113學測自然 第13題 詳解

〔12–13 題為題組〕黃鐵礦（$\mathrm{FeS_2}$）是地表上主要礦物之一，通常與他種岩石的硫化物或氧化物伴生。地質學家為了解黃鐵礦成分，進行以下的實驗，其實驗步驟如下：
步驟 1　將黃鐵礦實驗樣品磨成粉末，於 3 個錐形瓶（標號 1～3）中分別放置 0.35 克樣品，並加入 50 mL 的酸性溶液。
步驟 2　將 3 個錐形瓶置放在室溫，但不同氧氣分壓下。
步驟 3　經過一天後，取出 20 mL 上層澄清液，測量溶液中含鐵總濃度（$[\mathrm{Fe_{total}}]$，包含 Fe(II) 與 Fe(III)）、$\mathrm{SO_4^{2-}}$ 濃度（$[\mathrm{SO_4^{2-}}]$）及含硫總濃度（$[\mathrm{S_{total}}]$，包含 $[\mathrm{SO_4^{2-}}]$ 與其它含硫物質濃度）。

上述含硫總濃度是先用化學方法，將溶液中所有硫化物氧化成 $\mathrm{SO_4^{2-}}$ 後，再加以測量，實驗結果列於表 1。

表 1　黃鐵礦樣品在不同氧氣分壓下溶解後成分分析
| 樣品 | 氧氣的分壓（atm） | $[\mathrm{Fe_{total}}]$（mM） | $[\mathrm{SO_4^{2-}}]/[\mathrm{Fe_{total}}]$ | $[\mathrm{S_{total}}]/[\mathrm{Fe_{total}}]$ |
| 1 | 0.21 | $2.4\times10^{-2}$ | 1.46 | 1.74 |
| 2 | $3.0\times10^{-3}$ | $1.4\times10^{-3}$ | 1.39 | 1.72 |
| 3 | $3.3\times10^{-5}$ | $3.8\times10^{-4}$ | 1.24 | 1.70 |

下列實驗觀察哪些為合理敘述？（應選 3 項）
(A) 理論上純度 100% 的黃鐵礦樣品，其 $[\mathrm{S_{total}}]/[\mathrm{Fe_{total}}]$ 值應該為 2
(B) 黃鐵礦在酸性溶液中，會隨氧氣分壓增高而減少其溶解的量
(C) 此實驗黃鐵礦樣品中可能含有氧化鐵，所以量測 $[\mathrm{S_{total}}]/[\mathrm{Fe_{total}}]$ 的值小於 2
(D) 在純氮氣下操作此實驗，$[\mathrm{SO_4^{2-}}]/[\mathrm{Fe_{total}}]$ 的值會大於 1.46
(E) 表 1 中，$[\mathrm{SO_4^{2-}}]/[\mathrm{Fe_{total}}]$ 值比 $[\mathrm{S_{total}}]/[\mathrm{Fe_{total}}]$ 值小，表示在氧氣分壓為 0.21 atm，經過一天仍無法將硫化物都氧化成 $\mathrm{SO_4^{2-}}$