112 地方特考四等 化學工程類科 工業化學概要 考古題詳解

112 年・地方特考・四等・化學工程類科
試題代碼 工業化學概要

第 一 題25 分

惰化處理（Inerting）在工廠或儲油設施中，是一常會使用的程序。一般採用氮氣／空氣置換管線或儲槽原有的物質。請回答下列各子題：

(一) 此種處理使用的時機與目的。（10 分）

(二) 依原先用來儲存甲烷液體的儲槽準備做惰化處理。首先將儲槽降至常壓 1.01×105 Pa1.01\times10^5\ \mathrm{Pa}，回溫到室溫 25 ∘C25\,^\circ\mathrm{C}，使槽內僅剩下常壓常溫的氣體甲烷。然後在槽內導入液氮至槽底，讓揮發上升的氮氣以柱狀流的方式將甲烷推出。假設揮發的氮氣可以很迅速地在槽內達到常溫常壓。

儲槽的體積是 7000 m37000\ \mathrm{m^3}，液氮的密度是 807 kg/m3807\ \mathrm{kg/m^3}。請問最少需要多少 kg\mathrm{kg} 液氮？多少 m3\mathrm{m^3} 液氮？本題牽涉到的氣體均可視為理想氣體。

氣體常數：R=8.314 Pa⋅m3/(mol⋅K)R=8.314\ \mathrm{Pa\cdot m^3/(mol\cdot K)}。（15 分）

登入後即可作答並保存紀錄。

這一題的完整詳解

核心觀念

惰化（inerting）是將氮氣等不助燃氣體導入設備，降低設備內氧氣或可燃物的濃度，使混合氣體離開可燃範圍，避免形成燃燒或爆炸所需的條件。氮氣化學性質穩定，常用於管線、反應器及儲槽的置換。

惰化常見於設備初次啟用、停機檢修、清洗或重新投用之前，也可用於易燃液體儲槽的氣相空間保護。目的包括排除空氣或可燃氣體、降低氧氣濃度、防止燃燒爆炸，以及減少物料氧化、受潮或污染。

解題方法

本題假設液氮在槽底汽化後，氮氣以柱狀流上升，將槽內甲烷推出；且氮氣迅速達到常溫常壓。依此理想置換模型，最少氮氣量就是填滿儲槽體積所需的常溫常壓氮氣莫耳數，再換算成氮氣質量及液氮體積。

槽內初始甲烷的莫耳數為

nCH4=PVRTn_{\mathrm{CH_4}}=\frac{PV}{RT}

其中 P=1.01×105 PaP=1.01\times10^5\ \mathrm{Pa}、V=7000 m3V=7000\ \mathrm{m^3}、T=25+273.15=298.15 KT=25+273.15=298.15\ \mathrm{K}。代入得

nN2,min=(1.01×105)(7000)(8.314)(298.15)≈2.852×105 moln_{\mathrm{N_2,min}}=\frac{(1.01\times10^5)(7000)} {(8.314)(298.15)} \approx 2.852\times10^5\ \mathrm{mol}

在理想柱狀置換假設下，氮氣恰好取代槽內原有甲烷，因此所需氮氣莫耳數等於初始甲烷莫耳數。

🔒

後續完整解題步驟與【答案】

免費註冊，享 3 天全站完整詳解閱覽。

免費註冊

第 二 題25 分

丁苯橡膠（SBR）是一種用途廣泛的橡膠，請回答下列各子題：

(一) 製造丁苯橡膠的兩種單體的名稱與其化學結構。（5 分）

(二) 請寫出聚合體的化學式，包括可能之異構物。（5 分）

(三) 舉出丁苯橡膠的特性及主要用途。（5 分）

(四) 橡膠製程中常加入硫或含硫化合物，其主要功能為何？請以化學式輔助說明。（10 分）

登入後即可作答並保存紀錄。

這一題的完整詳解

核心觀念

本題考查丁苯橡膠（styrene-butadiene rubber，SBR）的單體、共聚結構、材料性質，以及硫化反應。SBR 是由苯乙烯與 1,3-丁二烯進行加成共聚而成；丁二烯聚合時可形成 1,4-加成或 1,2-加成結構，因而具有不同的微觀異構排列。

解題方法

（一）單體名稱與化學結構

SBR 的兩種單體為：

  1. 苯乙烯（styrene）：乙烯基連接苯環，結構式為 C6H5CH=CH2\mathrm{C_6H_5CH{=}CH_2}。
  2. 1,3-丁二烯（1,3-butadiene）：結構式為 CH2=CH−CH=CH2\mathrm{CH_2{=}CH{-}CH{=}CH_2}。

兩種單體的碳碳雙鍵參與加成聚合，形成碳鏈主幹。

（二）聚合體化學式與異構物

SBR 是無規共聚物，聚合物鏈中苯乙烯單元與丁二烯單元的排列不固定。以 xx 個苯乙烯單元和 yy 個丁二烯單元表示，常用結構式可寫成：

[−CH2−CH(C6H5)−]x[−CH2−CH=CH−CH2−]y\mathrm{\left[-CH_2-CH(C_6H_5)-\right]_x \left[-CH_2-CH{=}CH-CH_2-\right]_y}

上式以苯乙烯單元及丁二烯的 1,4-加成單元表示；1,4-加成後，雙鍵留在聚合物主鏈中。此雙鍵可呈 **順式（cis）或反式（trans）**構型。

丁二烯也可採 1,2-加成，形成側鏈乙烯基結構：

[−CH2−CH(CH=CH2)−]\mathrm{\left[-CH_2-CH(CH{=}CH_2)-\right]}

因此，SBR 中丁二烯單元可包含 1,4-加成的順式、反式結構，以及 1,2-加成的乙烯基結構。苯乙烯單元與丁二烯單元的比例及排列，則依製程與配方而異。聚合物的組成式可概括為 (C8H8)x(C4H6)y\mathrm{(C_8H_8)_x(C_4H_6)_y}，這是單元組成表示法，不代表各單元必定按固定順序排列。

（三）特性及主要用途

SBR 的主要特性包括：

🔒

後續完整解題步驟與【答案】

免費註冊，享 3 天全站完整詳解閱覽。

免費註冊

第 三 題25 分

甲苯二異氰酸酯與多元醇可以製備聚氨基甲酸酯泡棉，請回答下列各子題：

(一) 請寫出甲苯二異氰酸酯之化學式。（6 分）

(二) 請寫出多元醇（由環氧乙烷聚合之聚醚型二醇化合物）之化學式。（6 分）

(三) 請寫出聚氨基甲酸酯之聚合反應式。（10 分）

(四) 上述反應產生發泡之 CO2CO_2 的機制為何？（3 分）

登入後即可作答並保存紀錄。

這一題的完整詳解

核心觀念

本題考查聚氨基甲酸酯（polyurethane, PU）的原料結構與加成聚合。甲苯二異氰酸酯（TDI）含有兩個異氰酸酯基 −NCO-\mathrm{NCO}；多元醇提供羥基 −OH-\mathrm{OH}。兩者反應形成氨基甲酸酯鍵 −NHCOO−-\mathrm{NHCOO}-，反應本身不脫除小分子。

解題方法

  1. 甲苯二異氰酸酯的化學式

TDI 是甲苯環上帶有兩個異氰酸酯基的化合物，分子式為 C9H6N2O2\mathrm{C_9H_6N_2O_2}，結構簡式可寫為：

CH3C6H3(NCO)2\mathrm{CH_3C_6H_3(NCO)_2}

工業上常見的 TDI 為 2,4-TDI 或 2,6-TDI，兩者分子式相同，差別在於兩個 −NCO-\mathrm{NCO} 在苯環上的位置。

  1. 環氧乙烷聚合所得聚醚型二醇

環氧乙烷開環聚合後形成聚氧乙烯鏈；以二醇為端基時，結構式為：

HO−(CH2CH2O)n−H\mathrm{HO-(CH_2CH_2O)_n-H}

其重複單元為 C2H4O\mathrm{C_2H_4O}，因此整體分子式可寫為 C2nH4n+2On+1\mathrm{C_{2n}H_{4n+2}O_{n+1}}。nn 表示聚合度。

  1. 聚氨基甲酸酯的聚合反應

異氰酸酯基與羥基反應生成氨基甲酸酯鍵：

R−NCO+R′−OH⟶R−NH−C(=O)−O−R′\mathrm{R-NCO + R'-OH \longrightarrow R-NH-C(=O)-O-R'}

其中，RR 代表 TDI 的芳香族骨架，R′R' 代表聚醚二醇鏈段。兩種原料各有兩個反應官能基，反覆反應形成線型聚合物；其結構可概括表示為：

n OCN−Ar−NCO+n HO−R′−OH⟶[−NH−C(=O)−O−R′−O−C(=O)−NH−Ar−]n\mathrm{n\,OCN-Ar-NCO+n\,HO-R'-OH \longrightarrow [-NH-C(=O)-O-R'-O-C(=O)-NH-Ar-]_n}
🔒

後續完整解題步驟與【答案】

免費註冊，享 3 天全站完整詳解閱覽。

免費註冊

第 四 題25 分

以葡萄糖為原料生產果糖須用酵素葡萄糖異構酶，請回答下列各子題：

(一) 酵素是以何種生化物質構成？（5 分）

(二) 酵素在此一轉化反應中扮演何種角色？（5 分）

(三) 試說明酵素的生產方式。（5 分）

(四) 請說明酵素固定化的方式及其相對於非固定化酵素之優點。（10 分）

登入後即可作答並保存紀錄。

這一題的完整詳解

核心觀念

本題考查酵素的化學本質、催化角色、工業生產流程，以及固定化技術。葡萄糖異構酶可催化葡萄糖與果糖之間的異構化，工業上常將酵素製成固定化生物觸媒，連續生產高果糖糖漿。

解題方法

依序掌握「酵素是什麼、如何催化、如何製造、如何固定化」四個層次作答。固定化方法可依酵素與載體的作用方式，整理為吸附、離子結合、共價結合、包埋／包覆及交聯等類別，再比較固定化與游離酵素的操作差異。

各子題詳解

（一）酵素是以何種生化物質構成？（5 分）

酵素主要由蛋白質構成，通常是由胺基酸以胜肽鍵連接形成的球狀蛋白質。少數具有催化功能的 RNA 稱為核酶，但本題所述的葡萄糖異構酶屬於蛋白質酵素。

部分酵素需搭配非蛋白質成分才有活性，稱為輔因子（cofactor），例如金屬離子或有機輔酶。葡萄糖異構酶的催化活性常與二價金屬離子有關，但其酵素本體仍是蛋白質。

（二）酵素在此一轉化反應中扮演何種角色？（5 分）

酵素是生物催化劑，提供較低活化能的反應途徑，使葡萄糖異構為果糖的反應速率增加。酵素具有專一性，會選擇性地作用於適當的受質；在本題中，葡萄糖異構酶催化葡萄糖轉化成果糖。

酵素不改變反應的平衡常數或平衡組成，也不消耗於總反應中；反應完成後可再參與下一輪催化。簡要表示如下：

葡萄糖⇌葡萄糖異構酶果糖\text{葡萄糖} \xrightleftharpoons[\text{葡萄糖異構酶}]{} \text{果糖}

酵素只改變達到平衡所需的速率，不改變平衡位置。

（三）試說明酵素的生產方式。（5 分）

工業酵素多以微生物發酵生產。以葡萄糖異構酶為例，可概述為：

  1. 選擇生產菌株：選用能產生葡萄糖異構酶的微生物，並以篩選或菌株改良提高產酶能力。
  2. 培養與發酵：將菌種接種至適當培養基，在控制溫度、酸鹼值、通氣與攪拌等條件下進行培養，使微生物增殖並產生酵素。
  3. 收集酵素：若酵素位於細胞內，收集菌體後以破碎等方式釋出酵素；若酵素分泌至培養液，則從發酵液中回收。
  4. 分離與純化：依用途進行固液分離、濃縮及純化；食品或工業用途會依規格控制純度與活性。
  5. 製成商品酵素：調整配方、乾燥或製成適當型態，並進行活性與穩定性品質管制。若供連續製程使用，還可進一步固定化。

作答時指出「菌種培養、發酵產酵素、回收分離、純化與製劑」的流程，即能呈現工業酵素生產的主要步驟。

（四）請說明酵素固定化的方式及其相對於非固定化酵素之優點。（10 分）

🔒

後續完整解題步驟與【答案】

免費註冊，享 3 天全站完整詳解閱覽。

免費註冊

其他考古題

化學工程類科《工業化學概要》其他年度

114