107 身心障礙特考四等 化學工程 工業化學概要 考古題詳解

核心觀念

1. 高分子結構與受熱行為分類：

• 熱塑性塑膠（Thermoplastics）：由線性（linear）或具支鏈（branched）的大分子鏈構成，分子間僅靠凡得瓦力（Van der Waals forces）或氫鍵等次級鍵結合。加熱時二級鍵減弱，分子鏈可滑動而軟化熔融，冷卻後恢復硬化，過程屬於可逆之物理變化，具備重複加工與回收塑模能力。
• 熱固性塑膠（Thermosetting plastics）：初聚物（prepolymer）在成形加工過程中，經加熱、加壓或加入硬化劑產生交聯反應（cross-linking），分子鏈間形成強固的三維共價鍵網狀結構（3D network）。固化後再度加熱不會熔融軟化，溫度過高時將直接發生不可逆的化學鍵斷裂與裂解碳化，屬於不可逆之化學變化。

2. 高分子材料的環境宿命與公害機制：

• 高分子主鏈（如碳－碳單鍵 $\text{C}-\text{C}$）化學穩定性極高，耐生物侵蝕與耐候性強，不易被自然界微生物降解。
• 焚化處理中若含有鹵素（如聚氯乙烯中的氯原子），在不完全燃燒條件下易衍生戴奧辛與酸性氣體。
• 物理風化裂解為微塑膠後，表面積大且易吸附疏水性持久性有機污染物（POPs），進入食物鏈形成生物濃縮與生態毒性。

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解題方法

1. 第（一）子題切入點：

• 採「微觀鍵結 $\to$ 宏觀物性 $\to$ 工業實例」三層架構說明。
• 說明兩者在加熱前後之熔融可逆性差異，精確指出熱塑性為「可逆物理相變」，熱固性為「共價網狀交聯不可逆化學反應」。
• 實例各擇一工業常見材料，附上中文全名、英文縮寫與代表性用途，展現化工專業深度。

2. 第（二）子題切入點：

• 依塑膠生命週期之三大廢棄途徑（掩埋、焚化、自然環境散逸）提出三項代表性問題：
• 固體廢棄物與土地空間危機（難分解特性）。
• 焚化衍生之二次大氣污染（有毒氣體與戴奧辛排放）。
• 水體生態破壞與微塑膠食物鏈危害（微粒污染與生物累積）。
• 敘述時導入環境化學專業詞彙（如「生物難降解性」、「生物富集／生物累積」、「環境荷爾蒙」），提高給分信度。

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選項分析

本題為非選擇題（申論題），無選項需進行逐一分析。

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解題技巧

1. 結構決定性質是評分重心：論述熱塑與熱固時，務必點出「三維共價鍵網狀交聯（cross-linking）」此一關鍵詞，若僅寫「一個加熱會熔化、一個加熱會焦掉」，得分將大幅縮水。
2. 舉例宜採標準典型材料：熱塑性首選五大泛用塑膠（PE、PP、PVC、PS、ABS）或 PET；熱固性首選酚醛樹脂（Phenol-formaldehyde resin，電木）或環氧樹脂（Epoxy resin），避免舉冷門或改性共混材料。
3. 環保問題避免口語化流水帳：不可僅寫「造成垃圾變多」、「鳥會吃到死掉」等生活常識語言，應轉化為精確的工程與環境術語（如「土壤通透性下降與堆疊容積佔用」、「吸附持久性有機污染物 POPs」、「受光熱裂解為粒徑 $< 5\text{ mm}$ 之微塑膠」）。

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【答案】

（一）熱塑性塑膠與熱固性塑膠之說明與實例

核心觀念

本題評量環境化學與工業污染防制之基礎核心知識，涵蓋兩大面向：

1. 空氣污染物的本質與分類：

• 化學性污染物：指存在於大氣中對人體健康或環境有害的氣態或粒狀化學物質，多由石化燃料燃燒、工業製程反應或二次光化學反應衍生。
• 生物性污染物：指懸浮於大氣或室內空氣中具有生物活性之微生物、生物衍生質或致敏原，主要透過感染、過敏或毒素釋放造成病理危害。

2. 空氣污染防制策略體系：

• 遵循工業安全與化學工程的「危害防制階層」（Hierarchy of Controls），空污防制主要劃分為：源頭減量（製程與原料替代）、管末處理（物理／化學控制技術）、以及行政法規與總量管制。法規面以命題當年（民國 107 年）之《空氣污染防制法》規範為準（現行法於 107 年 8 月甫完成全案大幅修正，強化移動源管制與總量管制制度）。

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解題方法

本題為標準的申論型題型，作答切入點宜講求「層次分明、對稱結構、技術具體」：

1. 第（一）小題之破題法：

• 分別設立「化學污染」與「生物污染」兩大項目。
• 各選取 2 種最具代表性、且機制明確之物種（例如化學類選 $\text{SO}_2$ 與 $\text{PM}_{2.5}$；生物類選黴菌孢子與退伍軍人菌）。
• 每一物種皆以「污染物名稱／來源 $\to$ 人體健康危害 $\to$ 生態環境衝擊」的鏈結進行闡述，切忌僅寫籠統的名詞。

2. 第（二）小題之結構化：

• 避免僅列出空泛的生活口號（如「少出門」、「搭公車」）。應從工業化學與環境工程之系統化角度，各由源頭原料／能源替代、管末除污技術（物化程序）、行政法規與能源轉型管理三大維度提出三大具體措施，展現專業工科考生的知識深度。

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選項分析（申論評分重點解析）

本題非選擇題，依據國家考試申論評分標準拆解作答重點：

• 第（一）小題（10 分）：
• 化學性物種（5 分）：舉出 2 種物種各佔 1 分，危害機轉說明各佔 1.5 分。需點出呼吸系統病變、酸沉降或心血管疾病等致病機轉。
• 生物性物種（5 分）：舉出 2 種物種各佔 1 分，病理危害（致敏、毒素或致病菌感染）說明各佔 1.5 分。
• 第（二）小題（10 分）：
• 每項措施約佔 3.3 分。評分標準在於措施之「技術可行性」與「專業術語精確度」（例如寫出排煙脫硫、觸媒還原、靜電集塵等專有名詞者得分較高）。

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解題技巧與常見陷阱

1. 化學物種名稱具體化：切忌只寫「酸雨」或「廢氣」，「酸雨」是環境現象而非污染源物種；應具體指稱「二氧化硫（$\text{SO}_2$）」、「氮氧化物（$\text{NO}_x$）」或「細懸浮微粒（$\text{PM}_{2.5}$）」。
2. 生物污染與化學污染之界限：生物污染源必須源自「生物體本體或其衍生物」，如花粉、孢子、細菌、病毒、塵蟎排泄物；勿將化學性惡臭氣體（如 $\text{H}_2\text{S}$ 或氨氣）誤歸類於生物污染。
3. 減低措施避免同質性：若舉出的三項措施皆為管末處理（例如：裝袋濾機、裝水洗塔、裝靜電集塵器），會被閱卷委員視為思維單一。最佳答題策略為「源頭改善＋管末控制＋管理制度」三位一體。

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【答案】

（一）化學污染與生物污染之污染源物種及危害說明

1. 化學污染（Chemical Pollution）

• 物種一：二氧化硫（Sulfur Dioxide, $\text{SO}_2$）
• 來源：主要來自火力發電廠、石化廠燃燒含硫化石燃料（如重油、煤炭），以及金屬硫化礦之冶煉製程。
• 危害：
• 人體危害：$\text{SO}_2$ 屬水溶性高之刺激性氣體，吸入後會刺激上呼吸道及支氣管黏膜，引發咳嗽、支氣管痙攣與慢性阻塞性肺病（COPD）惡化。

核心觀念

本題評量化學平衡的核心理論，主要包含兩大觀念：

1. 勒沙特列原理（Le Chatelier's principle）與壓力／體積效應： 在定溫下，密閉系統達平衡後，若擴大容器體積，系統總壓隨之降低。依據勒沙特列原理，平衡將朝向「氣體莫耳數增加」（即氣相化學計量係數和較大）的方向移動，以抵消壓力的減小。
2. 壓力平衡常數 $K_p$ 與濃度平衡常數 $K_c$ 的轉換關係： 依據理想氣體狀態方程式 $P_i V = n_i R T$，各氣體分壓與體積莫耳濃度之關係為 $P_i = [i] R T$。對於一般反應： $a\mathrm{A}(g) + b\mathrm{B}(g) \rightleftharpoons c\mathrm{C}(g) + d\mathrm{D}(g)$ 兩平衡常數之理論關係式為： $K_p = K_c (RT)^{\Delta n_g}$ 式中 $R$ 為理想氣體常數，$T$ 為絕對溫度（單位：$\mathrm{K}$），$\Delta n_g$ 為生成物與反應物之「氣相化學計量係數差」： $\Delta n_g = \sum \nu_{g,\text{生成物}} - \sum \nu_{g,\text{反應物}} = (c + d) - (a + b)$

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解題方法

步驟一：由性質（甲）推導 $\Delta n_g$ 的符號條件

當反應達平衡後，增加反應容器的體積，系統內各成分分壓與濃度瞬間下降。平衡要向右（正反應方向）移動，生成物側的氣體分子數必須大於反應物側的氣體分子數： $\Delta n_g > 0$

步驟二：由性質（乙）計算 $\Delta n_g$ 的確切數值

由 $K_p = K_c (RT)^{\Delta n_g}$，可得兩常數之比值為： $\frac{K_p}{K_c} = (RT)^{\Delta n_g}$

題目設定溫度由 $T_1 = 300\ \mathrm{K}$ 提高至 $T_2 = 600\ \mathrm{K}$：

• 在 $T_1 = 300\ \mathrm{K}$ 時： $\left(\frac{K_p}{K_c}\right)_1 = (300 R)^{\Delta n_g}$
• 在 $T_2 = 600\ \mathrm{K}$ 時： $\left(\frac{K_p}{K_c}\right)_2 = (600 R)^{\Delta n_g}$

兩狀態之比值變化的倍數關係為： $\frac{\left(K_p/K_c\right)_2}{\left(K_p/K_c\right)_1} = \left(\frac{600 R}{300 R}\right)^{\Delta n_g} = 2^{\Delta n_g}$

依題意，此比值「變為原來的兩倍」，即： $2^{\Delta n_g} = 2^1 \implies \Delta n_g = 1$

步驟三：綜合判定條件

同時符合（甲）與（乙）的反應式，其氣相化學計量係數差必須嚴格滿足： $\Delta n_g = 1$

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選項分析

• (A) 正確 反應式為 $\mathrm{N_2O_4}(g) \rightleftharpoons 2\mathrm{NO_2}(g)$。
• 氣相係數差：$\Delta n_g = 2 - 1 = +1$。
• 檢驗（甲）：$\Delta n_g = +1 > 0$，增大容器體積時，平衡向氣體莫耳數較多的右方移動，符合。
• 檢驗（乙）：$\Delta n_g = 1$，溫度由 $300\ \mathrm{K}$ 提高至 $600\ \mathrm{K}$ 時，比值變為 $2^1 = 2$ 倍，符合。
• 結論：同時具備（甲）、（乙）性質。

核心觀念

1. 金屬金（$\mathrm{Au}$）的化學穩定性與耐腐蝕性：金屬於貴金屬，標準氧化還原電位極高，具有抗酸性與惰性，無法單獨溶於強酸（如濃硝酸），需於具有強氧化劑與強錯合劑共存的「王水」中才能溶解。
2. 電位與金屬活性的關係：金屬的還原電位高，代表其離子易被還原為金屬單質，對應的金屬單質極難氧化失電子，化性安定（惰性）。
3. 金屬材料強化機制：純金質地柔軟，工業與飾品加工常添加銅、銀等元素形成固溶體，利用晶格畸變達到「固溶強化」，提高硬度與機械強度。
4. 奈米材料的表面效應與尺寸效應：當材料尺度微縮至奈米級（$1\sim 100\ \mathrm{nm}$），比表面積劇增且表面配位不飽和原子比例大幅提高，顯著增強其化學反應性與催化活性。
5. 貴金屬成色標示（K金／Karat）與質量計算：以 24 為滿額基準計算金的質量百分比，公式為： $\text{含金率} = \frac{K}{24} \times 100\%$

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解題方法

• 觀念判斷：針對 (A)、(B)、(C)、(D)，分別自金屬活性序、電化學熱力學、材料晶體結構強化原理，以及膠體／奈米表面化學切入驗證。
• 數值推導：針對 (E)，根據 Karat 定義求出 18K 金之質量百分率，再乘上飾品總質量，計算正確含金量並驗算選項數值。

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選項分析

(A) 錯誤

• 原因：硝酸（$\mathrm{HNO_3}$）雖為強氧化性酸，可將銅（$\mathrm{Cu}$）、銀（$\mathrm{Ag}$）等氧化溶解，但無法單獨氧化金。
• 原理：金欲被有效溶解，需使用由「濃鹽酸與濃硝酸體積比 $3:1$」混合而成的王水。濃硝酸負責提供氧化力，而濃鹽酸提供高濃度氯離子（$\mathrm{Cl^-}$），與氧化出的金離子生成穩定的四氯金酸錯離子（$[\mathrm{AuCl_4}]^-$），使金電對的氧化電位大幅降低，反應如下： $\mathrm{Au + HNO_3 + 4HCl \rightarrow H[AuCl_4] + NO \uparrow + 2H_2O}$ 因此，金不可溶於純濃硝酸。

(B) 錯誤

• 原因：金的標準還原電位高，代表金的化性極為「安定（惰性）」，而非活潑。
• 原理：金的半反應標準還原電位極正（例如：$\mathrm{Au^{3+} + 3e^- \rightarrow Au}$，$E^\circ \approx +1.50\ \mathrm{V}$），這表示金離子傾向於獲得電子還原為金屬單質；反之，金屬金失去電子被氧化的逆反應電位極負（$E^\circ_{\text{ox}} \approx -1.50\ \mathrm{V}$），極難被氧化。在金屬活性序中金敬陪末座，屬於化性最為鈍態且安定的金屬。

核心觀念

本題結合了「石油化學基本反應」與「基礎物理化學氣體計量」，重點評量以下核心概念與公式：

1. 烷類脫氫熱裂解反應：丙烷（$\mathrm{C_3H_8}$）在高溫下發生脫氫反應生成丙烯（$\mathrm{C_3H_6}$）與氫氣（$\mathrm{H_2}$）的化學計量平衡。
2. 理想氣體狀態方程式： $PV = nRT$ 其中 $P$ 為壓力（$\mathrm{atm}$）、$V$ 為體積（$\mathrm{L}$）、$n$ 為氣體莫耳數（$\mathrm{mol}$）、$R$ 為理想氣體常數（取 $0.082\text{ atm}\cdot\text{L}/(\text{mol}\cdot\text{K})$）、$T$ 為絕對溫度（$\mathrm{K} = ^\circ\mathrm{C} + 273$）。
3. 反應進行量與平衡莫耳數（ICE 表）：利用反應消耗與生成的化學計量關係，將混合氣體總莫耳數表示為反應變量 $x$ 的函數。
4. 道耳頓分壓定律：混合氣體中成分氣體的分壓等於總壓乘以該成分之莫耳分率： $P_i = X_i \times P_{\text{總}} = \frac{n_i}{n_{\text{總}}} \times P_{\text{總}}$

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解題方法

步驟一：寫出配平之熱裂解反應式

丙烷受熱裂解生成等莫耳數的丙烯與氫氣，反應式為： $\mathrm{C_3H_8(g) \rightleftharpoons C_3H_6(g) + H_2(g)}$

步驟二：求平衡時容器內的氣體總莫耳數

1. 絕對溫度換算： $T = 427 + 273 = 700\text{ K}$
2. 根據理想氣體狀態方程式計算平衡時的總莫耳數 $n_{\text{總}}$： $n_{\text{總}} = \frac{P_{\text{總}} V}{R T} = \frac{3.0\text{ atm} \times 22.4\text{ L}}{0.082\text{ atm}\cdot\text{L}/(\text{mol}\cdot\text{K}) \times 700\text{ K}} = \frac{67.2}{57.4} \approx 1.171\text{ mol}$

步驟三：列出平衡組成推導各成分量

設反應過程中反應了 $x\text{ mol}$ 的丙烷：

$$\begin{array}{lccccc} & \mathrm{C_3H_8(g)} & \rightleftharpoons & \mathrm{C_3H_6(g)} & + & \mathrm{H_2(g)} \\ \hline \text{初 (mol)} & 1.0 & & 0 & & 0 \\ \text{變 (mol)} & -x & & +x & & +x \\ \hline \text{平 (mol)} & 1.0 - x & & x & & x \\ \end{array}$$

平衡時容器內氣體總莫耳數為： $n_{\text{總}} = (1.0 - x) + x + x = 1.0 + x$ 代入 $n_{\text{總}} = 1.171\text{ mol}$： $1.0 + x = 1.171 \implies x = 0.171\text{ mol}$

步驟四：求解各小題

（一）容器內丙烯的莫耳數 依化學計量，平衡時丙烯的莫耳數即為 $x$： $n_{\mathrm{C_3H_6}} = x = 0.171\text{ mol} \approx 0.17\text{ mol}$

（二）容器內氫氣的質量

1. 平衡時氫氣的莫耳數為： $n_{\mathrm{H_2}} = x = 0.171\text{ mol}$