113 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

石油轉化（petroleum conversion）是以物理或化學方法改變石油餾分的分子大小、結構或組成，使原油中較低價值的重質餾分，轉成需求較高的輕質燃料或化工原料。題目分兩部分：先說明轉化的兩大目的，再列舉五種重要方法並交代各自的反應特徵與用途。

解題方法

作答時先從石油煉製的兩個需求切入：一是提高汽油等輕質產品的產率，二是改善產品品質或製造特定化學品。接著選取代表性的轉化方法，按「原料與條件—主要反應—產品與用途」說明，避免只列方法名稱。

（一）石油轉化的兩種主要目的

1. 增加輕質油品產率 原油中含有相當比例的重質餾分，但市場對汽油、柴油、液化石油氣等較輕產品的需求較高。藉由裂解等方法將大分子烴轉成較小分子，可提高輕質產品的收率，並提升原油的經濟價值。

2. 改善油品品質或製造所需產品 透過改變烴類結構或組成，可提高汽油辛烷值、降低不理想成分，或製得烯烴、芳香烴等石油化工原料。此類轉化使產品更符合燃料規格及化工原料需求。

（二）五種重要的石油轉化方法

1. 熱裂解（thermal cracking）

將重質烴在高溫下加熱，使碳—碳鍵斷裂，形成較小分子的烴。反應通常不使用催化劑，條件較嚴苛，產物包括汽油餾分、氣體及烯烴；裂解深度提高時，也可能生成較多焦炭。熱裂解可用來將重質餾分轉為較輕產品。

2. 催化裂解（catalytic cracking）

核心觀念

工業製硫酸主要採用鉛室法與接觸法。兩者都是先製得二氧化硫，再將其氧化成三氧化硫，最後生成硫酸；差別在於二氧化硫的氧化方式，以及吸收含硫氧化物的流程。

解題方法

依製程順序列出各步驟的化學反應式，並區分兩種方法的關鍵反應：

• 鉛室法：以氮氧化物為氧化媒介，在含水環境中將二氧化硫氧化並生成硫酸。
• 接觸法：以五氧化二釩為觸媒，催化二氧化硫與氧氣反應生成三氧化硫，再以濃硫酸吸收。

（一）兩種製造方法

1. 鉛室法（Lead-chamber process）
2. 接觸法（Contact process）

（二）各步驟的化學反應方程式

1. 鉛室法

先燃燒硫磺或焙燒硫化礦，製得二氧化硫：

$$\mathrm{S + O_2 \rightarrow SO_2}$$

鉛室內由氮氧化物協助氧化二氧化硫，並在水存在下生成硫酸。總反應為：

$$\mathrm{2SO_2 + O_2 + 2H_2O \rightarrow 2H_2SO_4}$$

氮氧化物在反應中作為氧化媒介，可由下列反應表示其循環：

$$\mathrm{2NO + O_2 \rightarrow 2NO_2}$$ $$\mathrm{SO_2 + NO_2 + H_2O \rightarrow H_2SO_4 + NO}$$

生成的 $\mathrm{NO}$ 再被氧氣氧化成 $\mathrm{NO_2}$，持續參與反應。

2. 接觸法

核心觀念

塗料是塗布於物體表面、經乾燥或固化後形成塗膜的流動性混合物。題目重點在辨認塗料的主要組成，並說明各成分在「施工前」與「形成塗膜後」的作用。

常見的五種成分可列為：

1. 成膜物質（樹脂／展色劑）
2. 顏料
3. 溶劑或稀釋劑
4. 填充料
5. 助劑

不同塗料配方的成分種類與比例會有差異；部分配方不含填充料，乾燥劑等功能物質則歸入助劑。

解題方法

先以成膜物質、顏料、溶劑三項作為骨幹，再補上填充料與助劑，構成五項。作答時要區分「塗料尚未塗布時的施工性能」與「塗布後塗膜的性能」：溶劑主要協助施工，成膜物質則留在塗膜中並提供附著與保護。

五種成分及其功用

1. 成膜物質（樹脂／展色劑）

成膜物質是塗膜的主要骨架，常用樹脂或乾性油等。塗布後會藉由溶劑揮發、氧化、聚合或交聯等方式形成連續膜層，將顏料固定在基材表面。

其主要功用包括：

• 使塗膜附著於基材。
• 黏結顏料與填充料，使塗膜完整、不易粉化。
• 決定塗膜的硬度、柔韌性、光澤、耐水性、耐化學性與耐候性等性能。

2. 顏料

顏料是分散於塗料中的固體微粒，通常不溶於介質。其功用包括：

• 提供顏色與裝飾效果。
• 增加遮蓋力，使基材表面不易透出。
• 部分顏料可提供防鏽、耐候或其他特殊功能。

顏料需由成膜物質包覆並固定於塗膜中，才能發揮應有的著色與遮蓋效果。

3. 溶劑或稀釋劑

溶劑或稀釋劑是塗布前的液態介質，可為有機溶劑或水。其功用包括：

• 溶解或分散成膜物質，使塗料具有可施工的流動性。
• 調整黏度，便於刷塗、輥塗或噴塗。
• 在塗布後揮發，幫助塗膜形成。

核心觀念

本題比較 TFT-LCD 與 OLED 的光如何產生、材料如何排列，以及這些差異如何影響顯示表現。最重要的區別是：TFT-LCD 本身不發光，靠背光源照明並調制光線；OLED 的有機發光層則能自行發光。

「TFT」是薄膜電晶體（Thin-Film Transistor），用來逐像素控制液晶的驅動電壓；它不是發光材料，也不代表面板本身會發光。兩種技術的全彩顯示通常都以紅、綠、藍（RGB）子畫素混色，但產生光線的方式不同。

解題方法

作答時依題目指定的三個面向比較：先說明發光原理，再依光線路徑說明材料結構，最後將兩者連結到顯示特性。例如，LCD 必須使用背光且需以液晶控制透光量，因此需要背光模組、偏光板與彩色濾光片；OLED 像素可自行發光，因此可逐像素控制亮度與熄滅。

一、發光原理

TFT-LCD：背光透射與液晶調光

LCD 的液晶層本身不會發光。背光模組先提供白光，光線經偏光板後進入液晶層。施加在像素上的電壓會改變液晶分子的排列，進而改變光的偏振狀態；光線再通過另一片偏光板時，透過量會依液晶狀態而改變。最後，光線通過紅、綠、藍彩色濾光片形成各色子畫素。

以理想化的透射式模型表示，通過交叉偏光板的光強可寫為：

$$I=I_0\sin^2(2\theta)\sin^2\left(\frac{\delta}{2}\right)$$

其中 $I_0$ 為入射光強，$\theta$ 表示液晶光軸與偏光方向的夾角，$\delta$ 表示液晶造成的相位延遲。實際面板的光學結構會因液晶模式與設計而異，但共同原理是以電場控制液晶排列，調節背光的透過量。

OLED：有機層中的電致發光

OLED 的每個子畫素由電流驅動。施加電壓後，陽極注入電洞、陰極注入電子；載子經有機傳輸層移動至發光層，在發光層中復合形成激子。激子由激發態回到基態時放出光子，形成電致發光。

可概括為：

$$\text{電子}+\text{電洞}\longrightarrow\text{激子} \longrightarrow\text{光子}$$

發光顏色主要由發光材料的能階差決定，光子能量與波長的關係為：

$$E=h\nu=\frac{hc}{\lambda}$$

因此，OLED 的紅、綠、藍子畫素可由不同發光材料產生對應顏色；部分面板也採用白光 OLED 搭配彩色濾光片的設計。

二、材料結構

TFT-LCD 的典型結構

由背光側朝觀察者方向，典型透射式 TFT-LCD 可概略排列為：

1. 背光模組：由光源、導光板、擴散片及增亮膜等構成，提供面板照明。
2. 後偏光板：使背光形成特定偏振狀態。
3. TFT 陣列基板：包括玻璃基板、薄膜電晶體、像素電極與配向層。TFT 依掃描線與資料線訊號控制各像素的電壓。
4. 液晶層：液晶分子受電場影響而改變排列，調制光線偏振狀態與透射量。
5. 彩色濾光片基板：含紅、綠、藍濾光片及黑色矩陣，用以形成彩色子畫素並減少漏光。
6. 前偏光板：配合液晶層將偏振變化轉成亮度變化。

液晶盒中也包含間隙維持與配向相關的材料結構，例如配向膜與間隔物。不同 LCD 模式（如 TN、IPS、VA）的液晶排列及電場設計不同，因而具有不同的視角、對比與反應特性。

OLED 的典型結構

典型 OLED 元件可概略排列為：

核心觀念

本題考查依「用途」分類的一般通用高分子材料。分類重點是材料的主要功能與應用領域，不是依照分子結構、單體種類或加工方式分類。

解題方法

列出常見的五類通用高分子材料，並各以代表材料與用途辨識：

1. 塑膠：可加熱成形，常用於包裝、容器、建材及日用品；例如聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）。
2. 纖維：可抽絲製成長絲或短纖，供紡織與工業用途；例如聚酯纖維、尼龍。
3. 橡膠：具有彈性與可回復變形能力，常用於輪胎、密封件及軟管；