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IB 化學 SL Paper 2 模擬卷（第三份・10 題・50 分・75 分鐘・可用計算機）
練習卷 · IB 化學
IB 化學 SL Paper 2 第三份模擬卷：10 題、50 分、限時 75 分鐘，可用計算機，涵蓋理想氣體、限量試劑與產率、週期性、分子形狀、電解與法拉第定律、反應級數、化學平衡、酯化、赫斯定律及儀器分析。所有題目均為原創。
卷面資料 年級：IB DP 第一年（Grade 11） ｜ 科目：化學 ｜ 時限：75 分鐘 ｜ 總分：50 分 ｜ 題數：10
甲部（第 1 至 5 題・25 分）
全部題目均須作答。本卷可用計算機。計算題須展示步驟，數值答案取三位有效數字（另有指明者除外），並在答案末標明單位。所有數據為示例，並非任何考試機構的歷屆試題。
| # | 題目 | 答案與評分要點 |
|---|---|---|
| 1 | 在 298 K、101.3 kPa 下，一個容器內有 2.80 g 氮氣（N₂，摩爾質量 28.0 g mol⁻¹）。 (a) 計算氮氣的摩爾數。 (b) 用理想氣體方程 PV ＝ nRT 計算該氣體在該條件下的體積（dm³，R ＝ 8.314 J K⁻¹ mol⁻¹）。 (c) 在壓力不變下把溫度升至 350 K，計算新的體積（dm³）。 (d) 在同溫同壓下，把 2.80 g 氮氣換成 2.80 g 氦氣（He，摩爾質量 4.00 g mol⁻¹），求新體積是原體積的多少倍。 (e) 說明為何真實氣體在極高壓下會明顯偏離理想氣體方程。 |
(a) n ＝ 2.80 ÷ 28.0 ＝ 0.100 mol。 (b) V ＝ nRT ÷ P ＝ (0.100 × 8.314 × 298) ÷ 101.3 ＝ 2.445 dm³，取三位有效數字為 2.45 dm³。 (c) 壓力不變時 V 與 T 成正比（查理定律）：V ＝ 2.445 × 350 ÷ 298 ＝ 2.872 dm³，即約 2.87 dm³。 (d) n(He) ＝ 2.80 ÷ 4.00 ＝ 0.700 mol，是氮氣的 7.00 倍；同溫同壓下體積與摩爾數成正比，故體積為原來的 7.00 倍。 (e) 高壓時氣體分子之間的距離變小，分子本身的體積不能再忽略，分子之間的吸引力亦變得顯著，令實際體積大於理想值、壓力低於理想值，所以偏離理想氣體方程。 評分要點：(a) 1 分、(b) 1 分、(c) 1 分、(d) 1 分、(e) 1 分。 |
| 2 | 哈伯法製氨的反應：N₂(g) ＋ 3H₂(g) → 2NH₃(g)。把 0.250 mol 氮氣與 0.600 mol 氫氣放入反應器（N₂ 摩爾質量 28.0、H₂ 摩爾質量 2.00、NH₃ 摩爾質量 17.0 g mol⁻¹）。 (a) 計算完全反應 0.250 mol 氮氣所需氫氣的摩爾數。 (b) 判斷哪一種反應物是限量試劑，並說明理由。 (c) 計算理論上可生成的氨的摩爾數。 (d) 計算理論上可生成的氨的質量（g）。 (e) 若實際產率為 80%，計算實際生成的氨的質量（g），並指出反應器中剩餘的氮氣摩爾數。 |
(a) n(H₂) 需要 ＝ 0.250 × 3 ＝ 0.750 mol。 (b) 氫氣是限量試劑：0.600 mol 氫氣只可與 0.200 mol 氮氣反應，少於提供的 0.250 mol，故氫氣先用盡。 (c) 由方程式，n(NH₃) ＝ 2 × 0.200 ＝ 0.400 mol。 (d) m(NH₃) ＝ 0.400 × 17.0 ＝ 6.81 g。 (e) 實際 n(NH₃) ＝ 0.400 × 0.80 ＝ 0.320 mol，質量 ＝ 0.320 × 17.0 ＝ 5.45 g；剩餘氮氣 ＝ 0.250 − 0.200 ＝ 0.050 mol。 評分要點：(a) 1 分、(b) 1 分、(c) 1 分、(d) 1 分、(e) 1 分。 |
| 3 | 第一游離能（kJ mol⁻¹）：Na 496、Mg 738、Al 577、Si 786、P 1012、Cl 1251、Ne 2081。 (a) 寫出 Na、Mg、Al 的電子排布（以 1s² 2s² 2p⁶ … 形式表示）。 (b) 解釋為何 Al 的第一游離能低於 Mg。 (c) 解釋為何 P 的第一游離能高於 Si。 (d) 描述由 Na 到 Cl 原子半徑的變化趨勢並解釋原因。 (e) 解釋為何 Ne 的第一游離能在同週期中最高。 |
(a) Na：1s² 2s² 2p⁶ 3s¹；Mg：1s² 2s² 2p⁶ 3s²；Al：1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p¹。 (b) Al 最外層電子在 3p 軌域，能量高於 Mg 的 3s 電子，且 3s 電子對 3p 電子有較強的屏蔽作用，令 3p 電子較易移去；Mg 失去 3s² 後留下全滿的 2p⁶，較穩定。 (c) Si 的外層排布為 3p²，P 為 3p³；3p³ 是半滿的穩定結構，電子成對排斥較小，加上有效核電荷增加，故 P 的第一游離能較高。 (d) 由 Na 到 Cl 原子半徑逐漸減小：核電荷由 ＋11 增至 ＋17，而新增電子加入同一電子層，屏蔽效應增加不多，有效核電荷上升，把電子層拉近原子核。 (e) Ne 的電子排布為 1s² 2s² 2p⁶，第二電子層全滿，電子不易移去；加上同週期中核電荷最大而電子層數相同，故第一游離能最高。 評分要點：(a) 1 分、(b) 1 分、(c) 1 分、(d) 1 分、(e) 1 分。 |
| 4 | 考慮 CH₄、NH₃、H₂O、BF₃ 及 CO₂ 五種分子。 (a) 寫出 CH₄ 的電子域數目、分子形狀及 H−C−H 鍵角。 (b) 寫出 NH₃ 的分子形狀及 H−N−H 鍵角，並解釋為何小於 CH₄。 (c) 寫出 H₂O 的分子形狀及 H−O−H 鍵角，並解釋與 NH₃ 的差異。 (d) BF₃ 為平面三角形而非三角錐形，解釋原因。 (e) CO₂ 為直線形且整體沒有淨偶極矩，解釋原因。 |
(a) CH₄：4 個電子域（4 條成鍵電子對、0 對孤對電子），四面體形，H−C−H 鍵角 109.5°。 (b) NH₃：3 個成鍵電子對加 1 對孤對電子，三角錐形，H−N−H 鍵角 107°；孤對電子的排斥力大於成鍵電子對，把三條 N−H 鍵壓得更近，故小於 109.5°。 (c) H₂O：2 個成鍵電子對加 2 對孤對電子，V 形（角形），H−O−H 鍵角 104.5°；兩對孤對電子排斥更大，故比 NH₃ 的 107° 更小。 (d) BF₃ 的中心硼原子只有 3 個電子域（3 條 B−F 鍵），沒有孤對電子，電子域互相排斥至最遠時呈平面三角形，鍵角 120°；三角錐形須有 4 個電子域，與電子數不符。 (e) CO₂ 的中心碳原子有 2 個電子域（兩條 C＝O 雙鍵），電子域相距 180°，分子為直線形；兩條 C＝O 鍵的偶極矩大小相等、方向相反，互相抵消，故淨偶極矩為零。 評分要點：(a) 1 分、(b) 1 分、(c) 1 分、(d) 1 分、(e) 1 分。 |
| 5 | 以 0.500 A 的電流電解硫酸銅（CuSO₄）溶液 30.0 分鐘，陽極為惰性電極，陰極析出銅（Cu，摩爾質量 63.55 g mol⁻¹）。法拉第常數 F ＝ 96500 C mol⁻¹，室溫摩爾氣體體積 24.0 dm³。 (a) 計算通過電路的電量（C）。 (b) 計算通過的電子摩爾數。 (c) 寫出陰極的半反應式，並計算析出的銅的質量（g）。 (d) 寫出陽極的半反應式，並計算室溫下生成氧氣的體積（cm³）。 (e) 若電流效率只有 90%，說明析出銅的質量如何改變。 |
(a) Q ＝ I × t ＝ 0.500 × 1800 ＝ 900 C。 (b) n(e⁻) ＝ 900 ÷ 96500 ＝ 9.3264e-03 mol。 (c) 陰極：Cu²⁺ ＋ 2e⁻ → Cu；n(Cu) ＝ 9.3264e-03 ÷ 2 ＝ 4.6632e-03 mol，m ＝ 4.6632e-03 × 63.55 ＝ 0.296 g。 (d) 陽極：2H₂O → O₂ ＋ 4H⁺ ＋ 4e⁻；n(O₂) ＝ 9.3264e-03 ÷ 4 ＝ 2.3316e-03 mol，V ＝ 2.3316e-03 × 24.0 ＝ 0.0560 dm³，即約 56.0 cm³。 (e) 電流效率 90% 表示只有 90% 電量用於析出銅，故 n(Cu) 與質量均變為原來的 0.90 倍，質量約為 0.267 g；其餘電量可能用於其他還原反應（例如水的還原放出氫氣）。 評分要點：(a) 1 分、(b) 1 分、(c) 1 分、(d) 1 分、(e) 1 分。 |
乙部（第 6 至 10 題・25 分）
全部題目均須作答。本卷可用計算機。計算題須展示步驟，數值答案取三位有效數字（另有指明者除外），並在答案末標明單位。所有數據為示例，並非任何考試機構的歷屆試題。
| # | 題目 | 答案與評分要點 |
|---|---|---|
| 6 | 反應 A ＋ B → C 的初始速率數據如下（同溫度）： 實驗 1：[A] ＝ 0.10 mol dm⁻³、[B] ＝ 0.10 mol dm⁻³、初始速率 ＝ 2.0 × 10⁻³ mol dm⁻³ s⁻¹ 實驗 2：[A] ＝ 0.20 mol dm⁻³、[B] ＝ 0.10 mol dm⁻³、初始速率 ＝ 4.0 × 10⁻³ mol dm⁻³ s⁻¹ 實驗 3：[A] ＝ 0.20 mol dm⁻³、[B] ＝ 0.20 mol dm⁻³、初始速率 ＝ 1.6 × 10⁻² mol dm⁻³ s⁻¹ (a) 求反應對 A 的級數。 (b) 求反應對 B 的級數。 (c) 寫出速率方程並求總反應級數。 (d) 計算速率常數 k 的數值及單位。 (e) 計算 [A] ＝ 0.15 mol dm⁻³、[B] ＝ 0.25 mol dm⁻³ 時的初始速率。 |
(a) 比較實驗 1 與 2：[A] 加倍而 [B] 不變，速率由 2.0 × 10⁻³ 增至 4.0 × 10⁻³，即 2 倍，故對 A 為一級。 (b) 比較實驗 2 與 3：[A] 不變，[B] 由 0.10 增至 0.20（2 倍），速率由 4.0 × 10⁻³ 增至 1.6 × 10⁻²，即 4 倍，故對 B 為二級。 (c) 速率方程：速率 ＝ k[A][B]²；總反應級數 ＝ 1 ＋ 2 ＝ 3。 (d) k ＝ 速率 ÷ ([A][B]²) ＝ 2.0 × 10⁻³ ÷ (0.10 × 0.10²) ＝ 2.0 mol⁻² dm⁶ s⁻¹。 (e) 速率 ＝ 2.0 × 0.15 × 0.25² ＝ 0.01875 ≈ 0.0187 mol dm⁻³ s⁻¹，即約 1.9 × 10⁻² mol dm⁻³ s⁻¹。 評分要點：(a) 1 分、(b) 1 分、(c) 1 分、(d) 1 分、(e) 1 分。 |
| 7 | 工業製氨：N₂(g) ＋ 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g)，ΔH ＝ −92 kJ mol⁻¹。 (a) 說明提高總壓力對氨的平衡產量的影響及其原因。 (b) 說明提高溫度對氨的平衡產量及反應速率的影響。 (c) 說明把氨不斷冷凝移走對平衡的影響。 (d) 說明加入鐵催化劑對平衡位置及達平衡時間的影響。 (e) 解釋為何工業上採用約 450 °C 而不用更低的溫度。 |
(a) 提高總壓力使平衡向氣體摩爾數較少的一方移動：左邊 4 mol 氣體、右邊 2 mol 氣體，故向右移動，氨的平衡產量增加。 (b) 提高溫度使平衡向吸熱方向（即向左）移動，氨的平衡產量減少；但同時分子平均動能增加，有效碰撞增多，正逆反應速率都加快。 (c) 冷凝移走氨令生成物濃度下降，平衡位置向右移動，氨的產量增加（勒沙特列原理）。 (d) 催化劑只降低反應的活化能，令正逆反應速率同等加快，達平衡所需的時間縮短；平衡位置與平衡產量不變。 (e) 溫度太低雖然有利於放熱的生成方向，但反應速率過慢，需要很長時間才達平衡；450 °C 是產量、速率與能源成本之間的折衷，配合高壓與催化劑可獲得合理的整體產量。 評分要點：(a) 1 分、(b) 1 分、(c) 1 分、(d) 1 分、(e) 1 分。 |
| 8 | 把 0.100 mol 乙酸（CH₃COOH）與過量乙醇在濃硫酸催化下加熱迴流，生成乙酸乙酯。 (a) 寫出此酯化反應的平衡方程式並指出所需催化劑。 (b) 寫出生成物的系統名稱及分子式。 (c) 已知酯的摩爾質量為 88.0 g mol⁻¹，若產率為 80%，計算生成酯的質量（g）。 (d) 寫出分子式 C₄H₈O₂ 的另外兩個酯異構物的名稱。 (e) 說明為何反應使用加熱迴流，並在反應後以分餾把酯分離。 |
(a) CH₃COOH ＋ C₂H₅OH ⇌ CH₃COOC₂H₅ ＋ H₂O；催化劑為濃硫酸（同時作脫水劑）。 (b) 乙酸乙酯（ethyl ethanoate），分子式 C₄H₈O₂。 (c) 理論 n(酯) ＝ 0.100 mol；實際 n ＝ 0.100 × 0.80 ＝ 0.080 mol，質量 ＝ 0.080 × 88.0 ＝ 7.05 g。 (d) 另外兩個酯異構物：甲酸丙酯（propyl methanoate）與甲酸異丙酯（1-methylethyl methanoate）；亦可寫丙酸甲酯（methyl propanoate）。 (e) 酯化是可逆且緩慢的反應，加熱可提高速率，迴流使揮發性的乙醇與乙酸冷凝回流，避免反應物損失並提高產率；反應後各成分沸點不同，分餾可分離出沸點較低的酯。 評分要點：(a) 1 分、(b) 1 分、(c) 1 分、(d) 1 分、(e) 1 分。 |
| 9 | 標準生成焓（kJ mol⁻¹）：CH₄(g) −75、CO₂(g) −394、H₂O(l) −286。 (a) 寫出「標準生成焓」的定義（包含標準狀態的條件）。 (b) 寫出甲烷燃燒的平衡方程式，並標明各物質的狀態。 (c) 以簡單能量循環（或公式）表示如何由生成焓求燃燒焓。 (d) 計算甲烷的標準燃燒焓（kJ mol⁻¹）。 (e) 說明為何用鍵焓計算會得到不同的數值。 |
(a) 標準生成焓是指在標準壓力（1 bar，約 100 kPa）及指定溫度（通常 298 K）下，由元素在其標準狀態生成 1 mol 該化合物時的反應焓變。 (b) CH₄(g) ＋ 2O₂(g) → CO₂(g) ＋ 2H₂O(l)。 (c) ΔH_c ＝ ΣΔH_f(生成物) − ΣΔH_f(反應物)，即 ΔH_c ＝ [ΔH_f(CO₂) ＋ 2ΔH_f(H₂O)] − [ΔH_f(CH₄) ＋ 2ΔH_f(O₂)]，而元素的標準生成焓為零。 (d) ΔH_c ＝ [(-394) ＋ 2 × (-286)] − [(-75) ＋ 0] ＝ -966 ＋ 75 ＝ -891 kJ mol⁻¹。 (e) 鍵焓是氣態分子的平均鍵能，計出的數值對應所有物質均為氣態的情況；標準燃燒焓中水為液態，水蒸氣凝結會額外放出能量，加上鍵焓取平均值，故兩者數值不同。 評分要點：(a) 1 分、(b) 1 分、(c) 1 分、(d) 1 分、(e) 1 分。 |
| 10 | 化合物 X 只含碳、氫、氧。質譜顯示分子離子峰在 m/z ＝ 60，另有明顯碎片峰 m/z ＝ 43 與 45。紅外光譜在 2500 至 3300 cm⁻¹ 有寬而強的吸收，亦在約 1700 cm⁻¹ 有強吸收。 (a) 由質譜判斷 X 的相對分子質量。 (b) 指出紅外光譜兩個吸收帶所對應的官能基。 (c) 已知摩爾質量為 60.0 g mol⁻¹，推導 X 的分子式（C、H、O 的相對原子質量分別為 12.0、1.0、16.0）。 (d) 綜合上述資料，指出 X 的名稱。 (e) 解釋 m/z ＝ 45 碎片峰的來源。 |
(a) 分子離子峰的 m/z ＝ 60，故 X 的相對分子質量為 60。 (b) 2500 至 3300 cm⁻¹ 的寬強吸收對應 O−H 的伸縮振動（羧酸的氫鍵締合）；約 1700 cm⁻¹ 的強吸收對應 C＝O 的伸縮振動。 (c) 設分子式為 CxHyOz：12x ＋ y ＋ 16z ＝ 60。羧酸含兩個氧（z ＝ 2），餘 12x ＋ y ＝ 28：x ＝ 2 時 y ＝ 4，得 C₂H₄O₂，摩爾質量 ＝ 24 ＋ 4 ＋ 32 ＝ 60，與題相符。 (d) X 含 O−H 與 C＝O 且為二聚的羧酸，分子式 C₂H₄O₂，故 X 是乙酸（ethanoic acid，CH₃COOH）。 (e) m/z ＝ 45 對應失去一個甲基（−15）後的 CH₃O₂⁺ 或 COOH⁺ 碎片；m/z ＝ 43 則對應失去羥基（−17）後的 CH₃CO⁺ 碎片，與乙酸的結構相符。 評分要點：(a) 1 分、(b) 1 分、(c) 1 分、(d) 1 分、(e) 1 分。 |
TutorZone 練習卷｜題目與文章為原創，並非任何學校或出版社的教材。
