115 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

本題考苯胺的工業製法：先將苯硝化製成硝基苯，再將硝基苯催化加氫還原為苯胺。作答要寫出兩步反應式，並指出各步使用的商業觸媒。

解題方法

第一步：苯的硝化

苯與硝酸在硫酸存在下進行親電子芳香取代，生成硝基苯與水：

硫酸促使硝酸形成硝鎓離子 $\mathrm{NO_2^+}$，由此親電子試劑取代苯環上的氫。硫酸在此是酸性反應介質與硝化促進劑；工業硝化通常不稱它為固體觸媒。

第二步：硝基苯的催化加氫

硝基苯以氫氣還原成苯胺，總反應式為：

核心觀念

煤炭氣化是以高溫使煤中的碳與氣化劑反應，製得以一氧化碳 $\mathrm{CO}$ 和氫氣 $\mathrm{H_2}$ 為主的合成氣。氣化劑可為水蒸氣、氧氣或空氣；水蒸氣提供氫，氧氣則使部分碳氧化並供應反應熱。氣化過程也會伴隨完全氧化、水煤氣轉化及甲烷生成等副反應。

解題方法

以煤的主要成分碳 $\mathrm{C}$ 為基準，分別列出生成 $\mathrm{CO}$ 與 $\mathrm{H_2}$ 的主反應，再補上氣化時常見的副反應，並檢查各式的原子數是否平衡。

煤炭與水蒸氣反應生成合成氣的主反應為：

若使用氧氣部分氧化煤炭，也可生成一氧化碳：

伴隨發生的副反應

1. 碳完全氧化：碳燃燒生成二氧化碳，消耗部分碳並放出熱量。

2. 一氧化碳氧化：生成的 $\mathrm{CO}$ 進一步氧化為 $\mathrm{CO_2}$。

核心觀念

本題考查合成氨與尿素製程的銜接，以及尿素的兩段反應。**哈伯法（Haber process）是以氮氣和氫氣合成氨；尿素則是以氨和二氧化碳為原料，經氨基甲酸銨中間體合成。**工業尿素製程常稱 Bosch–Meiser 法。

解題方法

先交代氨與二氧化碳的來源，再依序寫出氨基甲酸銨生成、脫水生成尿素的反應，最後說明高壓合成、未反應物回收，以及尿素溶液濃縮成品的程序。

一、原料來源

哈伯法合成氨的原料為氮氣與氫氣：

氮氣通常取自空氣；氫氣常由天然氣蒸汽重組等方式製得。合成氨後，將氨送入尿素製程。尿素所需的二氧化碳，可由製氫或合成氨製程中的含二氧化碳氣流回收、純化後供應。

尿素總反應為：

二、尿素合成反應與程序

尿素合成分為兩步：

1. **生成氨基甲酸銨：**氨與二氧化碳在高壓下快速、放熱反應。

2. **脫水生成尿素：**氨基甲酸銨進一步脫水，生成尿素與水。此步反應較慢，且為吸熱反應。

工業上將液氨與二氧化碳壓縮後送入尿素合成反應器，通常在約 $170\text{–}200^\circ\mathrm{C}$、約 $140\text{–}200\ \mathrm{bar}$ 下操作；

核心觀念

本題考兩種工業製造過氧化氫的方法：異丙醇氧化法與蒽醌法。作答重點是說明各自的反應途徑，並指出反應所用的觸媒。異丙醇氧化法以異丙醇氧化生成丙酮及過氧化氫；蒽醌法則以蒽醌衍生物為循環載體，先氫化、再氧化，藉由工作液循環製得過氧化氫。

解題方法

1. 異丙醇氧化法

異丙醇在氧化觸媒存在下與氧反應，生成丙酮與過氧化氫：

此反應為氧化脫氫並伴隨氧的還原：異丙醇被氧化為丙酮，氧氣則被還原為過氧化氫。常用的氧化觸媒為鈀（Pd），亦有以其他貴金屬觸媒進行的製程。反應後分離丙酮與過氧化氫；丙酮可回收利用。

2. 蒽醌法（anthraquinone process）

蒽醌法使用可溶於有機溶劑的蒽醌衍生物作為工作載體，經「氫化—氧化—萃取—循環」製造過氧化氫：

• **氫化：**蒽醌在氫化觸媒存在下與氫反應，生成蒽氫醌（anthrahydroquinone）。

常用觸媒為鈀（Pd）；部分製程採用鎳系觸媒。

核心觀念

本題考查燃燒反應的化學計量，以及混合氣的莫耳百分率。完全燃燒時，每莫耳丙烷生成 $3$ 莫耳 $\mathrm{CO_2}$，每莫耳丁烷生成 $4$ 莫耳 $\mathrm{CO_2}$：

題目給定只有 $50\%$ 的生成二氧化碳可轉換為乾冰，因此生成的二氧化碳量是乾冰莫耳數的 $2$ 倍。

解題方法

乾冰為固態二氧化碳，分子量為：

乾冰 $462\ \mathrm{kg}$ 相當於：

這是可轉換成乾冰的二氧化碳量。因轉換率為 $50\%$，燃燒實際須生成：

令丙烷、丁烷的燃燒量分別為 $n_P$、$n_B$。混合氣含兩者各 $50\ \mathrm{mol}\%$，所以：

依完全燃燒反應，每莫耳丙烷與丁烷分別生成 $3$、$4$ 莫耳二氧化碳：