112 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

本題考查半導體的能帶結構、光伏效應，以及矽基材料的特性比較。

半導體的導電能力介於導體與絕緣體之間，其能帶結構中，低能量的價電子主要位於價帶，較高能量的可導電電子位於導帶；兩者之間沒有允許電子存在的能態區域，稱為能隙，能隙大小記為 $E_g$。

解題方法

半導體定義與能隙

半導體是指在一般條件下導電能力介於導體與絕緣體之間，且導電能力可受溫度、光照或摻雜等因素顯著改變的材料。於絕對零度附近，價帶大致填滿、導帶大致為空；電子獲得足夠能量後，可跨越能隙進入導帶，並在價帶留下電洞，兩者均可參與導電。

$$E_g = E_C - E_V$$

其中 $E_C$ 為導帶底能量，$E_V$ 為價帶頂能量。半導體的能隙通常約為 $0.1\text{–}3\ \mathrm{eV}$；不同教材的概略分類範圍略有差異，答題時寫出此常用範圍即可。

能量 ↑

導帶 ───────────── 導帶底 E_C
 ↑
 │ E_g：能隙（禁制能量區）
 ↓
價帶 ───────────── 價帶頂 E_V

半導體太陽能電池的發電原理

太陽光照射半導體時，若光子能量 $h\nu \geq E_g$，半導體可吸收該光子，使價帶電子躍遷至導帶，並產生一對電子—電洞。太陽能電池中的內建電場（通常來自 $p$ 型與 $n$ 型半導體形成的接面）將電子與電洞分離，電子與電洞分別往不同方向移動；接上外部電路後，電荷經由負載流動，形成電流並輸出電能。

光子能量與波長的關係為：

$$E_{\text{photon}} = h\nu = \frac{hc}{\lambda}$$

核心觀念

本題考查的是自由基聚合依「反應介質與單體分散方式」所分的四種液相聚合方法：

1. 本體聚合（bulk polymerization）
2. 溶液聚合（solution polymerization）
3. 懸浮聚合（suspension polymerization）
4. 乳化聚合（emulsion polymerization）

四者的差異在於是否加入溶劑或水相、單體如何分散，以及引發劑位於何處。這些條件會影響反應熱移除、黏度、聚合速率、分子量、產品形態與後處理難易度。

解題方法

依序判斷每種方法的反應相態、引發劑配置與產品型態，再比較其熱傳、黏度、純度及分離回收等特性。解題時須特別區分懸浮聚合與乳化聚合：兩者都常以水為連續相，但分散尺度、引發劑位置和產物形態不同。

四種聚合方法及優缺點

1. 本體聚合

單體中加入引發劑，直接在單體本身進行聚合，不另加溶劑或水。反應系統組成簡單，反應後通常可直接取得較純的聚合物。

優點：

• 製程簡單，設備與配方較單純。
• 不需回收溶劑，產品污染少、純度高。
• 單體濃度高，單位反應器體積的產能可高。

缺點：

• 聚合反應放熱集中，移熱困難，容易造成局部過熱。
• 隨轉化率增加，聚合物含量與黏度上升，攪拌、傳熱和傳質都變困難。
• 高黏度可能使分子量分布與產品品質不易控制；某些系統還會出現自加速現象。

2. 溶液聚合

將單體及引發劑溶於適當溶劑中，再進行聚合。溶劑可降低反應混合物黏度，並協助移除反應熱。

優點：

• 黏度較低，攪拌、傳熱與操作控制較容易。
• 反應熱可由溶劑稀釋及移除，溫度較容易控制。
• 聚合物溶液可直接供塗料、黏著劑等用途使用，省去部分加工步驟。

缺點：

• 溶劑會稀釋單體，通常降低反應器的體積生產率。
• 溶劑可能引起鏈轉移，使聚合物分子量降低。
• 溶劑須回收或移除，增加設備、能源與成本，也須考量溶劑安全及排放。

3. 懸浮聚合

將單體分散成液滴懸浮於水中，通常使用油溶性引發劑；每個單體液滴內部進行聚合。分散劑或懸浮穩定劑可避免液滴合併。產品通常是聚合物珠粒或顆粒。

優點：

• 水相有助於移除反應熱，溫度控制較容易。
• 液滴黏度高於乳膠粒子，但整體漿液仍容易攪拌與處理。
• 聚合物可直接形成顆粒，便於過濾、洗滌與乾燥。

缺點：

核心觀念

本題考查陶瓷材料的分類與用途。陶瓷依主要功能可分為電子陶瓷與結構陶瓷：

• 電子陶瓷著重電性、磁性或光電性，常用於電子元件與感測、能量轉換。
• 結構陶瓷著重機械、熱學及化學穩定性，常用於承受負荷、高溫或腐蝕環境的零件。

解題方法

回答時先列出電子陶瓷的三項代表性質，再將性質連結到元件功能，列舉三種應用；接著說明結構陶瓷的共通特性，並舉出兩種常見材料。電子陶瓷的性質與應用不必一一配對，但須清楚呈現其功能關係。

電子陶瓷：特性與應用

電子陶瓷通常以氧化物、氮化物或其他無機非金屬材料製成，經組成與微結構設計，可呈現多種功能。

三種特性

1. 介電性：材料具有一定介電常數與電氣絕緣能力；部分材料具有高介電常數，可在較小體積內儲存電荷。
2. 壓電性與鐵電性：壓電材料受機械應力時會產生電荷，施加電場時則產生形變；鐵電材料具有可由外加電場切換的自發極化。
3. 半導性或離子導電性：可透過摻雜、缺陷或溫度調整導電行為，適合用於感測、加熱或電化學元件。

三種應用

1. 電容器：利用高介電常數陶瓷作為介電層，例如多層陶瓷電容器（MLCC）。
2. 壓電元件：利用壓電效應製作蜂鳴器、超音波換能器、壓力感測器或致動器。
3. 感測與加熱元件：半導性陶瓷可用於熱敏電阻、氣體感測器及陶瓷加熱器；氧離子導電陶瓷亦可用於氧感測器或固態氧化物燃料電池。

結構陶瓷：特性與材料

核心觀念

本題考查煉油中的兩種石油加工路徑：一是以加氫脫硫降低油品硫含量；二是由石油餾分製取芳香烴。回答時須交代加氫脫硫的目的、反應與操作方式，並說明芳香烴的主要來源、製程及產品。

加氫脫硫法：目的與處理方式

**目的：**原油中的硫以硫醇、硫化物、二硫化物及噻吩類等形式存在。若留在油品中，燃燒後會形成硫氧化物，造成空氣污染與酸雨；硫也會使觸媒中毒，並加劇設備腐蝕。因此，加氫脫硫（hydrodesulfurization, HDS）用來降低石油餾分中的硫含量，改善油品品質、保護後續觸媒與設備，並符合燃料規格及環保要求。

**處理方式：**將含硫油料與氫氣混合，在高溫、高壓下通過加氫脫硫觸媒床。工業上常用鈷－鉬或鎳－鉬觸媒，載體通常為氧化鋁。含硫有機物在觸媒作用下加氫、斷裂碳－硫鍵，硫主要轉化成硫化氫；硫化氫再由氣液分離及吸收等程序自油品中移除。概念反應可寫為：

$$\mathrm{R{-}S{-}R' + 2H_2 \rightarrow RH + R'H + H_2S}$$

噻吩等較難處理的含硫化合物，需經加氫及環結構破壞後形成硫化氫。實際反應條件依原料與產品規格而定；通常原料越重、含硫化合物越難反應，所需操作嚴苛度越高。

石油中芳香烴的取得

石油中的芳香烴主要由石腦油餾分製取。典型流程是先將原油分餾取得石腦油，再進行加氫處理以移除硫、氮等雜質，避免其毒化觸媒；接著送入**觸媒重組（catalytic reforming）**程序。

核心觀念

煉鋼的主要目的，是將生鐵或熔銑中的碳及矽、錳、磷等元素氧化，並使氧化產物進入爐渣或逸出爐外，將熔融鐵水調整成符合規格的鋼。主要反應可分為氧化除雜、造渣除磷除硫，以及脫氧與合金化。

碳鋼則依含碳量分為低碳鋼、中碳鋼與高碳鋼。含碳量會影響鋼材的強度、硬度、延性、韌性、焊接性及熱處理反應。

解題方法

作答時先依煉鋼操作順序說明主要反應，再以含碳量區間分類碳鋼，最後比較含碳量升高對鋼材性質的影響。如此能同時交代煉鋼如何除去雜質，以及碳含量如何決定鋼材用途。

煉鋼過程的主要化學反應

煉鋼時吹入氧氣，使熔銑中的碳、矽、錳、磷等元素氧化。反應如下：

1. 碳的氧化 碳主要氧化生成一氧化碳，氣體逸出並帶動熔池攪拌：

$[C]+\frac{1}{2}O_2\rightarrow CO(g)$

部分碳進一步氧化成二氧化碳：

$[C]+O_2\rightarrow CO_2(g)$

方括號表示元素溶於鋼液中。除碳是調整鋼液含碳量的核心反應。

2. 矽的氧化

$[Si]+O_2\rightarrow SiO_2$

生成的二氧化矽進入爐渣；加入石灰後，二氧化矽與氧化鈣形成矽酸鈣等爐渣成分：

$SiO_2+CaO\rightarrow CaSiO_3$

3. 錳的氧化

$[Mn]+\frac{1}{2}O_2\rightarrow MnO$

氧化錳可進入爐渣；後續也可依鋼種需要加入錳鐵等合金料，調整鋼液成分。

4. 磷的氧化與除磷

$2[P]+\frac{5}{2}O_2\rightarrow P_2O_5$

五氧化二磷在鹼性爐渣中與氧化鈣結合，形成穩定的磷酸鈣類物質，使磷由鋼液轉入爐渣。除磷需有足夠的鹼性爐渣，並配合適當的氧化條件。

5. 硫的去除

硫通常不是靠氧化去除，而是在適當的鹼性、低氧勢條件下進入爐渣，形成硫化鈣。可用下式表示其基本方向：

$[S]+CaO+[C]\rightarrow CaS+CO(g)$

實際反應受爐渣成分及操作條件影響；高鹼度爐渣有利於脫硫。