111 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

本題主要測驗化工熱力學與單元操作中「蒸餾」（Distillation）的基本理論與工業實務：

1. 汽-液平衡（Vapor-Liquid Equilibrium, VLE）與相對揮發度（Relative Volatility）： 蒸餾屬於熱力學平衡分離程序，其驅動力為組分間的「蒸氣壓差異」（即揮發度差異）。理想或接近理想溶液遵循拉午耳定律（Raoult's law）與道爾頓分壓定律（Dalton's law）： $P_A = y_A P = x_A P_A^{\text{sat}}$ 相對揮發度 $\alpha_{AB}$ 定義為兩組分氣液分配比值： $\alpha_{AB} = \frac{y_A / x_A}{y_B / x_B} = \frac{P_A^{\text{sat}}}{P_B^{\text{sat}}}$ 當 $\alpha_{AB} > 1$ 時，易揮發組分（沸點低者）在氣相中的濃度恆大於其在液相中的濃度，藉此實現分離。
2. 單元操作（Unit Operations）本質： 蒸餾為多重相變化程序，其核心為「汽化（蒸發）」與「冷凝」之串聯與循環操作。
3. 化工實務應用： 需具備石化、空分及溶劑分離等典型工業案例的背景知識。

---

解題方法

本題由三個明確的子問題構成，答題切入點與層次說明如下：

1. 蒸餾的基本原理（熱力學觀點）：

• 說明物質在混合液相與氣相共存時之「汽-液平衡」特性。
• 點出關鍵機制在於各組分的「相對揮發度差異（沸點或飽和蒸氣壓差異）」。
• 當混合液受熱部分汽化時，易揮發（沸點較低）成分濃縮於氣相中，難揮發（沸點較高）成分濃縮於液相中；經過連續多階的氣液傳質接觸，即可將混合物分離為高純度產品。

2. 結合的兩種單元操作：

• 蒸餾程序主要由**「汽化（蒸發，Vaporization / Evaporation）」與「冷凝（Condensation）」**兩種相變化單元操作結合而成。
• 兩者在系統中協同運作：塔底再沸器（Reboiler）供熱促成液體汽化產生上升蒸氣；塔頂冷凝器（Condenser）冷卻頂部蒸氣產生液體，部分作為迴流液（Reflux）提供向下流動的液相，與上升蒸氣逆流接觸達成質傳。

3. 三種化學工業常見應用： 選取化工界最經典、規模最大且最具代表性的三大領域：

• 石油煉製工業（原油常壓與減壓分餾）：依沸點範圍將原油分離為石油腦、煤油、柴油、重油等餾分。
• 空氣分離工業（深冷蒸餾）：利用低溫液化空氣，分離氮氣、氧氣與氬氣。
• 石化原料分離或溶劑回收精餾：如乙烯/乙烷分離、丙烯/丙烷分餾，或是發酵液中乙醇之純化濃縮。

---

選項分析

本題為申論問答題，無選擇題選項。依閱卷評分要點解析作答落點：

• 子題一（基本原理）評分重點： 若僅回答「利用沸點不同來分離」只能拿到基本分數；必須明確提及「汽-液相平衡（VLE）」及「相對揮發度差異」，方能符合國家考試化學工程類科對專業熱力學機制的評分標準。
• 子題二（單元操作）評分重點：

核心觀念

本題屬於「電子化學品與特用化學品材料」範疇，聚焦於電子工業基礎載體——印刷電路板（Printed Circuit Board, PCB）之結構、材料化學、高頻傳輸物理特性以及微影製程之單元操作。

1. PCB 基本定義與架構：作為各類主、被動元件之承載主體與訊號導通骨架（電子工業之母），其本體為複合材料結構，核心由導電層、絕緣高分子樹脂與結構補強材料組成。
2. 高頻訊號傳輸物理特性： 高頻／高速訊號在介質中傳輸時，受電磁波在介質中的傳播定律所支配：

• 訊號傳遞速度與延遲： $v = \frac{c}{\sqrt{D_k}}$ $t_{pd} = \frac{\sqrt{D_k}}{c}$ 其中 $c$ 為真空中光速，$D_k$（或 $\varepsilon_r$）為介質的介電常數（Dielectric Constant），$t_{pd}$ 為單位長度傳輸延遲。
• 訊號衰減（介質損耗）： $\alpha_d \propto f \cdot \sqrt{D_k} \cdot D_f$ 其中 $f$ 為工作頻率，$D_f$（$\tan\delta$）為介質損耗因子（Dissipation Factor）。
• 集膚深度（Skin Depth）： $\delta = \sqrt{\frac{1}{\pi f \mu \sigma}}$ 高頻下電流集中於導體表面，導體粗糙度將顯著增加訊號傳輸的導體損耗（Conductor Loss）。

3. 線路圖案化化學製程（Patterning Process）：透過微影光阻技術、化學蝕刻、電鍍等化學與化工單元操作，將設計之電路圖騰轉印至覆銅基板上。

---

解題方法

本題為標準的化工材料申論整合題，作答應採取「定義 $\to$ 材料組成 $\to$ 物化機制推演 $\to$ 製程工藝實務」的邏輯架構：

1. 第一部分（定義）：界定 PCB 的功能角色（機械支撐、電氣導通、絕緣隔離）。
2. 第二部分（主要組成）：以銅箔基板（CCL）為核心，由內而外拆解導電金屬、介電樹脂基質、補強纖維及表面阻焊層。
3. 第三部分（高頻材質要求）：緊扣電磁波傳播方程式，明確指出「低 $D_k$（提速）」與「低 $D_f$（減衰）」的物理必然性，並輔以吸濕率、熱穩定性（$T_g$、CTE）與銅箔平整度之要求，展現理論厚度。
4. 第四部分（製作線路流程）：既可從「單元操作角度」（如曝光、顯影、蝕刻）作答，亦可從「製程整合路徑」（如減去法、半加成法 SAP、全加成法）切入。本解題以最經典且最具代表性的圖案轉移核心單元操作（曝光、顯影、蝕刻）為主軸進行具體反應與機制說明。

---

選項分析

本題為申論問答題，無選擇選項；各子題得分要點與評分規準剖析如下：

• 子題一：何謂印刷電路板（PCB）
• 滿分要點：必須點出「機械支撐」與「電氣連接」雙重功能，並指出其係藉由預先佈設之導線取代傳統複雜的導線配線。
• 子題二：主要組成材料
• 滿分要點：不可僅寫「銅和塑膠」，需明確寫出銅箔基板（CCL）的三大主構件（銅箔、介電樹脂、補強材料）與輔助材料（防焊油墨、表面處理鍍層）。
• 子題三：高頻產品應用的材質特性要求
• 滿分要點：低介電常數（Low $D_k$）與低介質損耗（Low $D_f$）為絕對核心；若能進一步補充低吸水率（水分 $D_k \approx 70\sim 80$ 會破壞介電性）與低銅箔表面粗糙度（對應高頻集膚效應），為取得特優成績之關鍵。
• 子題四：三種線路製作流程操作
• 滿分要點：列出清晰明確的工序名稱（如曝光、顯影、蝕刻、剝膜、電鍍等），並精簡交代其化工反應或操作原理，避免僅列名詞而無實質內容。

---

解題技巧

1. 公式帶出因果關係：解答高頻材質要求時，寫出 $v = \frac{c}{\sqrt{D_k}}$ 與 $\alpha_d \propto f \cdot \sqrt{D_k} \cdot D_f$，能立刻讓閱卷委員確認考生掌握傳輸線理論與材料化學本質，而非死記條列。
2. 切忌混淆 $D_k$ 與 $D_f$ 的物理意涵：

• $D_k$ 決定**速度（延遲）**與阻抗匹配。
• $D_f$ 決定發熱與訊號強度損耗（衰減）。

3. 明確點出材料具體實例：例如傳統常溫常頻使用 FR-4（環氧樹脂 + E-玻纖布），而高頻應用改用聚四氟乙烯（PTFE）、碳氫化合物樹脂（Hydrocarbon）或改性聚醯亞胺（MPI/LCP），以實例佐證理論。

---

【答案】

一、印刷電路板（PCB）之定義

印刷電路板（Printed Circuit Board, 簡稱 PCB）係指在絕緣基材上，藉由微影製程、印刷、化學沉積或蝕刻等技術，形成預先設計之導電線路、導通孔與銲墊之組件。其主要功能為：

1. 電氣連接：提供積體電路（IC）晶片及各式主被動電子元件間穩定、精確的電氣導通與訊號傳輸路徑。

核心觀念

本題屬於工業化學中「高分子材料」與「食品化學工業」之跨領域整合題，核心聚焦於以下觀念：

1. 食品包裝材料分類與物化特性：各類包裝材料（高分子塑膠、金屬、玻璃、紙類及多層積層複合材料）之基本性質、阻隔性、成型加工性與適用對象。
2. 食品變質機制與防護設計原則：食品劣變（油脂氧化酸敗、褐變反應、好氧菌繁殖、水分增減導致質地劣化）與包裝工程防護因子（水氣透過率 WVTR、氧氣透過率 OTR、耐熱殺菌、無毒溶出）。
3. 高阻氣性薄膜之質傳阻隔理論與功能性：結晶度、氫鍵網狀結構或無機奈米蒸鍍層對小分子氣體擴散之抑制作用，以及透明外觀兼顧微波加熱、金屬探測與視覺行銷之實用優勢。

---

解題方法

本題由三個獨立子題構成，作答時切忌混為一談，應以綱舉目張之層次切入：

1. 第一子題（常用材料）：依材料科學傳統分類（高分子塑膠、金屬、玻璃、紙與紙板、複合材料）分別列舉，並標明代表性化學聚合物代號（如 PE、PP、PET）與應用場景，展現化工專業深度。
2. 第二子題（設計考量因素）：由外至內、由產至銷之全週期思考，分為「保護保全性（阻隔物化影響）」、「食品安全與相容性（無毒無溶出）」、「製程與加工適性（熱封、耐溫殺菌）」、「使用與商業便利性（印刷、行銷、易開）」、「經濟與環境永續性（減廢、回收）」五大維度切入。
3. 第三子題（透明高阻氣膜優點）：分別拆解「透明」與「高阻氣」兩大物性優勢，進一步對比傳統高阻隔材料（如鋁箔、金屬罐）之痛點，強調「可視化」、「保鮮延效」、「微波相容性」及「可通過金屬探測」之獨特工藝價值。

---

選項分析

本題為申論問答題，無單選或複選選項。各子題於評分上之涵蓋度與答題盲點分析如下：

• 子題一（材料列舉）：常見失分在於考生「僅列出塑膠類（PE、PP 等）」，忽略了金屬（鍍錫鐵皮、鋁罐）、玻璃罐及紙類容器（塗層紙盒、瓦楞紙箱）亦屬大宗食品包裝材料。必須五大類皆備方得滿分。
• 子題二（設計考量）：考生容易偏向單一面向（僅寫防腐敗或成本）。完整架構必須兼顧食品物理化學安定性（阻水、阻氧、避光）、包材加工適性（熱封、機械強度）、食品接觸法規安全性（衛生標準）與消費市場端需求。
• 子題三（透明高阻氣膜優點）：考生常僅回答「能看見裡面的食物」與「防止氧氣進入」，論述過於淺薄。應點出其能取代傳統不透明阻隔層（如鋁箔），兼具高氣體阻隔率（低 OTR/WVTR）、氣調包裝（MAP）保鮮力，以及非金屬化特性帶來的「微波爐加熱安全性」與「成品出廠金屬異物檢測可行性」。

---

解題技巧

1. 分類口訣化：

• 常用材料記五字訣：「塑、金、紙、玻、複」（塑膠、金屬、紙類、玻璃、複合材料）。
• 設計考量記五面向：「保、安、工、商、環」（保護性、安全性、加工適性、商業便利性、環保經濟）。

2. 答題關鍵專業名詞置入：

• 提及阻隔性時，寫出「氧氣透過率（OTR）」與「水氣透過率（WVTR）」。
• 提及透明高阻氣材料時，舉例具體聚合物或技術：乙烯-乙烯醇共聚物（EVOH）、聚偏二氯乙烯（PVDC）、無機蒸鍍氧化矽（$\text{SiO}_x$）或氧化鋁（$\text{Al}_2\text{O}_3$）薄膜。
• 提及包裝方式時，帶出「氣調包裝（MAP）」、「真空包裝」與「蒸煮袋（Retort pouch）」。

3. 法規標記注意：

• 食品包材安全須符合命題當年（民國 111 年）之「食品安全衛生管理法」及「食品器具容器包裝衛生標準」（重金屬、塑化劑、溶出試驗合格）。

---

【答案】

一、常用的食品包裝材料

常用的食品包裝材料依材質與化學結構主要分為以下五大類：

1. 高分子塑膠類（Plastics）：

• 聚乙烯（PE）：LDPE 常具良好水氣阻隔性與優異熱封性，用於生鮮袋、熱封內層；HDPE 具較高耐熱性與機械強度，用於牛奶瓶、清潔劑瓶。
• 聚丙烯（PP）：耐熱性佳（可耐受約 $120^\circ\text{C}$）、機械剛性高，常用於微波容器、豆漿瓶及可熱充填容器。
• 聚對苯二甲酸乙二酯（PET）：透明度高、保氣性佳、機械強度高，廣泛用於碳酸飲料瓶、保特瓶、托盤。
• 聚苯乙烯（PS）：成型性優良，常製成發泡隔熱容器或未發泡透明乳酪盒、養樂多瓶。

2. 金屬材料（Metals）：

核心觀念

1. 三酸甘油酯（Triglyceride, TAG）之組成與結構： 三酸甘油酯是由一分子「丙三醇（甘油，Glycerol）」與三分子「脂肪酸（Fatty acid）」經脫水酯化反應所形成的三酯類（Triester）化合物。其一般示性式可表示為 $\text{C}_3\text{H}_5(\text{OOCR})_3$，其中 $\text{R}$、$\text{R}'$、$\text{R}''$ 代表直鏈脂肪酸之烷基或烯基（飽和或不飽和烴基）。

2. 油脂特性指標——碘價（Iodine Value, IV）：

• 定量定義：每 $100\text{ g}$ 油脂所能吸收（藉由加成反應消耗）碘（$\text{I}_2$）的公克數，單位以 $\text{g }\text{I}_2 / 100\text{ g oil}$ 表示。
• 化學意義：測定油脂分子中所含「碳-碳雙鍵（$\text{C}=\text{C}$）」的未飽和程度（不飽和度）。碘價愈高，代表油脂中雙鍵數目愈多、不飽和度愈高。

3. 鹼性水解（皂化反應，Saponification）： 三酸甘油酯在強鹼（如 $\text{NaOH}$ 或 $\text{KOH}$）的水溶液或醇溶液中共熱，酯基（Ester group）發生親核性醯基取代反應而水解，產生甘油（丙三醇）與三分子脂肪酸鹽（即肥皂）。

---

解題方法

本題為工業化學典型的無機／有機物性檢驗與油脂化學問答題，解題切入點分為三部分：

1. 化學式書寫： 寫出清晰的示性式或結構簡式。天然油脂多由不同脂肪酸混成，因此以 $\text{R}_1$、$\text{R}_2$、$\text{R}_3$ 代表不同的脂肪酸烴基；若以均一脂肪酸簡化，亦可寫為通式。

2. 碘價意義闡述： 答題時必須包含兩層次：

• 第一層次為「嚴格定義」（$100\text{ g}$ 油脂吸收碘之克數）。
• 第二層次為「工業應用與物理性質關聯」（表徵雙鍵含量、判定乾性/半乾性/不乾性油、評估抗氧化安定性與常溫物理狀態）。

3. 鹼性水解反應式推導： 確認反應物與生成物的化學計量比（Stoichiometry）：

• $1\text{ mol}$ 三酸甘油酯需消耗 $3\text{ mol}$ 鹼金族氫氧化物（如 $\text{NaOH}$）。
• 生成 $1\text{ mol}$ 甘油與 $3\text{ mol}$ 脂肪酸鈉鹽。

---

選項分析（本題為申論問答題，各小題作答重點剖析）

• 第 (1) 問：三酸甘油酯的化學式

• 必須清楚展現甘油骨架（三碳鏈）與三個酯鍵（$-\text{COO}-$）的連接方式。

• 示性式記為 $\text{CH}_2(\text{OOCR}_1)\text{CH}(\text{OOCR}_2)\text{CH}_2(\text{OOCR}_3)$ 或結構式展開，清楚標註 $\text{R}_1, \text{R}_2, \text{R}_3$ 為脂肪酸碳鏈。

• 第 (2) 問：碘價的意義

• 若僅回答「表示雙鍵多少」無法得滿分；必須點出「每 $100\text{ g}$ 油脂所吸收碘的公克數」的標準定量定義。

• 需補充工藝意義：說明雙鍵受鹵素（如 Wijs 試劑 $\text{ICl}$ 或 Hanus 試劑 $\text{IBr}$）加成，數值高代表易乾、熔點低（液態）、但相對易發生自氧化酸敗。

• 第 (3) 問：鹼性水解反應式

• 必須維持兩邊原子守恆，常見扣分點在於漏寫鹼的係數「$3$」以及脂肪酸鹽的係數「$3$」。

• 反應箭號上方宜註明加熱（$\Delta$），生成物應標示出甘油 $\text{C}_3\text{H}_5(\text{OH})_3$ 與脂肪酸鹽 $\text{RCOONa}$。

---

解題技巧

1. 三項油脂常考指標之對比與辨析：

• 碘價（Iodine Value, IV）：測「不飽和度」（雙鍵多寡）。碘價 $>130$ 為乾性油（如亞麻仁油）、$100 \sim 130$ 為半乾性油（如大豆油）、$<100$ 為不乾性油（如橄欖油、椰子油）。