110 專技高考高等考試 化學工程技師 工業化學 考古題詳解

核心觀念

本題是工業化學名詞解釋題，重點在於掌握高分子熱性質、金屬材料結構、漂白粉的氧化能力、烯烴聚合觸媒，以及空氣懸浮微粒的粒徑定義。作答宜先給明確定義，再補充形成原因、性質或用途。

解題方法與名詞說明

(一) 玻璃轉移溫度（glass transition temperature, $T_g$）

定義： 非晶質高分子或半結晶高分子中的非晶區，由硬脆的玻璃態轉變為柔軟、可形變的高彈態時所對應的溫度，稱為玻璃轉移溫度。

觀念說明： $T_g$ 並非高分子鏈開始熔化的溫度，而是鏈段的協同運動逐漸活化、材料由僵硬轉為柔順的轉變。低於 $T_g$ 時，鏈段運動受限，材料通常較硬且脆；高於 $T_g$ 時，鏈段活動增加，材料較柔軟、有彈性。半結晶高分子仍有非晶區，因此也有 $T_g$；其晶區則另有熔點 $T_m$。

解題技巧： 務必區分 $T_g$ 與 $T_m$：前者是非晶區的玻璃態轉變，後者是晶區的熔融。

(二) 非晶質金屬（amorphous metal）

定義： 原子排列不具長程週期性、沒有一般晶體金屬所具有的晶粒與晶界，呈現非晶態結構的金屬材料，又稱金屬玻璃。

形成與性質： 常以熔融金屬快速淬冷，使原子來不及排列成晶體而形成。由於缺少晶界與晶粒等結構缺陷，非晶質金屬常具有高強度、高硬度、良好耐磨性及耐蝕性；部分合金也具有良好軟磁性。實際性質仍會依合金組成與製程而異。

解題技巧： 作答關鍵是「金屬成分、非晶結構、快速淬冷」；不要將「非晶」誤解成非金屬材料。

(三)（漂白粉）有效氯（available chlorine）

定義： 漂白粉中能提供氧化與漂白作用的有效氧化能力，以相當量的氯氣（$Cl_2$）表示；通常以漂白粉中有效氯的質量百分率表示。

計算觀念： 有效氯是以氧化能力換算的「氯氣當量」，不代表漂白粉內全部都是游離氯氣。若某漂白粉樣品的有效氯含量為 $p\%$，表示每 $100\ \mathrm{g}$ 樣品的氧化能力相當於 $p\ \mathrm{g}$ 的 $Cl_2$。因此，$m\ \mathrm{g}$ 樣品所含有效氯相當量為：

核心觀念

本題考查兩種基本工業化學製程：由氫、氯直接合成氯化氫，再吸收製成鹽酸；以及食鹽水電解製造氫氧化鈉。作答時須分清楚氣態氯化氫與水溶液鹽酸，並說明電解槽兩極的材料及反應。

解題方法

（一）合成法製造鹽酸

合成法以氫氣和氯氣為原料，在合成爐中直接反應生成氯化氫氣體，再將氯化氫氣體導入吸收塔，以水吸收，得到鹽酸。

合成反應為：

此反應放熱且反應迅速，工業操作須控制氫、氯的混合比例與反應熱，避免局部過熱及未反應氣體逸出。生成的氯化氫氣體經冷卻後，以水吸收：

也可簡寫為：

合成爐及相關高溫反應部位常採用耐高溫、耐氯氣與氯化氫腐蝕的石英或石墨材料；吸收設備則常用耐鹽酸腐蝕的石墨、陶瓷或適用的耐蝕材料。答題時應指出合成裝置的材料以耐腐蝕、耐熱為原則，並列出石英或石墨等常用材料。

（二）電解法製造氫氧化鈉

工業上以濃食鹽水為原料進行電解。陽極使氯離子氧化生成氯氣；陰極使水還原生成氫氣與氫氧根離子。鈉離子留在溶液中，與氫氧根離子形成氫氧化鈉。

以隔膜電解槽為例：

• **陽極材料：**石墨或尺寸穩定陽極（通常為鈦基材表面塗覆金屬氧化物）。
• 陽極反應：

核心觀念

本題考查流體化床觸媒裂煉（Fluid Catalytic Cracking, FCC）的流程配置、觸媒循環與再生，以及裂解產物分離。作答時須呈現兩個主要設備：反應器與再生器；並標出原料、空氣、煙氣、觸媒及產品的流向。

FCC以重質石油餾分（如真空瓦斯油）為原料，在固體酸性觸媒上裂解成較輕的烴類，產品包括汽油、液化石油氣、輕質瓦斯油及油漿。反應時，焦炭會沉積在觸媒上，使觸媒活性下降；因此觸媒需連續送往再生器燒除焦炭，再返回反應區循環使用。

流程圖

 煙氣 → 熱回收／除塵 → 排放
 ↑
空氣 → 空氣鼓風機 → ┌────────────┐
 │ 再生器 │
 └─────┬──────┘
 再生觸媒│
 ↓
重質瓦斯油 → 預熱／噴嘴 → 提升管（Riser）→ 反應器／旋風分離器
 │ │
 │ └→ 裂解油氣
 ↓ ↓
 汽提器 主分餾塔
 蒸汽 ↑ │ ┌────┼─────┐
 │ │ │ │
 待生觸媒 汽油 輕／重 油漿
 └────────────→再生器
 瓦斯油

圖中觸媒循環方向為「再生器 → 提升管及反應器 → 汽提器 → 再生器」；油氣產品則由反應器送往主分餾塔。

解題方法與流程說明

1. **原料與再生觸媒接觸：**重質瓦斯油經預熱後，在提升管底部與高溫再生觸媒混合。原料迅速汽化，並在觸媒表面進行裂解反應。典型操作為短停留時間、高觸媒／油比；重點是讓油氣迅速接觸熱觸媒，完成裂解後立即分離，以限制二次反應。

2. **提升管裂解：**提升管中的油氣與粉末狀觸媒向上流動，發生大分子烴的裂解，形成較小分子烴。FCC屬催化裂解，使用酸性固體觸媒，常見觸媒含沸石；反應以碳正離子機構進行。簡化表示為：

核心觀念

本題要辨別「壓克力樹脂」與「壓克力纖維」的主要成分及其聚合方式。兩者都以含有碳碳雙鍵的丙烯酸系單體進行加成聚合，但單體組成、聚合物用途與商品形態不同：

• 壓克力樹脂通常以甲基丙烯酸甲酯（methyl methacrylate，MMA）聚合製成，主要聚合物為聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）。
• 壓克力纖維主要成分為聚丙烯腈（polyacrylonitrile，PAN），由丙烯腈（acrylonitrile，AN）聚合製成。工業上的壓克力纖維通常以聚丙烯腈為主，並可含少量共聚單體，以改善染色性與加工性。

兩者的基本反應皆為烯類單體的自由基加成聚合：雙鍵打開，單體接續形成高分子主鏈，聚合時不脫除小分子。

解題方法

先依商品名稱判斷材料用途，再對應其代表性高分子與單體：

1. 「壓克力樹脂」是透明、耐候的樹脂材料，代表性聚合物為 PMMA，單體為 MMA。
2. 「壓克力纖維」是合成纖維，主要聚合物為 PAN，單體為 AN。
3. 將各單體的碳碳雙鍵改寫為聚合物主鏈，並以括號標出重複單元及聚合度 $n$。
4. 各舉兩項能反映其材料特性的應用商品。

（一）壓克力樹脂（acrylic resin）

高分子種類與反應式

壓克力樹脂的代表性材料為聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），俗稱壓克力。其單體甲基丙烯酸甲酯的結構式為 $\mathrm{CH_2=C(CH_3)COOCH_3}$，經自由基加成聚合生成 PMMA：

核心觀念

本題考查三聚氰胺的分子結構、尿素熱分解製程、三聚氰胺甲醛樹脂的縮合反應，以及樹脂用途與三聚氰胺摻入奶粉的原因。配平反應式時，須分別核對各元素原子數；形成樹脂時，則要掌握三聚氰胺上的胺基可與甲醛反應，後續再經縮合形成交聯結構。

解題方法與分題說明

（一）三聚氰胺的結構式（3 分）

三聚氰胺又稱 2,4,6-三胺基-1,3,5-三嗪，含有一個六元芳香雜環，環上氮原子與碳原子交替排列；三個環碳各連接一個胺基（$-\mathrm{NH_2}$）。

可用下列縮寫結構表示：

其分子式為 $\mathrm{C_3H_6N_6}$。作圖時，畫出交替含三個碳、三個氮的六元環，並在三個環碳上各接一個 $-\mathrm{NH_2}$。

（二）尿素製得三聚氰胺的反應方程式（3 分）

尿素受熱分解可生成三聚氰胺、氨氣及二氧化碳。以尿素 $\mathrm{CO(NH_2)_2}$ 為反應物，先由三聚氰胺含有 3 個碳原子，得知至少需要 3 莫耳尿素；再依序配平氮、氫與氧：

原子數核對：反應物含 C 6、H 24、N 12、O 6；生成物合計也含 C 6、H 24、N 12、O 6。

（三）三聚氰胺與甲醛生成美耐皿樹脂（8 分）

三聚氰胺有三個胺基，每個胺基含兩個可反應的氫，因此每莫耳三聚氰胺有六個胺基氫可與甲醛反應。反應可分為羥甲基化及後續縮合。

第一步，甲醛加成至胺基，生成羥甲基三聚氰胺：

第二步，羥甲基化合物進一步縮合，分子間形成交聯網狀結構並脫去水。可用下式概括：