114 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

脂肪分解酵素（lipase）屬於水解酵素，能催化油脂中三酸甘油酯的酯鍵水解。清洗時，酵素作用的對象是附著在物體表面的油脂類污染物；油脂被水解成較易分散、乳化或溶於水相的小分子後，便較容易從被污染物表面脫離，再隨清洗液帶走。

解題方法

可依「辨認污染物 → 酵素反應 → 污染物脫附與移除」說明清洗原理。

1. 辨認污染物： Lipase 專一作用於油脂中的酯鍵，特別是三酸甘油酯。它不是直接溶解物體表面，也不是分解所有種類的污垢。
2. 酵素水解油脂： 三酸甘油酯與水反應，生成甘油及脂肪酸： $\text{三酸甘油酯}+3\mathrm{H_2O}\xrightarrow{\text{lipase}}\text{甘油}+3\text{脂肪酸}$ 水解也可能逐步形成二酸甘油酯、單酸甘油酯，最後生成甘油與脂肪酸。

核心觀念

本題考查蝕刻的兩種分類：依製程介質分為濕蝕刻與乾蝕刻；依蝕刻方向性分為等向性與非等向性蝕刻。

• 濕蝕刻：以液態化學藥液溶解或反應去除材料。藥液會向各方向接觸材料，因此通常呈等向性；不同材料對藥液的反應差異大，通常具有較高的材料選擇性。
• 乾蝕刻：以氣體、電漿或離子等方式去除材料。電漿蝕刻屬於乾蝕刻。若利用電場加速離子垂直轟擊基板，蝕刻方向性較強，常用於非等向性蝕刻。

解題方法

先依蝕刻介質與反應方式辨別濕、乾蝕刻，再依蝕刻速率在不同方向是否相近判斷等向性。選擇性則比較蝕刻不同材料時的速率差異：材料反應差異越大，越容易只蝕刻目標材料而保留其他材料，選擇性越高。

各小題解析

（一）電漿蝕刻屬於濕蝕刻還是乾蝕刻？

電漿是由氣體游離形成的帶電粒子與活性物種，製程中不以液態藥液作為蝕刻介質，因此電漿蝕刻屬於乾蝕刻。

（二）濕蝕刻和乾蝕刻何者對不同材料有較高選擇性？

核心觀念

本題考查染料依化學結構、溶液中的離子性質及染色機制所作的分類。作答時要把三件事分清楚：直接染料通常如何與纖維作用、酸性與鹽基性染料在水中帶何種電荷，以及氧化染料如何在纖維上形成發色物質。

解題方法與作答

（一）直接染料的化學結構主要包含哪些基團？

直接染料多為含多個芳香環、分子較線狀且較平面的偶氮染料，常具有一個或多個偶氮基 $-\mathrm{N=N}-$；也可見蒽醌等其他發色結構。分子常含有磺酸基 $-\mathrm{SO_3H}$（在水溶液中主要以磺酸根 $-\mathrm{SO_3^-}$ 存在），以增加水溶性。

其芳香環上常有羥基 $-\mathrm{OH}$、胺基 $-\mathrm{NH_2}$、醯胺基 $-\mathrm{CONH}-$ 等可形成氫鍵的基團。這些基團可與纖維素纖維上的羥基形成分子間作用力，加上分子形狀較適合貼近纖維素，使染料具有對纖維素的親和性，能直接染色。

**作答重點：**偶氮基等發色基團、磺酸基等水溶性基團，以及羥基、胺基、醯胺基等有助於與纖維素作用的基團。

（二）酸性染料和鹽基性染料的差異性

兩者最重要的差異是染料在水中解離後帶電的有色離子不同，因此適染纖維及染色時的結合方式也不同。

核心觀念

酚醛樹脂由酚與甲醛反應製得，反應先在酚環的鄰位或對位引入羥甲基（$-\mathrm{CH_2OH}$），再經縮合形成亞甲基橋（$-\mathrm{CH_2}-$）或亞甲基醚橋（$-\mathrm{CH_2-O-CH_2}-$），逐步連接成聚合物。產物型態主要取決於酚與甲醛的莫耳比、酸鹼催化條件，以及羥甲基化程度。

解題方法

先寫出酚的鄰位羥甲基化反應，再指定兩分子 2-羥基苄醇縮合時的連接位置與小分子副產物。最後從反應物比例、催化條件、固化需求與樹脂結構，比較 Novolak、Resol 與 cast 樹脂。

（一）酚與甲醛加成生成 2-羥基苄醇

甲醛的羰基碳與酚環鄰位碳形成碳－碳鍵，生成羥甲基；下式為生成 2-羥基苄醇的反應：

此為酚環的羥甲基化加成反應，題目指定產物為鄰位異構物；酚環對位也能發生類似反應。

（二）兩分子 2-羥基苄醇縮合

兩分子的羥甲基與另一分子的芳香環鄰位氫縮合，形成亞甲基橋並放出水：

產物為以 $-\mathrm{CH_2}-$ 連接的二聚體（常稱二羥基二苄基甲烷類化合物）。反應式左右兩側原子數相同：兩個羥甲基的氧與氫重新組合成一分子水，芳香環間則由亞甲基橋連接。

（三）Novolak、Resol 與 cast 樹脂的差異

核心觀念

本題考查酸雨的主要生成反應，以及旋風分離器利用離心作用去除氣流中粒狀污染物的原理與限制。酸雨主要由硫氧化物（$SO_x$）及氮氧化物（$NO_x$）在大氣中氧化並溶入水滴形成硫酸與硝酸。

解題方法

（一）酸雨的形成反應

燃燒含硫燃料會產生二氧化硫，進入大氣後進一步氧化成三氧化硫，再與水反應形成硫酸：

大氣中的二氧化硫也可溶於水形成亞硫酸，並繼續被氧化成硫酸：

高溫燃燒及交通排放產生的一氧化氮，會氧化成二氧化氮；二氧化氮在水滴中反應形成硝酸：

核心觀念

本題考查煉鋼與煉鐵的基本原理：

• 煉鋼：將生鐵中的碳及其他不需要的元素氧化、去除，並調整成分，以取得符合用途的鋼。
• 碳鋼：以鐵為主要成分，碳為主要合金元素的鋼。
• 石灰石在煉鐵中的作用：受熱分解產生氧化鈣，氧化鈣與礦石中的二氧化矽等酸性脈石反應，形成熔融爐渣，利於與鐵水分離。

解題方法

依序從「煉鋼要改變什麼」、「碳鋼如何定義」及「石灰石如何造渣」作答。第三小題需寫出石灰石分解、氧化鈣與脈石反應兩個階段的反應式。

（一）煉鋼的目的

生鐵含碳量較高，且常含有矽、錳、磷、硫等元素。煉鋼的目的，是透過氧化反應降低生鐵中的碳含量，並去除或控制矽、錳、磷等雜質，使鐵液的成分與性質符合鋼材用途；必要時再加入合金元素，以調整鋼的強度、韌性、硬度或耐蝕性。

（二）碳鋼的定義

碳鋼是以鐵為主要成分、以碳為主要合金元素的鋼。其性質主要受含碳量影響，並含有少量製程中不可避免的元素，例如錳、矽、磷、硫；與合金鋼相比，碳鋼並未刻意加入大量其他合金元素以取得特定性能。

（三）加入石灰石的目的與反應