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109學測自然試題-60

西元2019年，諾貝爾化學獎頒給對鋰離子電池研究有重大貢獻的學者，鋰離子電池作用原理是利用鋰離子在兩電極之間的移動來充放電能。常見的鋰離子電池使用鋰離子嵌入石墨當作陽極，石墨的二維多層結構有助於與鋰離子結合以及移動，因此可作為電池之陽極材料，在放置時其他學反應如下（\( C_6 \)表示每六個碳原子可以嵌入一個鋰離子）：
\[LiC_6 \rightleftharpoons C_6 + Li^+ + e^- \quad (\text{式1})\]
常用的陰極材料為氧化鈉等能與鋰離子結合的氧化物，在放置時其他學反應為：
\[CoO_2 + Li^+ + e^- \rightleftharpoons LiCoO_2 \quad (\text{式2})\]
結合式1與式2，放置時電池總反應為：
\[CoO_2 + LiC_6 \rightleftharpoons LiCoO_2 + C_6 \quad (\text{式3})\]
此反應在正常操作下為可逆反應，因此鋰離子電池可以反覆充放電。下列敘述哪些正確？（應選2項）
(A)在放置反應中（式3），石墨作為氧化劑
(B)將石墨換成鐵石材料的三維結構，應可儲存更多鋰離子，讓電池更有效率
(C)式3的反應由左到右為放熱反應
(D)放置時，鋰離子與電子由石墨層中釋放出來
(E)鋰離子電池破裂後有起火爆炸的危險，因為鋰離子活性很高，遇水會燃燒

[多選題]

答案

放電時：陽極(負極)LiC₆ → C₆ + Li⁺ + e⁻ (氧化)，石墨被氧化，是還原劑(A錯)。陰極(正極)CoO₂ + Li⁺ + e⁻ → LiCoO₂ (還原)。(B)鑽石為三維結構，但導電性差，且不易嵌入Li⁺，實用性低，錯。(C)放電反應通常為自發，放熱，對。(D)放電時，陽極LiC₆釋出Li⁺和e⁻，對。(E)鋰離子電池危險主因是短路、有機電解液易燃等，鋰離子本身不似金屬鋰活潑，錯。故(C)(D)正確。

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109學測自然試題-61

某一金屬離子溶液，其實驗結果如下：
（1）加入碘離子或氯離子於溶液中，皆會形成沉澱
（2）將鎳金屬片放入此金屬離子溶液中，發現溶液由無色轉變為綠色
（3）將銅片放入此金屬離子溶液中，會發生氧化還原反應
下列何者為此金屬離子？
(A)鐵（Ⅲ）離子 (B)銀離子 (C)銅離子
(D)鉛離子 (E)汞離子

[單選題]

答案

(1)加I⁻或Cl⁻皆沉澱，表示該離子與I⁻、Cl⁻形成難溶鹽。Ag⁺與Cl⁻、I⁻皆沉澱(B可能)。Pb²⁺與I⁻沉澱(PbI₂)，與Cl⁻在冷水中沉澱(PbCl₂)(D可能)。Hg₂²⁺與I⁻、Cl⁻沉澱？Hg²⁺與I⁻沉澱(HgI₂)，與Cl⁻? HgCl₂可溶(E排除)。Fe³⁺與I⁻發生氧化還原，不形成FeI₃沉澱(A排除)。Cu²⁺與I⁻發生氧化還原生成CuI沉澱和I₂，與Cl⁻不沉澱(C排除)。(2)Ni片放入，溶液變綠色。Ni可還原某些金屬離子，若還原Ag⁺則生成Ni²⁺(綠色)？Ni²⁺水合離子為綠色。但Ag⁺被還原為Ag(s)，溶液應無色，不會變綠(B排除)。Pb²⁺被Ni還原為Pb(s)，溶液無色？Ni²⁺綠色，若反應發生，生成Ni²⁺則溶液變綠，符合(2)。(3)Cu片放入發生氧化還原。Cu可還原Pb²⁺嗎？標準還原電位E°(Pb²⁺/Pb) = -0.13 V，E°(Cu²⁺/Cu)=+0.34 V，E°(Ni²⁺/Ni)=-0.25 V。Cu不能還原Pb²⁺(E°(Pb²⁺/Pb) > E°(Ni²⁺/Ni)，但E°(Pb²⁺/Pb) < E°(Cu²⁺/Cu)，故Cu不能自發還原Pb²⁺(D排除)。重新考慮(3) Cu片發生反應，表示該金屬離子氧化性比Cu²⁺強，可氧化Cu。Ag⁺可氧化Cu：2Ag⁺ + Cu → 2Ag + Cu²⁺，但(2)中Ni還原Ag⁺生成Ni²⁺(綠色)符合。且(1)Ag⁺與Cl⁻、I⁻皆沉澱。故答案(B)銀離子。

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109學測自然試題-62

依照距離地球出近而遠排列：月球、木星、織女星、X、仙女座星系。X最可能是下列何者？
(A)室女座星系團 (B)哈雷彗星 (C)天王星
(D)銀河系中心 (E)冥王星

[單選題]

答案

月球(38萬 km) < 木星(距太陽約5.2 AU，距地球約4-6 AU) < 織女星(約25光年，銀河系內恆星) < 銀河系中心(約2.6萬光年) < 仙女座星系(約250萬光年)。X在織女星和仙女座星系之間，應為銀河系內天體，但比鄰近恆星(織女星)遠。選項中(D)銀河系中心距離約2.6萬光年，符合。室女座星系團約5千萬光年，比仙女座遠(A錯)。哈雷彗星、天王星、冥王星均比織女星近。故(D)正確。

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109學測自然試題-63

已知未飽和空氣塊的溫度直減率約為10°C/公里，飽和空氣塊的溫度直減率約為6°C/公里。若觀測員在地面空地重到氣溫、露點溫度皆為30°C，則在地面的一個空氣塊，若不與環境交換熱量，上升到2公里高度時，其氣溫、露點溫度為下列何者？
(A)氣溫10°C、露點溫度10°C (B)氣溫10°C、露點溫度18°C
(C)氣溫18°C、露點溫度18°C (D)氣溫18°C、露點溫度30°C
(E)氣溫30°C、露點溫度30°C

[單選題]

答案

地面氣溫=露點=30°C，表示空氣已飽和。上升過程用飽和直減率6°C/km。上升2km，降溫12°C，氣溫=30-12=18°C。飽和空氣上升時，隨著降溫和凝結，露點溫度也會降低，因部分水汽凝結移除。飽和上升時，露點溫度降低速率約等於氣溫降低速率（因始終飽和，露點≈氣溫）。故到2km高時，氣溫≈露點≈18°C。答案(C)。

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109學測自然試題-64

如果某大氣模式涵蓋範圍為臺灣所在的東亞地區，該模式在水平方向無法解析小於60公里的大氣系統變化。這樣的模式適合處理下列哪一種大氣現象？
(A)鋒面的位置
(B)龍捲風的位置
(C)午後熱對流的強度
(D)聖嬰現象發生時，整個赤道太平洋海面上的大氣變化
(E)颱風侵襲臺灣時，受颱風影響範圍內街道上的最大風速

[單選題]

答案

解析度60km無法解析中小尺度系統。龍捲風(<<1km)、午後熱對流(1-10km)、街道風速(<<1km)均無法解析(B，C，E錯)。聖嬰現象是氣候尺度，但模式範圍僅東亞，不涵蓋整個赤道太平洋(D錯)。鋒面系統尺度數百公里，可解析(A對)。

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109學測自然試題-65

科學家主要利用聲波來探測海洋，一般海水的垂直聲速結構如圖17所示，考量海水溫度及壓力的垂直變化，推測海水溫度與壓力對海水聲速的可能影響。（應選2項）

影響因子	溫度	壓力
海水中的聲速變化	(A)海水溫度越高，則	(D)海水壓力越高，則
	(B)海水溫度越低，則	(E)海水壓力越低，則
	(C)海水聲速不受影響	(F)海水聲速不受影響

[多選題]

答案

海水聲速隨溫度升高而增加(A對)。隨壓力(深度)增加而增加(D對)。故選(A)(D)。

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109學測自然試題-66

科學家透過各種地質探勘後，繪製出某地區的地層示意圖（圖18），假設此露頭不會經過地層倒轉，則下列敘述哪些正確？（應選2項）
(A)岩層的生成順序可能是A－B－I－C－D
(B)岩層的生成順序可能為A－B－C－D－I
(C)該火成岩形似火山，A、B先生成，火山I和C同時形成
(D)根據載切定律，比比A、B和C早生成
(E)缺乏化石和定年資料，無法判斷岩層的確切年代

[多選題]

答案

圖18中，A，B，C，D為沉積岩層，I為火成岩侵入。(A) I侵入A，B，C，故I晚於A，B，C，但早於D（因D未被侵入），順序可能A-B-C-I-D或A-B-C-D-I？若I是火山頸，可能與C同時？但圖中I切穿C，故I晚於C。(B) A-B-C-D-I，I最晚，可能。(C) I若為火山，可能與噴發沉積物同時，但圖中I切穿C，故I晚於C，不一定同時。(D) I切穿A，B，C，故I晚於A，B，C，錯。(E)對，無定年資料無法確切年代。故(B)(E)正確。

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109學測自然試題-67

以下短文有不少謬誤，下列以粗體底線標示的敘述哪些正確？（應選3項）
人類生活對石油的依賴甚深；然而(A)石油是化石燃料的一種，屬於非再生資源，終有枯竭的一天，且大量使用石油已對地球環境與其永續發展造成了許多負面的衝擊。
石油常作為燃料，是許多機具運作的能量來源，但是(B)石油的燃燒會釋放出大量的二氧化碳到氣圈中，強化溫室效應。這已被認為是今日全球暖化的主因，且(C)二氧化碳進入平流層後，會與臭氧產生反應，導致臭氧洞的產生；此外，大氣中二氧化碳氣體聯增的結果，亦使得海洋中溶解、吸收的二氧化碳顯然增加，二氧化碳被海水吸收後會形成碳酸，造成了海洋酸化。(D)海洋中具物質載體的生物，例如：砂藻，將首當其衝受到熱體溶解的威脅，生態系統也將岌岌可危。
石油亦是塑膠製品的原料，而塑膠多難以自然分解，眾多未被妥善回收的廢棄塑膠製品會到達海洋。(E)在北太平洋環流系統包圍中的中央海域中，那裡流速緩慢，也發現有塑膠碎屑聚集的大型區塊，由於這些碎屑在海水中過於富集，已嚴重破壞海洋生態環境。

[多選題]

答案

(A)石油是非再生資源，正確。(B)燃燒石油釋CO₂，強化溫室效應，是全球暖化主因之一，正確。(C)CO₂主要在对流層，導致溫室效應；臭氧洞主因是CFCs，非CO₂，錯誤。(D)「熱體溶解」應為「殼體溶解」，指碳酸鈣殼因海洋酸化溶解，矽藻具矽質殼，不易受酸化溶解，錯誤。(E)北太平洋垃圾帶確實存在，正確。故(A)(B)(E)正確。

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