112 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

本題考查氫氣依生產方式所作的「顏色分類」，重點是比較原料、製程與碳排放。顏色是產氫途徑的慣稱，並非氫氣本身的化學性質分類。判斷碳排時，應看製氫過程的能源來源，以及製程排出的二氧化碳是否捕集與封存；氫氣使用時雖不直接排放二氧化碳，製造過程仍可能產生大量排放。

解題方法

依「原料與製程 → 二氧化碳如何處理 → 排放程度」逐一比較：

• 黑氫（Black hydrogen）：以煤炭氣化等方式製氫。煤炭含碳量高，製程會排出大量二氧化碳，若未捕集，碳排通常最高。
• 灰氫（Grey hydrogen）：以天然氣等化石燃料進行蒸汽甲烷重組等製程製氫，製程產生的二氧化碳直接排放，仍有顯著碳排。
• 藍氫（Blue hydrogen）：同樣以化石燃料製氫，但搭配碳捕集、利用與封存（CCUS），捕集部分製程二氧化碳，因此排放低於未捕集的灰氫或黑氫。

核心觀念

本題考查電爐碳熱還原二氧化矽製矽的反應條件，以及依化學反應式進行化學計量計算。

主反應為：

反應式表示：每 $1$ mol $\mathrm{SiO_2}$ 與 $2$ mol $\mathrm{C}$ 完全反應，可生成 $1$ mol $\mathrm{Si}$。

（一）減少碳化矽副產物的方法

碳化矽 $\mathrm{SiC}$ 可能由二氧化矽與碳在高溫下反應生成：

因此，應控制碳與二氧化矽的進料比例，避免碳過量；並維持適當的電爐溫度與還原條件，促使生成的 $\mathrm{SiC}$ 繼續與 $\mathrm{SiO_2}$ 反應，轉化為矽：

以上兩式相加後，總反應即為題目所列的矽生成反應。實務上可藉由控制原料配比、混合均勻度與爐內操作條件，降低未反應碳局部過量及碳化矽累積。

（二）生產 $1\,\mathrm{kg}$ 純矽所需原料

**解題方法：**先由矽的質量換算莫耳數，再依主反應的莫耳比例求出二氧化矽與碳的需求量。

矽的莫耳質量為 $28\,\mathrm{g/mol}$，因此：

由反應式 $\mathrm{SiO_2:C:Si}=1:2:1$，所需二氧化矽為：

核心觀念

二次鋰離子電池是可重複充放電的電化學電池，主要利用鋰離子在正、負極材料間往返移動，稱為「搖椅式」反應。充電時，外加電源迫使反應逆向進行；放電時，電池內的自發氧化還原反應將化學能轉為電能。

以下以常見的石墨負極與含鋰金屬氧化物正極為例。令正極材料以 $\mathrm{LiMO_2}$ 表示，$M$ 代表過渡金屬。

解題方法

放電時：

• 負極的嵌鋰石墨發生氧化，釋出鋰離子與電子：

• 鋰離子經電解液由負極移向正極；電子則經外部電路流向正極，形成電流。
• 正極接受鋰離子與電子，發生還原並嵌入鋰離子：

**充電時：**外加電源使上述反應逆向進行。鋰離子由正極脫出，經電解液移向負極並嵌入石墨；電子則由外加電源送至負極。充電結束時，負極儲存較多鋰離子，電池內部的化學能增加。

放電時，鋰離子在電池內部由負極移至正極；充電時則相反。電子經外部電路移動，不能與鋰離子的電解液內遷移混為一談。

電量計算

題目給定放電電流 $I=1\,\mathrm{A}$、電壓 $V=3.7\,\mathrm{V}$、時間 $t=2\,\mathrm{h}$。電池輸出的電能為：

先計算容量：

核心觀念

本題考氣體吸收的物料衡算，以及氣體莫耳百分率的定義。氨被水吸收後，出口氣體總莫耳流率會減少，因此計算出口氨濃度時，分母須採用出口氣體總流率，不能直接沿用入口總流率。

解題方法

入口氣流總流率為 $20\,\mathrm{mol/h}$，氨占 $10\%$，所以入口氨流率為

其中 $80\%$ 的氨被水吸收，因此出口氣體中的氨流率為

入口氣體中非氨成分的流率為