为合格。

参考检查结果如下:

检查时间测得的导电度(\(\mathrm{mS\,cm^{-1}}\))
测量样本之前1.03
测量样本之后1.20

样本测量结果如下:

样本读数 1(\(\mathrm{mS\,cm^{-1}}\))读数 2(\(\mathrm{mS\,cm^{-1}}\))
P0.420.44
Q0.870.89
R0.430.71

(a) 计算样本 P 和 Q 的导电度算术平均值。每个答案均取至小数点后两位。(2 分)

(b) 计算样本 R 两次读数之间的绝对差值,并比较其一致性与样本 P 和 Q 的结果。(2 分)

(c) 根据参考检查结果,评估导电度探针在整个样本测量过程中是否保持稳定。建议在接受这些结果作比较之前应采取的后续步骤。(4 分)

03详解与评分指引

第 1 题详解

(a) 绝对误差

绝对误差是测量值与其认证值之间差值的大小。

\[ \text{绝对误差} = |\text{仪器读数}-\text{经认证的 pH 值}| \]

对于 pH 4.00 的缓冲溶液:

\[ |4.18-4.00|=0.18 \]

对于 pH 7.00 的缓冲溶液:

\[ |7.12-7.00|=0.12 \]

对于 pH 10.00 的缓冲溶液:

\[ |9.76-10.00|=0.24 \]

因此,三个绝对误差依次为 0.18、0.12 和 0.24 个 pH 单位。

评分指引(3 分):

  • 每个正确的绝对误差得 1 分。

(b) 最大的绝对误差

pH 10.00 的缓冲溶液具有最大的绝对误差,为 0.24 个 pH 单位。

评分指引(1 分):

  • 指出 pH 10.00 的缓冲溶液及其误差,得 1 分。

(c) 校正的目的

校正是将仪器的反应与已知 pH 值的溶液进行比较,并按需要调整仪器的反应。

使用涵盖样本预期 pH 范围的新鲜缓冲溶液,有助于确保仪器在整个范围内提供可靠的读数。单一缓冲溶液本身不足以确定仪器在相差较大的其他 pH 值下,是否仍能准确反应。使用新鲜溶液亦可降低污染影响校正结果的风险。

评分指引(2 分):

  • 说明校正能根据已知数值确立或调整仪器的反应,得 1 分。
  • 说明使用多种合适的缓冲溶液可检查仪器在预期范围内的反应,并指出新鲜缓冲溶液可降低污染风险,得 1 分。

第 2 题详解

(a) 显示的 pH 值变化

显示的 pH 值由 3.82 上升至 4.02。随著时间经过,pH 值上升的幅度逐渐减小,而最后两次读数相同。

评分指引(2 分):

  • 指出 pH 值整体由 3.82 上升至 4.02,得 1 分。
  • 指出读数在测量后期逐渐趋于稳定,得 1 分。

(b) 稳定的读数

应报告的 pH 值为 4.02,并于 40 秒确认读数稳定。

30 秒和 40 秒时的读数均为 4.02。根据题目所述的规则,第二次出现相同读数时,即可确认显示的数值已稳定。

评分指引(2 分):

  • 写出应报告的 pH 值为 4.02,得 1 分。
  • 指出在 40 秒确认稳定,并将此时间与连续两次相同的读数联系起来,得 1 分。

(c) 为甚么要等待读数稳定?

探针对样本作出反应时,仪器显示的数值可能仍会改变。记录仍在变化的数值,可能无法代表稳定的测量结果,亦会降低不同样本之间比较的可靠性。

等待读数稳定后才记录,可确保采用一致的测量规则,并减少过早记录数值所造成的误差。

评分指引(2 分):

  • 解释最初显示的数值可能仍在变化,得 1 分。
  • 说明稳定的读数有助于提高结果的可靠性或可比较性,得 1 分。

(d) 受控制的条件

可接受的答案包括样本温度、探针浸入深度、样本体积,或不同样本之间冲洗探针的程序。

评分指引(1 分):

  • 指出一项应保持不变的相关条件,得 1 分。

第 3 题详解

(a) 算术平均值

样本 X:

\[ \begin{aligned} \text{平均 pH 值} &=\frac{3.21+3.23+3.22}{3}\\ &=\frac{9.66}{3}\\ &=3.22 \end{aligned} \]

样本 Y:

\[ \begin{aligned} \text{平均 pH 值} &=\frac{5.78+5.80+5.79}{3}\\ &=\frac{17.37}{3}\\ &=5.79 \end{aligned} \]

样本 X 显示的 pH 平均值为 3.22,而样本 Y 的平均值为 5.79。

这些数值是仪器读数的算术平均值。由于 pH 是对数尺度,不能将这些平均值解读为氢离子浓度的直接算术平均值。

评分指引(4 分):

  • 样本 X 得 2 分:正确计算平均值,得 1 分;得出 3.22,得 1 分。
  • 样本 Y 得 2 分:正确计算平均值,得 1 分;得出 5.79,得 1 分。

(b) 酸性较强的样本

样本 X 的酸性较强,因为其平均 pH 值为 3.22,低于样本 Y 的平均 pH 值 5.79。

评分指引(1 分):

  • 指出样本 X,并以其较低的 pH 值支持答案,得 1 分。

(c) 精密度与准确度

每个样本的读数分散程度较小,表示测量具有良好的重复性,即精密度较高。各次读数彼此接近。

然而,精密度并不能证明准确度。如果仪器存在系统性误差,例如校正不正确,三次读数仍可能彼此接近,但与真实 pH 值有差异。

评分指引(2 分):

  • 将读数分散程度较小与良好的精密度或重复性联系起来,得 1 分。
  • 解释系统性误差可能影响所有读数,因此仍需要校正或其他准确度检查,得 1 分。

第 4 题详解

(a) 根据 pH 分类

  • 样本 A:酸性,因为其 pH 值为 2.8。
  • 样本 B:碱性,因为其 pH 值为 7.1。
  • 样本 C:酸性,因为其 pH 值为 2.9。

评分指引(3 分):

  • 每项正确分类得 1 分。

(b) 最高导电度

样本 A 的导电度最高,为 \(1.60\ \mathrm{mS\,cm^{-1}}\)。

评分指引(1 分):

  • 指出样本 A,得 1 分。

(c) 解读导电度

导电度衡量溶液传导电流的能力。溶液中的可移动离子负责传导电流。

导电度取决于溶液中离子的浓度及移动能力。它并不直接测量 pH,也不能单凭导电度判定溶液是酸性还是碱性。

因此,即使样本 B 的 pH 值为 7.1,它仍可能具有较高的导电度。溶解的离子可以提高导电度,而不一定会使溶液呈强酸性。

若要按照酸性强弱排列样本,应使用 pH 探针。导电度可提供有关溶液导电能力的额外资讯,但不能取代 pH 测量来达成此目的。

评分指引(3 分):

  • 解释可移动离子使溶液能够传导电流,得 1 分。
  • 解释导电度取决于离子含量,而不是 pH 的直接测量值,得 1 分。
  • 将此区别应用于样本 B,或解释为甚么单凭导电度不能排列酸性强弱,得 1 分。

第 5 题详解

(a) 程序中的缺点

以下任意两项均可接受:

  1. 只使用 pH 7.00 缓冲溶液,无法确定仪器在更广泛的预期 pH 范围内的反应。
  2. 使用同一个烧杯而没有冲洗,可能导致一个样本的物质转移至下一个样本。
  3. 记录第一个显示的数值,可能得到尚未稳定的读数。
  4. 每个地点只采集一份样本,无法充分了解该地点内部的样本变异。

评分指引(2 分):

  • 每指出一项不同且合理的缺点,得 1 分。

(b) 改进方法及其效果

有多种合理的做法。以下是一些例子:

缺点改进方法改进原因
只使用一种缓冲溶液进行校正。使用涵盖样本预期 pH 范围的合适新鲜缓冲溶液进行校正。检查仪器在更广泛 pH 范围内的反应。
使用同一个烧杯而没有冲洗。使用不同的干净且有标记的容器,或在不同样本之间适当清洗烧杯。降低样本之间交叉污染的风险。
记录第一个显示的数值。等待显示的读数稳定后才记录。减少因记录仍在变化的数值而造成的误差。
每个地点只采集一份样本。使用一致的取样方法,采集数份独立样本。提供有关各地点内部变异的证据。

评分指引(4 分):

  • 每处理一项缺点得 2 分:提出具体且合适的改进方法,得 1 分;解释该方法如何改善测量或取样品质,得 1 分。
  • 每项改进方法必须对应 (a) 部分指出的一项缺点。

四个阶段进行可靠的 pH 测量

  1. 校正

    使用新鲜且合适的 pH 缓冲溶液。

    涵盖样本预期的 pH 范围。

  2. 采集并标记

    采集独立样本。

    使用干净、分开且有标记的容器。

  3. 仔细测量

    测量不同样本之间,冲洗探针。

    等待读数稳定。

  4. 重复测量并检查

    重复测量并检查仪器性能。

    完成这些检查后才比较结果。

要可靠地比较 pH 值,必须仔细校正、保持取样清洁、等待读数稳定,并在比较结果前重复检查。

(c) 重复读数与独立样本

对同一个容器中的样本进行重复测量,主要是评估测量的重复性。独立样本则还能提供有关从该地点采集的不同样本之间变异的资讯。

评分指引(1 分):

  • 区分仪器测量的重复性与独立采集样本之间的变异,得 1 分。

第 6 题详解

(a) 平均导电度

样本 P:

\[ \begin{aligned} \text{平均导电度} &=\frac{0.42+0.44}{2}\\ &=0.43\ \mathrm{mS\,cm^{-1}} \end{aligned} \]

样本 Q:

\[ \begin{aligned} \text{平均导电度} &=\frac{0.87+0.89}{2}\\ &=0.88\ \mathrm{mS\,cm^{-1}} \end{aligned} \]

样本 P 的平均导电度为 \(0.43\ \mathrm{mS\,cm^{-1}}\),样本 Q 的平均导电度为 \(0.88\ \mathrm{mS\,cm^{-1}}\)。

评分指引(2 分):

  • 样本 P 的平均值正确,得 1 分。
  • 样本 Q 的平均值正确,得 1 分。

(b) 样本 R 的一致性

样本 R 两次读数之间的绝对差值为:

\[ \begin{aligned} \text{差值} &=|0.71-0.43|\\ &=0.28\ \mathrm{mS\,cm^{-1}} \end{aligned} \]

样本 P 和 Q 的读数差值均为:

\[ |0.44-0.42|=0.02\ \mathrm{mS\,cm^{-1}} \]

\[ |0.89-0.87|=0.02\ \mathrm{mS\,cm^{-1}} \]

样本 R 的一致性明显低于样本 P 和 Q。应调查样本 R 的两次读数,而不应自动将它们视为同样可靠的测量结果。

评分指引(2 分):

  • 得出绝对差值为 \(0.28\ \mathrm{mS\,cm^{-1}}\),得 1 分。
  • 指出样本 R 的读数远不如样本 P 和 Q 一致,得 1 分。

(c) 仪器稳定性及后续步骤

参考溶液的预期导电度为 \(1.00\ \mathrm{mS\,cm^{-1}}\)。

测量开始前,测得的数值为 \(1.03\ \mathrm{mS\,cm^{-1}}\)。此数值与预期值之间的绝对差值为:

\[ |1.03-1.00|=0.03\ \mathrm{mS\,cm^{-1}} \]

此差值在允许的 \(0.05\ \mathrm{mS\,cm^{-1}}\) 以内,因此初始检查合格。

测量结束后,测得的数值为 \(1.20\ \mathrm{mS\,cm^{-1}}\):

\[ |1.20-1.00|=0.20\ \mathrm{mS\,cm^{-1}} \]

此差值超出允许范围。测量结束后的检查不合格,这表示仪器的性能在测量过程中可能已经发生变化。

技术人员不应将整组数据直接视为已通过验证。应在适当情况下重新校正探针,再次使用参考溶液检查,并在确认仪器性能合格后重新测量样本。由于样本 R 的重复读数差异很大,也应重新测量样本 R。

评分指引(4 分):

  • 指出初始检查合格,因为偏差为 \(0.03\ \mathrm{mS\,cm^{-1}}\),得 1 分。
  • 指出最后一次检查不合格,因为偏差为 \(0.20\ \mathrm{mS\,cm^{-1}}\),得 1 分。
  • 得出结论,指出仪器在整个测量过程中未能证明其性能保持稳定,得 1 分。
  • 建议重新校正、使用参考溶液再次验证,以及在接受比较结果之前重新测量受影响的样本,得 1 分。