110 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

天然氣各成分的體積百分比，在相同溫度與壓力下等於莫耳百分比。因此可取 $100\ \mathrm{mol}$ 混合氣體作為計算基準，再依各成分的莫耳數與分子量求重量組成。

混合氣體的平均分子量為：

其中 $y_i$ 是成分的莫耳分率，$M_i$ 是該成分的分子量。重量分率則為：

解題方法

（一）重量組成及平均分子量

取 $100\ \mathrm{mol}$ 天然氣，各成分莫耳數如下：

因此混合氣體平均分子量為：

各成分重量百分比以「該成分質量除以總質量」計算：

核心觀念

本題考查氯鹼工業以離子交換薄膜電解食鹽水的原理。電解槽以陽離子交換膜分隔陽極室與陰極室，使鈉離子能穿膜移動，同時抑制氯離子與氫氧根離子穿膜混合，因而可分別製得氯氣、氫氣與氫氧化鈉。

解題方法與製程

1. 食鹽水精製 將氯化鈉溶於水配製成食鹽水，去除鈣、鎂等會造成薄膜結垢或污染的雜質，再送入電解槽陽極室。陰極室則供應水或稀氫氧化鈉溶液。

2. 電解槽反應與離子移動 通入直流電後，陽極室的氯離子失去電子生成氯氣；陰極室的水得到電子，生成氫氣與氫氧根離子。陽極室的鈉離子穿過陽離子交換膜移往陰極室，與氫氧根離子形成氫氧化鈉。

陽極反應： $2\mathrm{Cl^-}\rightarrow \mathrm{Cl_2}\uparrow+2e^-$

陰極反應： $2\mathrm{H_2O}+2e^-\rightarrow \mathrm{H_2}\uparrow+2\mathrm{OH^-}$

薄膜傳導： $2\mathrm{Na^+}_{(陽極室)}\rightarrow 2\mathrm{Na^+}_{(陰極室)}$

總反應： $2\mathrm{NaCl}+2\mathrm{H_2O}\rightarrow \mathrm{Cl_2}\uparrow+\mathrm{H_2}\uparrow+2\mathrm{NaOH}$

3. 產品分離與後處理 氯氣由陽極室導出，氫氣與含氫氧化鈉溶液由陰極室導出，分別收集或純化。電解所得氫氧化鈉溶液通常仍含水，若需較高濃度，須再經蒸發濃縮；陽極側排出的稀食鹽水則可回收處理後循環使用。

薄膜應具備的特性

• 選擇性高：優先讓 $\mathrm{Na^+}$ 通過，抑制 $\mathrm{Cl^-}$、$\mathrm{OH^-}$ 等陰離子透過，降低氯氣與氫

核心觀念

鉛酸電池是可充電的二次電池，利用鉛、二氧化鉛與硫酸之間的氧化還原反應，將化學能與電能互相轉換。題目要求說明放電、充電時的電極反應，並說明硫酸電解液密度如何反映電池的荷電狀態與剩餘電量。

放電時，負極的鉛被氧化，正極的二氧化鉛被還原；兩極的活性物質都轉變為硫酸鉛，電解液中的硫酸則被消耗並生成水。

解題方法：由總反應連結酸液密度與電量

先列出放電時的兩極反應，再合併成總反應，即可看出硫酸濃度的變化：

負極（氧化反應）：

正極（還原反應）：

總反應：

放電時，硫酸轉化為硫酸鉛並生成水，因此電解液中的硫酸濃度降低、含水比例增加，酸液密度隨之下降。充電時反應反向進行，硫酸重新生成，酸液密度上升。

在電解液溫度、混合狀態及電池狀態相同的條件下，酸液密度可作為荷電狀態（state of charge, SOC）的指標：密度越高，通常代表荷電狀態越高；密度越低，通常代表已放出的電量越多。

核心觀念

本題考查以甲苯二異氰酸酯（TDI）和多元醇製備聚氨酯泡棉的反應原理。泡棉形成時，兩類反應同時進行：

1. 成膠反應：異氰酸酯基（$-\mathrm{NCO}$）與多元醇的羥基（$-\mathrm{OH}$）加成，生成氨基甲酸酯鍵（urethane），形成聚氨酯網狀骨架。
2. 發泡反應：$-\mathrm{NCO}$ 與水反應，生成二氧化碳氣體供泡孔膨脹，並形成脲鍵（urea）。因此，題目所稱「聚脲酯泡棉」可視為聚氨酯與聚脲結構並存的泡棉。

解題方法

先說明兩種主要反應，再依序交代配方成分、混合發泡及固化步驟，即可完整回答製法。

一、成膠反應

TDI 的異氰酸酯基與多元醇的羥基加成，形成氨基甲酸酯鍵：

其中 $\mathrm{Ar}$ 代表甲苯二異氰酸酯中的芳香環，$R$ 代表多元醇骨架。多元醇及 TDI 的官能度使反應產物逐步形成高分子網絡；多元醇官能度較高時，交聯程度也會提高。

二、發泡與脲鍵形成

水先與異氰酸酯基反應，生成不穩定的氨基甲酸，接著分解成胺與二氧化碳：

生成的胺再與另一個異氰酸酯基反應，形成脲鍵：