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 |
|---|---|
| 4.00 | 4.18 |
| 7.00 | 7.12 |
| 10.00 | 9.76 |
- 测量读数
- 理想一致线
(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 |
|---|---|
| 0 | 3.82 |
| 10 | 3.94 |
| 20 | 4.01 |
| 30 | 4.02 |
| 40 | 4.02 |
- 显示的 pH 值
(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 |
|---|---|---|---|
| X | 3.21 | 3.23 | 3.22 |
| Y | 5.78 | 5.80 | 5.79 |
(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（\(\mathrm{mS\,cm^{-1}}\)） |
|---|---|---|
| A | 2.8 | 1.60 |
| B | 7.1 | 1.42 |
| C | 2.9 | 0.08 |
(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：
- 只使用 pH 7.00 缓冲溶液校正数位 pH 计。
- 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。
- 将探针插入每个样本，并记录第一个显示的数值。
- 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（\(\mathrm{mS\,cm^{-1}}\)） |
|---|---|---|
| P | 0.42 | 0.44 |
| Q | 0.87 | 0.89 |
| R | 0.43 | 0.71 |
(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：
- 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。
- 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。
- 记录第一个显示的数值，可能得到尚未稳定的读数。
- 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
- 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。
- 采集并标记
采集独立样本。
使用干净、分开且有标记的容器。
- 仔细测量
测量不同样本之间，冲洗探针。
等待读数稳定。
- 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。
(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。