107 地方特考四等 化學工程 工業化學概要 考古題詳解

核心觀念

本題考查高分子化學及工業化學中「四大泛用塑膠」（PE、PP、PS、PVC）的單體化學結構與學名，以及工程塑膠／彈性體 PU 的定義與化學本質：

1. 加成聚合物（Addition Polymers）之單體：四大泛用塑膠皆為乙烯基（Vinyl）衍生物單體經加成聚合反應所生成，其主鏈全由碳－碳單鍵組成。
2. 聚胺基甲酸酯（Polyurethane, PU）之本質：PU 並非由單一乙烯基單體聚合，而是由「二異氰酸酯（Diisocyanate）」與「二元醇／多元醇（Diol/Polyol）」經逐步加成聚合（Step-growth addition polymerization）生成，特徵為分子鏈上含有重複的胺基甲酸酯基（Urethane group, $-\text{NH}-\text{COO}-$）。

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解題方法

本題為標準的申論名詞解釋與結構鑑別題，採「條列結構化」方式作答：

1. 四大塑膠單體分析：

• 寫出縮寫全稱、單體中文名、單體英文名。
• 繪製（寫出）單體的示性式／結構簡式，展現工化專業度。

2. PU 聚合物說明：

• 明確指出 PU 的中文全名（聚胺基甲酸酯，簡稱聚氨酯）與英文全名（Polyurethane）。
• 補充說明其合成反應物（二異氰酸酯與多元醇）及特徵官能基，使答案具備參考書與國家考試典試委員要求的完整度。

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題目各項解析

本題為非選擇題（簡答申論題），針對題目所問之各高分子逐一解析如下：

1. PE（Polyethylene，聚乙烯）

• 主要單體：乙烯（Ethylene 或 Ethene）。
• 單體化學式：$\text{CH}_2=\text{CH}_2$。
• 聚合特性：由乙烯經自由基配位聚合而成，依製程壓力與密度可分為低密度聚乙烯（LDPE）、高密度聚乙烯（HDPE）與線性低密度聚乙烯（LLDPE）。

2. PP（Polypropylene，聚丙烯）

• 主要單體：丙烯（Propylene 或 Propene）。
• 單體化學式：$\text{CH}_2=\text{CH}-\text{CH}_3$。
• 聚合特性：通常利用齊格勒－納塔觸媒（Ziegler-Natta catalyst）進行立體規整加成聚合，產物多為等規聚丙烯（Isotactic PP），具耐高溫（可達 $100\sim120\,^\circ\text{C}$）及優良耐疲勞性。

3. PS（Polystyrene，聚苯乙烯）

• 主要單體：苯乙烯（Styrene 或 Vinylbenzene）。
• 單體化學式：$\text{C}_6\text{H}_5\text{CH}=\text{CH}_2$。
• 聚合特性：由苯乙烯經自由基或陰離子聚合而成，透光度佳、質硬且脆；發泡後即為常見之保麗龍（Expanded PS, EPS）。

4. PVC（Polyvinyl chloride，聚氯乙烯）

• 主要單體：氯乙烯（Vinyl chloride monomer, VCM 或 Chloroethene）。

核心觀念

本題測驗無機工業化學中「化學肥料工業」的基本定義與分類準則：

1. 植物巨量營養元素（Macronutrients）與肥料三要素：植物生長需要多種元素，其中植物需求量極大、土壤中最易缺乏而必須經常施肥補充的三大主成分為「氮（$\text{N}$）」、「磷（$\text{P}$）」、「鉀（$\text{K}$）」。商業標示上，通常以元素氮（$\text{N}$）、有效五氧化二磷（$\text{P}_2\text{O}_5$）及有效氧化鉀（$\text{K}_2\text{O}$）的重量百分比（$\%$）來表示其有效成分。
2. 肥料分類基準：依肥料中含有此三要素（$\text{N}$、$\text{P}$、$\text{K}$）的有效成分種類數目，區分為單質肥料（單肥）與複合肥料（複肥）。

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解題方法

本題為標準的申論名詞解釋題，作答時切忌僅給出一句話簡答，應採「精準定義 $\rightarrow$ 生理功能／作用 $\rightarrow$ 代表實例及化學式」三層次架構論述，展現化學工程專業知識的完整度：

一、 肥料之三要素

植物所需營養成分中，需求量最大且最容易缺乏的必需元素為：

1. 氮（Nitrogen, $\text{N}$）：

• 生理功能：植物體內蛋白質、核酸、葉綠素及多種酵素的重要組成成分。主要促進幼苗營養生長，增進莖葉繁茂與深綠色澤，俗稱「葉肥」。
• 過量或缺乏影響：缺乏時植株矮小、老葉黃化；過量則易徒長、莖稈軟弱易倒伏，且抗病力降低。

2. 磷（Phosphorus, 標示為 $\text{P}_2\text{O}_5$）：

• 生理功能：構成細胞核蛋白、磷脂質及能量傳遞物質（如 $\text{ATP}$）的關鍵組分。主要促進根系生長吸收、花芽分化、開花及結實，提高耐寒力，俗稱「花肥」或「果肥」。
• 過量或缺乏影響：缺乏時根系發育不良、開花延遲或花果脫落，葉片常呈暗綠色或帶紫紅色（花青素累積）。

3. 鉀（Potassium, 標示為 $\text{K}_2\text{O}$）：

• 生理功能：主要以離子狀態（$\text{K}^+$）存在於細胞液中，調節細胞滲透壓與氣孔開閉、活化酵素系統，促進碳水化合物的同化與轉運，增強植物莖稈強韌度及抗旱、抗寒、抗病蟲害等逆境耐受力，俗稱「莖肥」或「壯身肥」。
• 過量或缺乏影響：缺乏時葉緣或葉尖常呈黃化、焦枯萎縮，莖稈軟弱易折。

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二、 何謂單肥（Straight Fertilizer / Single Fertilizer）

• 定義：凡僅含有肥料三要素（$\text{N}$、$\text{P}$、$\text{K}$）中任一種主要養分的化學肥料，稱為單質肥料（簡稱單肥）。
• 主要代表實例：

1. 單質氮肥：

• 尿素（Urea）：$\text{CO(NH}_2)_2$（含 $\text{N} \approx 46\%$）。
• 硫酸銨（Ammonium Sulfate）：$(\text{NH}_4)_2\text{SO}_4$（含 $\text{N} \approx 21\%$）。
• 硝酸銨（Ammonium Nitrate）：$\text{NH}_4\text{NO}_3$（含 $\text{N} \approx 34\sim35\%$）。

2. 單質磷肥：

• 過磷酸鈣（普通過石灰，Single Superphosphate, SSP）：$\text{Ca(H}_2\text{PO}_4)_2 \cdot \text{H}_2\text{O} + 2\text{CaSO}_4$（含有效 $\text{P}_2\text{O}_5 \approx 16\sim20\%$）。
• 重過磷酸鈣（Triple Superphosphate, TSP）：$\text{Ca(H}_2\text{PO}_4)_2 \cdot \text{H}_2\text{O}$（含有效 $\text{P}_2\text{O}_5 \approx 45\sim48\%$）。

3. 單質鉀肥：

• 氯化鉀（Potassium Chloride / Muriate of Potash）：$\text{KCl}$（含有效 $\text{K}_2\text{O} \approx 60\%$）。
• 硫酸鉀（Potassium Sulfate）：$\text{K}_2\text{SO}_4$（含有效 $\text{K}_2\text{O} \approx 50\%$）。

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核心觀念

本題屬於無機化工中「氯鹼工業（Chlor-Alkali Industry）」的核心基礎考題，主要測驗考生對水溶液電解（Electrolysis of Aqueous Solutions）電極反應競逐機制與總反應方程式的掌握程度。

1. 電極反應本質：

• 陽極（Anode）：接電源正極，進行氧化反應（失去電子）。
• 陰極（Cathode）：接電源負極，進行還原反應（獲得電子）。

2. 競逐反應與過電位（Overpotential）：

• 飽和食鹽水溶液中存在 $\text{Na}^+$、$\text{Cl}^-$、$\text{H}_2\text{O}$（以及解離的微量 $\text{H}^+$、$\text{OH}^-$）。
• 陽極競爭：$\text{Cl}^-$ 氧化為 $\text{Cl}_2$（$E^\circ = 1.36\text{ V}$）與 $\text{H}_2\text{O}$ 氧化為 $\text{O}_2$（$E^\circ = 1.23\text{ V}$）。雖然熱力學上水氧化生成氧氣的標準還原電位較低，但由於氧氣在一般電極材料上的「過電位」極大，加上食鹽水中的 $\text{Cl}^-$ 濃度極高，促使動力學上以 $\text{Cl}^-$ 優先放電產生氯氣。
• 陰極競爭：$\text{Na}^+$ 還原為金屬鈉（$E^\circ = -2.71\text{ V}$）與水分子還原為氫氣（$E^\circ = -0.83\text{ V}$）。水的還原電位遠高於鈉離子，故水分子優先還原生成氫氣與氫氧根離子（$\text{OH}^-$）。

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解題方法

本題依循電化學反應分析三步驟循序推導：

步驟一：分析電解質溶液環境與離子物種

飽和食鹽水主要溶質為氯化鈉，溶劑為水： $\text{NaCl}_{(aq)} \rightarrow \text{Na}^+_{(aq)} + \text{Cl}^-_{(aq)}$ $\text{H}_2\text{O}_{(l)} \rightleftharpoons \text{H}^+_{(aq)} + \text{OH}^-_{(aq)}$

步驟二：寫出兩極之半反應式（Half-cell Reactions）

• 陽極（氧化極）：氯離子移向陽極失去電子，氧化為氯氣： $2\text{Cl}^-_{(aq)} \rightarrow \text{Cl}_{2(g)} + 2e^-$
• 陰極（還原極）：水分子在陰極獲得電子，還原為氫氣並釋出氫氧根離子： $2\text{H}_2\text{O}_{(l)} + 2e^- \rightarrow \text{H}_{2(g)} + 2\text{OH}^-_{(aq)}$

步驟三：整合全反應式（Overall Reaction）

將陽極與陰極半反應式相加（電子數消去），得全離子反應式： $2\text{Cl}^-_{(aq)} + 2\text{H}_2\text{O}_{(l)} \xrightarrow{\text{電解}} \text{Cl}_{2(g)} + \text{H}_{2(g)} + 2\text{OH}^-_{(aq)}$

若併入溶液中不參與氧化還原的旁觀離子（Spectator Ion）$\text{Na}^+$，即得分子形式之總反應化學方程式： $2\text{NaCl}_{(aq)} + 2\text{H}_2\text{O}_{(l)} \xrightarrow{\text{電解}} 2\text{NaOH}_{(aq)} + \text{Cl}_{2(g)} + \text{H}_{2(g)}$

核心觀念

本題測驗芳香烴取代衍生物之「位置異構物（Positional Isomers）」概念及芳香化合物之系統命名與結構表示法。

1. 同分異構定義：二甲苯分子式皆為 $\text{C}_8\text{H}_{10}$，由一個苯環（$\text{C}_6\text{H}_6$）上有兩個氫原子被甲基（$-\text{CH}_3$）取代所構成（$\text{C}_6\text{H}_4(\text{CH}_3)_2$）。
2. 位置異構與命名規範：

• 苯環為正六邊形平面芳香環，具高度對稱性。二取代苯依照兩取代基在環上的相對位置關係，主要有兩種命名體系：
• IUPAC 系統命名：以數字編號最小化為原則，分為 1,2-二甲苯、1,3-二甲苯、1,4-二甲苯。
• 傳統慣用命名：依相對位置分別冠以鄰位（ortho-，縮寫為 $o$-）、間位（meta-，縮寫為 $m$-）、對位（para-，縮寫為 $p$-）。

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解題方法

求取二取代苯之異構物時，採用「固定一基、移動另一基」的系統化列舉法：

1. 固定基準基：將第一個甲基（$-\text{CH}_3$）固定於苯環的 1 號碳（$\text{C}-1$）。
2. 依序移動第二個甲基：

• 第二個甲基接於相鄰之 2 號碳（$\text{C}-2$）：形成 1,2-二甲苯（即鄰-二甲苯，$o$-xylene）。
• 第二個甲基接於間隔一碳之 3 號碳（$\text{C}-3$）：形成 1,3-二甲苯（即間-二甲苯，$m$-xylene）。
• 第二個甲基接於正相對之 4 號碳（$\text{C}-4$）：形成 1,4-二甲苯（即對-二甲苯，$p$-xylene）。

3. 驗證對稱性：若將第二個甲基接於 5 號碳或 6 號碳，經環平面旋轉或反轉後，結構分別等同於 1,3-取代物與 1,2-取代物，因此二甲苯僅存在上述三種位置異構物。

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解題技巧

1. 判斷竅門（快速驗證）：

• 苯環是正六邊形對稱結構，雙同取代基（二取代苯）必定只有 3 種 位置異構物（鄰、間、對），絕不會有第 4 種。

2. 常見陷阱：

• 混淆「二甲苯的異構物」與「$\text{C}_8\text{H}_{10}$ 的芳香烴異構物」：

核心觀念

1. 油脂的化學結構與不飽和度： 天然油脂主要是三酸甘油酯（Triglycerides），由甘油與三分子脂肪酸酯化而成。脂肪酸鏈中若含有碳-碳雙鍵（$-\text{C}=\text{C}-$），即屬於不飽和脂肪酸。
2. 鹵素加成反應與碘價定義： 烯烴結構上的不飽和雙鍵能與鹵素進行親電加成反應。在工業化學與油脂檢驗中，碘價（Iodine Value, IV）​用來定量評估油脂的「不飽和程度」。其法定標準定義為：每 $100\text{ g}$ 油脂所能吸收（加成反應消耗）的碘（$\text{I}_2$）之公克數（$\text{g}$）。

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解題方法

本題包含兩個問項，解題切入點如下：

1. 第一問：碘價的定義

• 答題必須精確寫出標準檢驗基準：「每 $100\text{ g}$ 油脂」所吸收「碘的公克數（$\text{g}$）」。
• 原理補充：實際分析檢驗中，碘與雙鍵反應速率較慢，通常使用鹵素互化物進行定量加成（例如以單氯化碘 $\text{ICl}$ 為主的韋氏法 Wijs method，或以單溴化碘 $\text{IBr}$ 為主的漢斯法 Hanus method），反應後將過量的鹵素以碘化鉀還原生成碘分子，再以硫代硫酸鈉（$\text{Na}_2\text{S}_2\text{O}_3$）標準溶液滴定，最終將消耗的鹵素全數換算為等當量的碘（$\text{I}_2$）質量。

2. 第二問：碘價高低與不飽和鍵數量的關係

• 根據碳-碳雙鍵與鹵素的親電加成反應化學計量式： $-\text{CH}=\text{CH}- + \text{I}_2 \longrightarrow -\text{CHI}-\text{CHI}-$
• 理論上，每 $1\text{ mol}$ 的碳-碳雙鍵恰可與 $1\text{ mol}$ 的 $\text{I}_2$（質量約 $253.8\text{ g}$）完全加成。
• 推導關係： $\text{油脂所含不飽和鍵（雙鍵）愈多} \implies \text{每 } 100\text{ g 油脂可加成的鹵素莫耳數愈多} \implies \text{消耗的碘質量愈大} \implies \text{碘價愈高}$
• 因此，碘價愈高表示油脂的不飽和鍵「愈多」。

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核心觀念

本題旨在測驗化工核心單元操作中「分離程序（Separation Processes）」的基本相平衡原理。化工分離操作多為物理分離，其本質是利用混合物中各組分「物理性質的差異」或「兩相間分配平衡的差異」來達成成分純化或富集：

1. 分餾（Fractional Distillation）： 屬於氣–液相平衡分離。當液體混合物加熱至沸騰時，揮發度高（即沸點較低、蒸氣壓較高）的成分更容易轉移至氣相；透過分餾塔內部連續多次的「汽化–冷凝」階沉接觸，使低沸點成分由塔頂富集產出，高沸點成分則留於塔底。因此，分餾最根本依據的物理性質為沸點（Boiling Point）​或揮發度／相對揮發度（Volatility / Relative Volatility）。
2. 萃取（Extraction）： 常見為液–液萃取（Liquid-Liquid Extraction）或固–液萃取（Leaching）。利用溶質在兩種互不相溶（或部分互溶）的溶劑相中，因「相似相溶」與分子間相互作用力不同，表現出相異的親和力與溶解能力。當達到相平衡時，溶質會依分配定律分配於兩相中。因此，萃取最根本依據的物理性質為溶解度（Solubility）​或在兩相間的分配係數（Distribution Coefficient）。

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解題方法

回答本題應從「相平衡現象」切入，明確指出其熱力學與物理性質之根源：

1. 原油分餾的切入點：

• 原油是由碳氫化合物（烷烴、環烷烴、芳香烴等）組成的複雜多成分混合物。
• 隨著碳鏈長度與分子量增加，分子間凡得瓦力（倫敦分散力）隨之增大，使得液體分子汽化所需的動能增加，巨觀上即表現為沸點上升。
• 依據拉午耳定律（Raoult's Law）與氣–液平衡關係： $y_i P = x_i P_i^*$ （其中 $y_i$ 為氣相莫耳分率、$x_i$ 為液相莫耳分率、$P$ 為系統總壓、$P_i^*$ 為純成分飽和蒸氣壓） 蒸氣壓愈高（沸點愈低）者，相對揮發度 $\alpha_{ij} = \frac{P_i^*}{P_j^*} > 1$，氣相中富集該成分。因此分餾操作即是利用沸點（或相對揮發度）​之差異。

2. 萃取的切入點：

• 將含有溶質的混合液（原料相）與另一種適當的溶劑（萃取劑）均勻混合，溶質會向其親和力較強的相擴散轉移。
• 依據能斯特分配定律（Nernst Distribution Law），在恆溫恆壓且達平衡時，溶質在兩相中的濃度比值為定值： $K_D = \frac{C_{\text{extract}}}{C_{\text{raffinate}}}$ （其中 $K_D$ 為分配係數）

核心觀念

本題測驗高分子與實用工業化學中的「塗料化學（Coatings Chemistry）」基礎體系。塗料（Paint/Coating）是一種塗覆於物體表面，能乾燥硬化形成具有保護、裝飾或特殊功能之連續薄膜的流體或粉末材料。在工業化學分類上，塗料主要由四大成分構成：主要成膜物質（樹脂／基底）、次要成膜物質（顏料與填料）、分散介質（溶劑與稀釋劑）​及輔助成膜物質（添加劑／助劑）。

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解題方法

本題為標準的工業化學簡答申論題。解題切入點應採「四大成分分類法」，並結合「物理狀態與功能區分（揮發分與不揮發分）」說明其功能定位與工業常見實例，架構層次分明：

1. 主要成膜物質（Base / Binder / Resin / Vehicle solids）

• 功能：塗膜的主體與骨架，決定塗膜的物理機械強度、附著力、耐候性、耐化學腐蝕性與光澤。
• 常見成分：
• 油脂與天然樹脂：乾性油（如亞麻仁油）、松香、生漆。
• 合成樹脂（現代塗料主流）：醇酸樹脂（Alkyd resin）、環氧樹脂（Epoxy resin）、聚氨酯（Polyurethane, PU）、聚丙烯酸酯（Acrylic resin）、酚醛樹脂（Phenolic resin）及聚酯樹脂等。

2. 次要成膜物質（Pigments & Extenders）

• 功能：不能單獨成膜，但均勻分散於主要成膜物質中，賦予塗層遮蓋力、色彩、裝飾性，或提供特定功能（如防腐、防鏽、耐磨、阻燃）。
• 常見成分：
• 著色顏料：二氧化鈦（$\text{TiO}_2$，白）、碳黑（黑）、氧化鐵紅（$\text{Fe}_2\text{O}_3$）、偶氮顏料等。
• 防鏽與機能顏料：鋅粉（鋅富底漆）、紅丹（四氧化三鉛，現已多受限用）、磷酸鋅、鋁粉（銀漆）。
• 體質顏料（填料／Extenders）：碳酸鈣（$\text{CaCO}_3$）、滑石粉、硫酸鋇（$\text{BaSO}_4$）、高嶺土，主要用於增加漆膜厚度、降低收縮率與降低成本。

3. 分散介質／揮發成分（Solvents & Diluents）

• 功能：在塗裝過程中溶解或均勻分散成膜物質，調節施工黏度與流平性（Leveling），使塗料易於刷塗或噴塗；成膜過程中會揮發逸散，不殘留於最終固化塗膜中（無溶劑塗料與粉體塗料除外）。
• 常見成分：
• 水：水性塗料（乳膠漆）的主成分，環保且具低 VOC 特性。
• 有機溶劑：烴類（甲苯、二甲苯、礦物油精）、酮類（丙酮、甲基乙基酮 MEK）、酯類（乙酸乙酯、乙酸丁酯）、醇類（丁醇、乙二醇單乙醚）。

核心觀念

本題旨在評量考生對工業廢水處理體系中「單元操作與單元程序」分類基礎的掌握。廢水處理技術之分類維度主要有二：

1. 依處理程序／階段分級：初級處理（Primary treatment，初步去除粗大雜物與可沉降懸浮固體）、二級處理（Secondary treatment，主要去除溶解性與膠體生物可分解有機物）、三級或高級處理（Tertiary / Advanced treatment，去除難分解有機物、營養鹽氮磷、重金屬等）。
2. 依操作原理／作用機制分類：即本題所考查之切入點，依去除污染物所仰賴的物理作用力、化學反應或生物代謝機能，分為物理處理法、化學處理法與生物處理法三大類。

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解題方法

本題為簡答申論題型，答題時應直指三大類別名稱，並進一步闡釋其作用原理、去除目標污染物及工業代表性單元操作（或單元程序），使回答層次完整、立論嚴謹。

1. 物理處理法（Physical Treatment Methods）

• 操作原理：利用機械力、重力、浮力、離心力或阻隔篩濾等物理作用力，將廢水中的非溶解性懸浮物質、油脂或粗大顆粒分離，處理過程中不涉及物質化學組成的改變。
• 主要去除對象：粗大固體物、懸浮固體（TSS）、游離油脂及部分沉降性膠體。
• 工業代表性單元：
• 格柵與篩網（Screening）：阻截粗大漂浮物與殘渣，保護後續管線與泵浦。
• 沉砂池與重力沉澱（Sedimentation）：利用重力密度差去除比重大之無機顆粒及懸浮固體。
• 浮除法（Flotation）：通入微細氣泡，利用附著升浮作用去除密度低於水的細微油脂或懸浮膠羽。
• 過濾與薄膜分離（Filtration & Membrane Separation）：利用濾材或半透膜的孔徑阻隔，如微濾（MF）、超濾（UF）及逆滲透（RO）。

2. 化學處理法（Chemical Treatment Methods）

• 操作原理：向廢水中添加化學藥劑，藉由化學反應（如酸鹼中和、膠羽化、沈澱、氧化還原、離子交換等）改變污染物的化學型態或相態，使其轉化為無害物質或易於分離之不溶物。
• 主要去除對象：溶解性無機離子（重金屬、酸鹼）、難分解有機物、膠體懸浮物、有毒化學物質。
• 工業代表性單元：
• 酸鹼中和（Neutralization）：調整廢水 $\text{pH}$ 值至排放標準或後續處理所需最適區間。
• 混凝與膠羽（Coagulation & Flocculation）：加入無機混凝劑（如明礬 $\text{Al}_2(\text{SO}_4)_3$、三氯化鐵 $\text{FeCl}_3$）或高分子助凝劑，壓縮膠體雙電層，破壞其穩定性並聚集成大顆粒膠羽。
• 化學沉澱（Chemical Precipitation）：如添加氫氧化鈉或硫化物，使重金屬生成難溶之金屬氫氧化物或硫化物沉澱。