109 高普考普通考試 化學工程 工業化學概要 考古題詳解

核心觀念

本題考查醋酸乙烯（Vinyl acetate）的單體結構與製法，以及聚醋酸乙烯樹脂（PVAc）的塑膠分類、聚合方式和聚乙烯醇（PVA）的用途。

醋酸乙烯的結構中含有可進行自由基加成聚合的碳碳雙鍵；聚合後形成主鏈，醋酸酯基則成為側基。PVAc 常以乳化聚合法製成白膠乳液，配方中的 PVA 主要作為保護膠體與穩定劑。

解題方法

依題目順序判斷即可：先寫出單體的結構式，再依原料寫出合成反應；接著依 PVAc 的可熔融加工特性判斷塑膠類型，最後辨認常用聚合方式及 PVA 在乳液中的功能。

（一）醋酸乙烯單體之化學式

醋酸乙烯的結構式為：

$$\mathrm{CH_3COOCH{=}CH_2}$$

分子式為 $\mathrm{C_4H_6O_2}$。結構式中的 $\mathrm{CH_2{=}CH{-}}$ 是乙烯基，雙鍵是後續加成聚合的反應位置。

（二）醋酸及乙烯製造醋酸乙烯

反應式為：

$$\mathrm{CH_3COOH + CH_2{=}CH_2 + \frac{1}{2}O_2 \longrightarrow CH_3COOCH{=}CH_2 + H_2O}$$

此反應以醋酸、乙烯及氧氣為反應物，生成醋酸乙烯與水。氧氣雖未列在題目所說的主要原料中，仍須寫入反應式以平衡反應；工業製程通常採催化氧化反應。

（三）熱固性或熱塑性

核心觀念

合成氣（syngas）是以一氧化碳與氫氣為主的混合氣體，氫氣與一氧化碳的比例可依後續用途調整。甲烷蒸汽重組與部分氧化是製造合成氣的兩種主要方法；合成氣可用於合成甲醇，也可經轉化與淨化後作為合成氨的氫源。

解題方法

作答時依序掌握三件事：合成氣的主要成分、甲烷製氣的兩種反應，以及合成氨製程對原料氣的調整需求。甲醇合成直接以化學反應式表示；氨合成則須先將原料氣中的一氧化碳轉為氫氣，再除去會影響合成觸媒的成分，最後調整氫氮比。

（一）合成氣的主要成分

主要成分為一氧化碳（CO）與氫氣（H₂）。視製程與原料而定，亦可能含有二氧化碳、水蒸氣、甲烷及少量惰性氣體。

（二）以甲烷製造合成氣的兩個主要方程式

1. 蒸汽重組（steam reforming）

$$\mathrm{CH_4 + H_2O \rightleftharpoons CO + 3H_2}$$

此反應吸熱，產生的氫氣相對較多，氫氣與一氧化碳的莫耳比為 $3:1$。

2. 部分氧化（partial oxidation）

$$\mathrm{CH_4 + \frac{1}{2}O_2 \rightarrow CO + 2H_2}$$

此反應放熱，氫氣與一氧化碳的莫耳比為 $2:1$。

（三）以合成氣生產甲醇的反應

主要反應為：

$$\mathrm{CO + 2H_2 \rightleftharpoons CH_3OH}$$

合成氣中的二氧化碳也可參與甲醇合成：

$$\mathrm{CO_2 + 3H_2 \rightleftharpoons CH_3OH + H_2O}$$

（四）合成氣作為生產氨的原料時所需處理步驟

氨合成所需的原料是氫氣與氮氣，莫耳比為 $3:1$。由合成氣製氨的主要處理步驟如下：

1. 一氧化碳轉化：以水蒸氣進行水煤氣轉化，將 CO 轉成 CO₂，並增加 H₂：

核心觀念

本題考查氨氧化製硝酸的化學反應、莫耳百分濃度與重量百分濃度的換算，以及濃硫酸濃縮硝酸時的物料衡算。計算時須分別對硝酸與硫酸守恆；水可由總物料衡算補足。

解題方法

（一）氨的催化氧化

氨在鉑觸媒作用下與氧氣反應，生成一氧化氮與水。配平後為：

$$4\mathrm{NH_3}+5\mathrm{O_2} \xrightarrow{\mathrm{Pt}} 4\mathrm{NO}+6\mathrm{H_2O}$$

（二）一氧化氮氧化及二氧化氮吸收

一氧化氮先氧化成二氧化氮：

$$2\mathrm{NO}+\mathrm{O_2}\rightarrow2\mathrm{NO_2}$$

二氧化氮經水吸收並由氧氣氧化，生成硝酸：

$$4\mathrm{NO_2}+\mathrm{O_2}+2\mathrm{H_2O} \rightarrow4\mathrm{HNO_3}$$

此吸收反應的總式已包含氧氣參與，反映吸收過程中二氧化氮進一步氧化成硝酸。

（三）共沸組成的重量百分比

取硝酸與水總莫耳數為 $1\ \mathrm{mol}$。硝酸莫耳分率為 $0.377$，水的莫耳分率為 $1-0.377=0.623$。以硝酸分子量 $63$、水分子量 $18$ 計算：

$$w_{\mathrm{HNO_3}} =\frac{0.377(63)} {0.377(63)+0.623(18)} \times100\% \approx67.9\%$$

因此，共沸物約含 $67.9\%$（重量）的硝酸。

（四）濃硫酸用量

設稀硝酸進料為 $F\ \mathrm{kg}$，濃硫酸進料為 $S\ \mathrm{kg}$。稀硝酸進料含硝酸 $50\%$，濃硫酸進料含硫酸 $96\%$；產品硝酸為 $1000\ \mathrm{kg}$、濃度 $98\%$，硫酸出料濃度為 $70\%$。

硝酸衡算：

$$0.50F=0.98(1000)$$ $$F=1960\ \mathrm{kg}$$

核心觀念

本題考查水性塗料的定義、依樹脂在水中的分散狀態所作的分類，以及聚氨酯的基本結構與親水性來源。聚氨酯（polyurethane, PU）主鏈含有氨基甲酸酯鍵（urethane linkage）；水性 PU 則須藉由分子本身的極性與親水性設計，使樹脂能溶於水或穩定分散於水中。

解題方法

先依樹脂分子量由小到大，按其在水中的狀態排列三類水性塗料；再寫出 PU 的氨基甲酸酯鍵，並區分「鍵結本身的極性」與「使 PU 成為水性樹脂所需的親水改質」。

（一）水性塗料的定義、分類與發展動機

**定義：**水性塗料是以水作為主要溶劑或分散介質，使成膜樹脂及其他塗料成分溶解、乳化或分散其中的塗料。相較於傳統溶劑型塗料，其有機溶劑使用量通常較低；配方仍可能含有少量助溶劑或其他有機成分。

依分子量由小而大，可分為三類：

1. **水溶性塗料：**樹脂分子量較小，且具有足夠親水性官能基，能以分子尺度溶解於水中，形成均勻溶液。
2. **水分散性塗料：**樹脂不能完全溶於水，但經親水基團或分散劑作用，可形成細小且穩定的樹脂粒子分散於水中。
3. **水乳化性塗料：**樹脂分子量較大、通常不溶於水，須以乳化方式形成樹脂微粒分散於水中。

分類的關鍵在於樹脂與水的相互作用及分散狀態；由低分子量的水溶液，逐步轉為較高分子量樹脂的分散或乳化系統。

積極發展的動機：

• **降低揮發性有機化合物（VOC）排放：**減少有機溶劑揮發造成的空氣污染，符合環境保護與排放管制方向。
• **改善作業環境與健康風險：**降低溶劑蒸氣暴露，減少對人體及工作環境的影響。
• **降低火災與爆炸風險：**水作為主要介質，可減少易燃有機溶劑的使用與儲存需求。
• **配合資源與永續發展需求：**減少對石化溶劑的依賴，推動較低污染的塗料製程。

（二）聚氨酯基本結構與水相容性來源

PU 的基本特徵鍵結為氨基甲酸酯鍵：

$$\mathrm{-NH-C(=O)-O-}$$