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115學測自然 第44題 詳解

量子點・膠體沉澱 · 多選 · 題目出處：115 學年度學科能力測驗 自然考科（大學入學考試中心）

答案(A)(B)看逐步解析 ↓

題目
〔44–46 題為題組〕在 2023 年，諾貝爾化學獎頒給從事奈米級量子點研究的三位學者。量子點是直徑介於 1 至 10 奈米的奈米粒子，由於其微小尺寸，可表現出獨特的性質。量子點的合成，可藉由添加不同界面活性劑等方法，來控制其大小及成分。硫化鋅量子點的合成實驗步驟如下：

步驟 1 配製甲與乙兩溶液：甲為 0.25 M 半胱胺酸（胺基酸的一種）＋ 0.125 M ZnSO4\mathrm{ZnSO_4}；乙為 0.125 M Na2S\mathrm{Na_2S}。
步驟 2 將甲和乙溶液混合後，於 47 ℃ 反應 60 分鐘，然後使用 1 M 醋酸鈉溶液，調整 pH 值至 6。
步驟 3 將冰冷乙醇逐滴加入，直至生成含有 ZnS 的白色沉澱物（稱為乙醇沉澱）。
步驟 4 經過 10 分鐘的離心後，取出沉澱物重新懸浮於水溶液中。
步驟 5 為去除大部分未反應的成分，需要進行至少兩次以上 3～4 步驟。

表 8（單位皆為 10−610^{-6} 莫耳；每組 ZnSO4\mathrm{ZnSO_4} 固定 200、半胱胺酸固定 400）
| 樣品 | Na2S\mathrm{Na_2S} | 產物 Zn2+\mathrm{Zn^{2+}} | 產物 S2−\mathrm{S^{2-}} | 量子點產率(%) |
| 1 | 50 | 7.2 | 9.4 | 18.1 |
| 2 | 100 | 37.6 | 46.5 | 44.7 |
| 3 | 150 | 62.4 | 69.3 | 44.4 |
| 4 | 200 | 88.0 | 88.0 | 44.0 |
| 5 | 300 | 93.6 | 108.8 | 45.5 |
| 6 | 400 | 104.6 | 117.0 | 50.2 |

關於硫化鋅量子點合成實驗的敘述，下列哪些正確？（應選 2 項）
(A) 反應中添加半胱胺酸，可幫助硫化鋅量子點分散在水中
(B) 反應後的混合溶液，使用雷射光筆照射，可看到光束
(C) 產物硫化鋅易溶於水，屬於分子化合物
(D) 合成實驗時，會出現一種刺鼻的味道，是硫化鋅的氣味
(E) 合成實驗時，添加冰冷的乙醇，可增加硫化鋅奈米粒子的溶解度

逐步解析

  1. 1

    先看題目在考什麼

    這題不是在考背誦名詞，而是考你能不能把「量子點的膠體性質」和「ΖnS 的沉澱生成」連起來。關鍵是：半胱胺酸在反應中扮演表面保護與分散的角色，冰冷乙醇則是幫助析出產物，不是幫它溶解。
  2. 2

    判斷半胱胺酸的角色

    半胱胺酸是胺基酸，分子上有可與 Zn2+\mathrm{Zn^{2+}} 配位的官能基，也能吸附在 ZnS\mathrm{ZnS} 奈米粒子表面，形成保護層。這種表面修飾會讓粒子不容易互相聚集，因而能穩定分散在水中。
  3. 3

    解釋雷射光筆為何看得到光束

    量子點直徑只有一到十奈米，屬於膠體粒子尺度。膠體會對光產生散射，所以用雷射光筆照射混合液，會看見明顯光束，這就是廷得耳效應。
  4. 4

    逐一檢查各選項

    (A) 正確。半胱胺酸可作為界面活性劑或保護劑，幫助 ZnS\mathrm{ZnS} 量子點分散於水中。
    (B) 正確。膠體粒子會散射光，雷射照射可見光束，屬於廷得耳效應。
    (C) 錯。ZnS\mathrm{ZnS} 是離子化合物，且難溶於水；能沉澱表示它不是易溶物，也不是分子化合物。
    (D) 錯。刺鼻氣味主要來自 H2S\mathrm{H_2S}，不是 ZnS\mathrm{ZnS} 本身；Na2S\mathrm{Na_2S} 在偏酸條件下會產生 H2S\mathrm{H_2S}。
    (E) 錯。冰冷乙醇是用來降低溶解度、促進沉澱，不是增加溶解度。
  5. 5

    收束到正解

    因此，本題應選 (A)(B)(A)(B)。這兩項分別對應到「表面保護分散」與「膠體散射光」兩個核心概念，正好符合量子點合成與性質的考點。
答案
(A)(B)

關鍵觀念：#膠體 #廷得耳效應 #溶解度 #界面活性劑

常見卡點
最容易錯在把「乙醇沉澱」看成增加溶解度，或把「臭味」誤認成 ZnS\mathrm{ZnS} 本身；另外也常把量子點當成一般分子溶液，忘記它其實有膠體散射與表面保護的性質。

還是卡住嗎？

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