實務酸鹼分析：HSC 化學練習考試
透過這份 tutorgum 原創的 42 分化學複習考試，測試你對實務酸鹼分析的理解。練習解讀數位 pH 與導電度數據、評估校正與取樣方法，並透過完整詳解及評分指引應用所學。
這是一份 tutorgum 原創練習試卷，涵蓋所提供的 2025 年化學課程範圍中的實務酸鹼分析主題。本試卷測驗數位 pH 與導電度探針如何進行校正、如何用於收集與處理資料，以及如何評估其可靠性。這是一份原創複習資源，並非 NESA 官方、經認可的、歷屆或預測試卷。
01考試說明
| 條件 | 詳情 |
|---|---|
| 建議閱讀時間 | 5 分鐘 |
| 建議作答時間 | 55 分鐘 |
| 總分 | 42 分 |
| 器材 | 筆或鉛筆、尺及科學計算機 |
| 計算過程 | 展示計算過程，並在適當時標示單位。 |
| 數值取捨 | 按照各題要求的精確度作答。 |
| 溫度 | 除非另有說明，否則假設所有測量均在 25°C 下進行。 |
評量範圍
本試卷著重於所提供的 2025 年化學課程範圍中的實務酸鹼分析主題：
- 使用數位 pH 與導電度探針收集資料。
- 校正儀器並檢查其性能。
- 處理重複測量結果並解讀數值資料。
- 評估精密度、準確度、可靠性及可能的測量誤差。
- 評估取樣程序及測量方法是否合適。
本試卷不考查滴定化學計量、平衡計算、有機化學或其他不相關的化學單元。
在本試卷中，pH 低於 7.0 表示溶液呈酸性，pH 等於 7.0 表示溶液呈中性，而 pH 高於 7.0 表示溶液呈鹼性。
請先嘗試回答所有題目，再參閱詳解。除了正確的數值答案外，清楚展示推理過程也可得分。
02題目
第 1 題（6 分）
一名學生正在準備數位 pH 計，以分析數個水溶液樣本。在校正儀器之前，學生使用三種新鮮緩衝溶液檢查儀器，這些溶液的 pH 值均已獲得認證。
| 經認證的緩衝溶液 pH 值 | 校正前的儀器讀數 |
|---|---|
| 4.00 | 4.18 |
| 7.00 | 7.12 |
| 10.00 | 9.76 |
- 測量讀數
- 理想一致線
(a) 計算三個儀器讀數各自的絕對誤差。（3 分）
(b) 指出絕對誤差最大的緩衝溶液，並寫出該誤差的大小。（1 分）
(c) 解釋為甚麼校正時應使用涵蓋樣本預期 pH 範圍的新鮮緩衝溶液，而不應只依賴單一緩衝溶液。（2 分）
第 2 題（7 分）
一名學生將經校正的數位 pH 探針放入酸性樣本中，並每隔固定時間記錄一次顯示的 pH 值。
| 經過時間（s） | 顯示的 pH 值 |
|---|---|
| 0 | 3.82 |
| 10 | 3.94 |
| 20 | 4.01 |
| 30 | 4.02 |
| 40 | 4.02 |
- 顯示的 pH 值
(a) 描述測量期間顯示的 pH 值如何變化。（2 分）
(b) 學生採用以下規則：只有當連續兩次讀數相同時，才確認讀數已穩定。指出應報告的 pH 值，以及確認讀數穩定的時間。（2 分）
(c) 解釋為甚麼記錄最初顯示的數值，可能比等待讀數穩定後才記錄得到較不可靠的結果。（2 分）
(d) 指出比較多個樣本的 pH 時，一項應保持不變的測量條件。（1 分）
第 3 題（7 分）
一名技術人員使用同一部經校正的 pH 計測量兩個水溶液樣本。在相同的測量條件下，每個樣本均測量三次。
| 樣本 | 讀數 1 | 讀數 2 | 讀數 3 |
|---|---|---|---|
| X | 3.21 | 3.23 | 3.22 |
| Y | 5.78 | 5.80 | 5.79 |
(a) 計算樣本 X 和樣本 Y 三次 pH 讀數的算術平均值。每個結果均取至小數點後兩位。（4 分）
(b) 根據數據指出哪個樣本的酸性較強，並以數據支持答案。（1 分）
(c) 解釋重複讀數的分散程度反映了甚麼精密度資訊。並解釋為甚麼單憑這些結果，不能確定測量是否準確。（2 分）
第 4 題（7 分）
某實驗室使用數位 pH 探針和數位導電度探針分析三個水溶液樣本。所有測量均在相同溫度下進行。
結果如下。
| 樣本 | pH | 導電度（\(\mathrm{mS\,cm^{-1}}\)） |
|---|---|---|
| A | 2.8 | 1.60 |
| B | 7.1 | 1.42 |
| C | 2.9 | 0.08 |
(a) 根據各樣本的 pH，將其分類為酸性、中性或鹼性。（3 分）
(b) 指出導電度最高的樣本。（1 分）
(c) 解釋為甚麼不能直接根據導電度結果排列樣本的酸性強弱，即使樣本 B 的導電度最高。（3 分）
第 5 題（7 分）
一名學生想比較從兩個不同地點採集的水樣本的 pH。
學生採用以下程序：
- 只使用 pH 7.00 緩衝溶液校正數位 pH 計。
- 使用同一個燒杯，從每個地點各採集一份 100 mL 樣本，並且在不同樣本之間沒有沖洗燒杯。
- 將探針插入每個樣本，並記錄第一個顯示的數值。
- 比較記錄下來的兩個 pH 值。
(a) 指出此程序中的兩項缺點。（2 分）
(b) 針對 (a) 部分指出的每項缺點，提出一項具體的改進方法，並解釋該方法如何改善結果的品質。（4 分）
(c) 解釋為甚麼對同一份已採集的樣本進行重複測量，不能取代從同一地點採集獨立樣本。（1 分）
第 6 題（8 分）
某實驗室使用數位導電度探針比較三個水溶液樣本。
在測量樣本之前，技術人員使用一種預期導電度為 \(1.00\ \mathrm{mS\,cm^{-1}}\) 的參考溶液檢查探針。所有樣本測量完成後，技術人員再次進行此項檢查。
本題中，若參考檢查的測量值與預期值之間的差異在 \(\pm 0.05\ \mathrm{mS\,cm^{-1}}\) 以內，則該次檢查視為合格。
參考檢查結果如下：
| 檢查時間 | 測得的導電度（\(\mathrm{mS\,cm^{-1}}\)） |
|---|---|
| 測量樣本之前 | 1.03 |
| 測量樣本之後 | 1.20 |
樣本測量結果如下：
| 樣本 | 讀數 1（\(\mathrm{mS\,cm^{-1}}\)） | 讀數 2（\(\mathrm{mS\,cm^{-1}}\)） |
|---|---|---|
| P | 0.42 | 0.44 |
| Q | 0.87 | 0.89 |
| R | 0.43 | 0.71 |
(a) 計算樣本 P 和 Q 的導電度算術平均值。每個答案均取至小數點後兩位。（2 分）
(b) 計算樣本 R 兩次讀數之間的絕對差值，並比較其一致性與樣本 P 和 Q 的結果。（2 分）
(c) 根據參考檢查結果，評估導電度探針在整個樣本測量過程中是否保持穩定。建議在接受這些結果作比較之前應採取的後續步驟。（4 分）
03詳解與評分指引
第 1 題詳解
(a) 絕對誤差
絕對誤差是測量值與其認證值之間差值的大小。
\[ \text{絕對誤差} = |\text{儀器讀數}-\text{經認證的 pH 值}| \]
對於 pH 4.00 的緩衝溶液：
\[ |4.18-4.00|=0.18 \]
對於 pH 7.00 的緩衝溶液：
\[ |7.12-7.00|=0.12 \]
對於 pH 10.00 的緩衝溶液：
\[ |9.76-10.00|=0.24 \]
因此，三個絕對誤差依次為 0.18、0.12 和 0.24 個 pH 單位。
評分指引（3 分）：
- 每個正確的絕對誤差得 1 分。
(b) 最大的絕對誤差
pH 10.00 的緩衝溶液具有最大的絕對誤差，為 0.24 個 pH 單位。
評分指引（1 分）：
- 指出 pH 10.00 的緩衝溶液及其誤差，得 1 分。
(c) 校正的目的
校正是將儀器的反應與已知 pH 值的溶液進行比較，並按需要調整儀器的反應。
使用涵蓋樣本預期 pH 範圍的新鮮緩衝溶液，有助於確保儀器在整個範圍內提供可靠的讀數。單一緩衝溶液本身不足以確定儀器在相差較大的其他 pH 值下，是否仍能準確反應。使用新鮮溶液亦可降低污染影響校正結果的風險。
評分指引（2 分）：
- 說明校正能根據已知數值確立或調整儀器的反應，得 1 分。
- 說明使用多種合適的緩衝溶液可檢查儀器在預期範圍內的反應，並指出新鮮緩衝溶液可降低污染風險，得 1 分。
第 2 題詳解
(a) 顯示的 pH 值變化
顯示的 pH 值由 3.82 上升至 4.02。隨著時間經過，pH 值上升的幅度逐漸減小，而最後兩次讀數相同。
評分指引（2 分）：
- 指出 pH 值整體由 3.82 上升至 4.02，得 1 分。
- 指出讀數在測量後期逐漸趨於穩定，得 1 分。
(b) 穩定的讀數
應報告的 pH 值為 4.02，並於 40 秒確認讀數穩定。
30 秒和 40 秒時的讀數均為 4.02。根據題目所述的規則，第二次出現相同讀數時，即可確認顯示的數值已穩定。
評分指引（2 分）：
- 寫出應報告的 pH 值為 4.02，得 1 分。
- 指出在 40 秒確認穩定，並將此時間與連續兩次相同的讀數聯繫起來，得 1 分。
(c) 為甚麼要等待讀數穩定？
探針對樣本作出反應時，儀器顯示的數值可能仍會改變。記錄仍在變化的數值，可能無法代表穩定的測量結果，亦會降低不同樣本之間比較的可靠性。
等待讀數穩定後才記錄，可確保採用一致的測量規則，並減少過早記錄數值所造成的誤差。
評分指引（2 分）：
- 解釋最初顯示的數值可能仍在變化，得 1 分。
- 說明穩定的讀數有助於提高結果的可靠性或可比較性，得 1 分。
(d) 受控制的條件
可接受的答案包括樣本溫度、探針浸入深度、樣本體積，或不同樣本之間沖洗探針的程序。
評分指引（1 分）：
- 指出一項應保持不變的相關條件，得 1 分。
第 3 題詳解
(a) 算術平均值
樣本 X：
\[ \begin{aligned} \text{平均 pH 值} &=\frac{3.21+3.23+3.22}{3}\\ &=\frac{9.66}{3}\\ &=3.22 \end{aligned} \]
樣本 Y：
\[ \begin{aligned} \text{平均 pH 值} &=\frac{5.78+5.80+5.79}{3}\\ &=\frac{17.37}{3}\\ &=5.79 \end{aligned} \]
樣本 X 顯示的 pH 平均值為 3.22，而樣本 Y 的平均值為 5.79。
這些數值是儀器讀數的算術平均值。由於 pH 是對數尺度，不能將這些平均值解讀為氫離子濃度的直接算術平均值。
評分指引（4 分）：
- 樣本 X 得 2 分：正確計算平均值，得 1 分；得出 3.22，得 1 分。
- 樣本 Y 得 2 分：正確計算平均值，得 1 分；得出 5.79，得 1 分。
(b) 酸性較強的樣本
樣本 X 的酸性較強，因為其平均 pH 值為 3.22，低於樣本 Y 的平均 pH 值 5.79。
評分指引（1 分）：
- 指出樣本 X，並以其較低的 pH 值支持答案，得 1 分。
(c) 精密度與準確度
每個樣本的讀數分散程度較小，表示測量具有良好的重複性，即精密度較高。各次讀數彼此接近。
然而，精密度並不能證明準確度。如果儀器存在系統性誤差，例如校正不正確，三次讀數仍可能彼此接近，但與真實 pH 值有差異。
評分指引（2 分）：
- 將讀數分散程度較小與良好的精密度或重複性聯繫起來，得 1 分。
- 解釋系統性誤差可能影響所有讀數，因此仍需要校正或其他準確度檢查，得 1 分。
第 4 題詳解
(a) 根據 pH 分類
- 樣本 A：酸性，因為其 pH 值為 2.8。
- 樣本 B：鹼性，因為其 pH 值為 7.1。
- 樣本 C：酸性，因為其 pH 值為 2.9。
評分指引（3 分）：
- 每項正確分類得 1 分。
(b) 最高導電度
樣本 A 的導電度最高，為 \(1.60\ \mathrm{mS\,cm^{-1}}\)。
評分指引（1 分）：
- 指出樣本 A，得 1 分。
(c) 解讀導電度
導電度衡量溶液傳導電流的能力。溶液中的可移動離子負責傳導電流。
導電度取決於溶液中離子的濃度及移動能力。它並不直接測量 pH，也不能單憑導電度判定溶液是酸性還是鹼性。
因此，即使樣本 B 的 pH 值為 7.1，它仍可能具有較高的導電度。溶解的離子可以提高導電度，而不一定會使溶液呈強酸性。
若要按照酸性強弱排列樣本，應使用 pH 探針。導電度可提供有關溶液導電能力的額外資訊，但不能取代 pH 測量來達成此目的。
評分指引（3 分）：
- 解釋可移動離子使溶液能夠傳導電流，得 1 分。
- 解釋導電度取決於離子含量，而不是 pH 的直接測量值，得 1 分。
- 將此區別應用於樣本 B，或解釋為甚麼單憑導電度不能排列酸性強弱，得 1 分。
第 5 題詳解
(a) 程序中的缺點
以下任意兩項均可接受：
- 只使用 pH 7.00 緩衝溶液，無法確定儀器在更廣泛的預期 pH 範圍內的反應。
- 使用同一個燒杯而沒有沖洗，可能導致一個樣本的物質轉移至下一個樣本。
- 記錄第一個顯示的數值，可能得到尚未穩定的讀數。
- 每個地點只採集一份樣本，無法充分了解該地點內部的樣本變異。
評分指引（2 分）：
- 每指出一項不同且合理的缺點，得 1 分。
(b) 改進方法及其效果
有多種合理的做法。以下是一些例子：
| 缺點 | 改進方法 | 改進原因 |
|---|---|---|
| 只使用一種緩衝溶液進行校正。 | 使用涵蓋樣本預期 pH 範圍的合適新鮮緩衝溶液進行校正。 | 檢查儀器在更廣泛 pH 範圍內的反應。 |
| 使用同一個燒杯而沒有沖洗。 | 使用不同的乾淨且有標記的容器，或在不同樣本之間適當清洗燒杯。 | 降低樣本之間交叉污染的風險。 |
| 記錄第一個顯示的數值。 | 等待顯示的讀數穩定後才記錄。 | 減少因記錄仍在變化的數值而造成的誤差。 |
| 每個地點只採集一份樣本。 | 使用一致的取樣方法，採集數份獨立樣本。 | 提供有關各地點內部變異的證據。 |
評分指引（4 分）：
- 每處理一項缺點得 2 分：提出具體且合適的改進方法，得 1 分；解釋該方法如何改善測量或取樣品質，得 1 分。
- 每項改進方法必須對應 (a) 部分指出的一項缺點。
四個階段進行可靠的 pH 測量
- 校正
使用新鮮且合適的 pH 緩衝溶液。
涵蓋樣本預期的 pH 範圍。
- 採集並標記
採集獨立樣本。
使用乾淨、分開且有標記的容器。
- 仔細測量
測量不同樣本之間，沖洗探針。
等待讀數穩定。
- 重複測量並檢查
重複測量並檢查儀器性能。
完成這些檢查後才比較結果。
(c) 重複讀數與獨立樣本
對同一個容器中的樣本進行重複測量，主要是評估測量的重複性。獨立樣本則還能提供有關從該地點採集的不同樣本之間變異的資訊。
評分指引（1 分）：
- 區分儀器測量的重複性與獨立採集樣本之間的變異，得 1 分。
第 6 題詳解
(a) 平均導電度
樣本 P：
\[ \begin{aligned} \text{平均導電度} &=\frac{0.42+0.44}{2}\\ &=0.43\ \mathrm{mS\,cm^{-1}} \end{aligned} \]
樣本 Q：
\[ \begin{aligned} \text{平均導電度} &=\frac{0.87+0.89}{2}\\ &=0.88\ \mathrm{mS\,cm^{-1}} \end{aligned} \]
樣本 P 的平均導電度為 \(0.43\ \mathrm{mS\,cm^{-1}}\)，樣本 Q 的平均導電度為 \(0.88\ \mathrm{mS\,cm^{-1}}\)。
評分指引（2 分）：
- 樣本 P 的平均值正確，得 1 分。
- 樣本 Q 的平均值正確，得 1 分。
(b) 樣本 R 的一致性
樣本 R 兩次讀數之間的絕對差值為：
\[ \begin{aligned} \text{差值} &=|0.71-0.43|\\ &=0.28\ \mathrm{mS\,cm^{-1}} \end{aligned} \]
樣本 P 和 Q 的讀數差值均為：
\[ |0.44-0.42|=0.02\ \mathrm{mS\,cm^{-1}} \]
\[ |0.89-0.87|=0.02\ \mathrm{mS\,cm^{-1}} \]
樣本 R 的一致性明顯低於樣本 P 和 Q。應調查樣本 R 的兩次讀數，而不應自動將它們視為同樣可靠的測量結果。
評分指引（2 分）：
- 得出絕對差值為 \(0.28\ \mathrm{mS\,cm^{-1}}\)，得 1 分。
- 指出樣本 R 的讀數遠不如樣本 P 和 Q 一致，得 1 分。
(c) 儀器穩定性及後續步驟
參考溶液的預期導電度為 \(1.00\ \mathrm{mS\,cm^{-1}}\)。
測量開始前，測得的數值為 \(1.03\ \mathrm{mS\,cm^{-1}}\)。此數值與預期值之間的絕對差值為：
\[ |1.03-1.00|=0.03\ \mathrm{mS\,cm^{-1}} \]
此差值在允許的 \(0.05\ \mathrm{mS\,cm^{-1}}\) 以內，因此初始檢查合格。
測量結束後，測得的數值為 \(1.20\ \mathrm{mS\,cm^{-1}}\)：
\[ |1.20-1.00|=0.20\ \mathrm{mS\,cm^{-1}} \]
此差值超出允許範圍。測量結束後的檢查不合格，這表示儀器的性能在測量過程中可能已經發生變化。
技術人員不應將整組數據直接視為已通過驗證。應在適當情況下重新校正探針，再次使用參考溶液檢查，並在確認儀器性能合格後重新測量樣本。由於樣本 R 的重複讀數差異很大，也應重新測量樣本 R。
評分指引（4 分）：
- 指出初始檢查合格，因為偏差為 \(0.03\ \mathrm{mS\,cm^{-1}}\)，得 1 分。
- 指出最後一次檢查不合格，因為偏差為 \(0.20\ \mathrm{mS\,cm^{-1}}\)，得 1 分。
- 得出結論，指出儀器在整個測量過程中未能證明其性能保持穩定，得 1 分。
- 建議重新校正、使用參考溶液再次驗證，以及在接受比較結果之前重新測量受影響的樣本，得 1 分。