114 地方特考三等 化學工程類科 化學程序工業（包括質能均衡、分析化學、儀器分析） 考古題詳解

核心觀念

本題考硫酸水溶液的質量衡算與穩態能量衡算。混合前後硫酸質量守恆；能量部分則由題附的硫酸水溶液焓－濃度圖讀取各物流焓值，計算混合的焓變。

（一）每磅 85 wt% 硫酸溶液所需純水

以 $1\ \mathrm{lb}$、$85\ \mathrm{wt\%}$ 硫酸溶液為基準，其中硫酸為 $0.85\ \mathrm{lb}$。加入純水後，硫酸占最終溶液的 $30\%$，故：

（二）每小時混合熱

先由硫酸質量衡算求進料量。每小時產品為 $5000\ \mathrm{lb}$，其中硫酸為：

因此，$85\ \mathrm{wt\%}$ 硫酸溶液進料量及純水進料量分別為：

依題附圖估讀焓值，取：

• $85\ \mathrm{wt\%}$ 硫酸溶液、$60^\circ\mathrm{F}$：$h_1\approx-100\ \mathrm{Btu/lb}$

核心觀念

本題考查矽晶太陽能電池製程中的化學蝕刻，以及氫氟酸的危害、緊急應變與含氟廢水處理。作答時可分成三部分：先說明蝕刻的目的與原理，再依暴露途徑交代 HF 的危害及急救，最後用反應式說明石灰沉澱除氟與固液分離。

（一）化學蝕刻的目的及原理

1. 主要目的

矽晶太陽能電池製程中的化學蝕刻，主要用於移除矽晶片表面的材料，並改變表面形貌或清潔度，以利後續製程。常見目的包括：

• 去除切割損傷層：晶圓切片與研磨會在表面留下受損、缺陷較多的矽層；蝕刻可移除該層，降低表面復合。
• 形成表面織構：藉由控制蝕刻速率與晶向差異，使表面形成微結構，降低光反射、增加光在電池中的有效吸收。
• 去除污染物或不需要的薄層：清除表面氧化物、殘留物或製程副產物，使表面適合後續清洗、擴散或薄膜沉積。
• 調整表面與邊緣：依製程設計移除特定區域材料，改善後續接面或電極製作的條件。

2. 蝕刻原理

化學蝕刻是利用蝕刻液與矽或其表面化合物發生化學反應，將固體表面轉化為可溶性或可帶離的反應產物，再由溶液沖洗移除。蝕刻深度與均勻度受蝕刻液組成、濃度、溫度、時間、攪拌與晶體取向等因素影響。

HF 常用於去除矽表面的二氧化矽；其反應可概略表示為：

生成的含氟矽物種可進入溶液，因而移除氧化層。若要蝕刻矽本體，通常需使用含氧化劑與 HF 的配方：氧化劑先使矽表面氧化，再由 HF 溶解除去氧化層，兩步反覆進行而使矽逐步溶蝕。不同晶向或表面狀態的反應速率不同，可用以形成織構。

（二）氫氟酸危害、緊急應變與含氟廢水處理

1. 危害機制

HF 可經由皮膚接觸、眼睛接觸、吸入或吞食造成傷害。其危害不只在於酸性腐蝕：

• 氫離子造成腐蝕性灼傷：破壞皮膚、眼睛及呼吸道組織。
• 氟離子穿透組織並造成深層傷害：可進入較深部組織，造成細胞損傷、肌肉或骨骼傷害；疼痛或明顯病灶可能延遲出現。
• 全身性電解質異常：氟離子與鈣、鎂等離子作用，可能導致低血鈣、低血鎂及高血鉀，嚴重時引發心律不整、心跳停止甚至死亡。
• 吸入傷害：可刺激或灼傷呼吸道，造成肺部損傷、呼吸困難或肺水腫。

因此，HF 接觸事件須視為緊急醫療事件，不可因初期疼痛輕微或皮膚外觀不嚴重而延誤就醫。

2. 洩漏與接觸的緊急應變

洩漏現場處置：

1. 立即警報、疏散人員並隔離污染區，避免未受訓人員進入。
2. 由受訓應變人員穿戴適當耐酸化學防護具及呼吸防護具處理；須依場所應變程序與安全資料表操作。
3. 防止液體進入排水系統或擴散至其他區域；由受訓人員以相容吸收材料圍堵、收集，並將污染物交由合規程序處理。
4. 不可徒手處理，也不可在未評估風險與防護條件時直接清理洩漏物。

人體接觸處置：

核心觀念

本題考定量沉澱分析：氯離子與銀離子以 $1:1$ 莫耳比形成氯化銀沉澱，因此可由乾燥 $\mathrm{AgCl}$ 的質量求得氯離子的莫耳數，再換算氯離子質量百分比。若樣品中的氯全來自 $\mathrm{NaCl}$，則 $\mathrm{NaCl}$ 與 $\mathrm{Cl^-}$ 的莫耳數相同，可進一步求得氯化鈉純度。

解題方法

（一）沉澱反應的離子反應式

硝酸銀提供 $\mathrm{Ag^+}$，與樣品中的 $\mathrm{Cl^-}$ 生成難溶的氯化銀：

此反應中銀離子與氯離子以 $1:1$ 莫耳比反應。

（二）樣品中 $\mathrm{Cl^-}$ 的重量百分比

先計算氯化銀的莫耳質量：

氯化銀沉澱的莫耳數為：

由反應莫耳比 $1:1$：

氯離子的質量為：

因此，樣品中氯離子的重量百分比為：

（三）樣品中 $\mathrm{NaCl}$ 的純度

假設樣品中的氯全部來自 $\mathrm{NaCl}$，則：

核心觀念

此題考「雙指示劑酸鹼滴定」分析碳酸鈉、碳酸氫鈉與氫氧化鈉的混合物。酚酞終點約在 pH 8.3–10.0，滴定到此處時，碳酸根 $\mathrm{CO_3^{2-}}$ 已轉成碳酸氫根 $\mathrm{HCO_3^-}$；溴甲酚綠終點約在 pH 3.8–5.4，碳酸氫根則進一步被滴定成碳酸。氫氧化鈉在兩個終點都已被中和。

令試樣中的 $\mathrm{NaOH}$、$\mathrm{Na_2CO_3}$、$\mathrm{NaHCO_3}$ 莫耳數依序為 $n_{\mathrm{OH}}$、$n_{\mathrm{CO_3}}$、$n_{\mathrm{HCO_3}}$。

解題方法

（一）判斷組成

$0.10\ \mathrm{M}$ HCl 在酚酞終點的用量為 $18\ \mathrm{mL}$，在溴甲酚綠終點的用量為 $41\ \mathrm{mL}$。後者大於前者，符合含有碳酸氫鈉的情形：到達酚酞終點時，原有的碳酸氫根尚未被中和；繼續滴定至溴甲酚綠終點時，還要消耗酸。

若混合物含有 $\mathrm{NaOH}$ 與 $\mathrm{Na_2CO_3}$，酚酞終點耗酸量為 $n_{\mathrm{OH}}+n_{\mathrm{CO_3}}$，總耗酸量為 $n_{\mathrm{OH}}+2n_{\mathrm{CO_3}}$，故總耗酸量不會小於酚酞終點耗酸量。題目兩個終點的酸量差符合含有 $\mathrm{NaHCO_3}$，而酚酞終點有耗酸量則表示另含能在該終點前消耗酸的成分。因此組成為 $\mathrm{Na_2CO_3}$ 與 $\mathrm{NaHCO_3}$，不含 $\mathrm{NaOH}$。

（二）計算各成分組成百分率

題目分別取相同質量的試樣，故可直接使用每克試樣的耗酸量。酚酞終點耗酸莫耳數為

溴甲酚綠終點總耗酸莫耳數為

對僅含 $\mathrm{Na_2CO_3}$ 與 $\mathrm{NaHCO_3}$ 的試樣：

• 到酚酞終點，每莫耳 $\mathrm{Na_2CO_3}$ 消耗 $1$ 莫耳 HCl，因此

• 到溴甲酚綠終點，每莫耳 $\mathrm{Na_2CO_3}$ 消耗 $2$ 莫耳 HCl，每莫耳 $\mathrm{NaHCO_3}$ 消耗 $1$ 莫耳 HCl，因此

核心觀念

本題考查比耳–朗伯定律、吸光度與穿透度的換算，以及樣品槽材質的透光範圍和助色基對吸收光譜的影響。

吸光度與濃度的關係為：

其中 $A$ 為吸光度，$\varepsilon$ 為莫耳吸光係數，$b$ 為光徑長度，$c$ 為溶液濃度。穿透度定義為透射光強度與入射光強度之比：

解題方法

（一）計算濃度

由比耳–朗伯定律整理：

代入 $A=0.839$、$\varepsilon=1.8\times10^4\ \mathrm{L\,mol^{-1}\,cm^{-1}}$、$b=1.0\ \mathrm{cm}$：

因此，$\mathrm{KMnO_4}$ 溶液濃度為 $4.66\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}$。

（二）計算穿透度

由 $A=-\log_{10}T$ 得：

若以百分率表示：

（三）樣品槽材質適用範圍

玻璃會吸收紫外光，通常只適用於可見光區；石英對紫外光與可見光均有良好透光性。因此：