基礎化學 ( 二 ) 講義目次 第 4 章化學與化工 4 1 生活中的化學 化學與永續發展 化學與先進科技 44 國戰 大考試題 64 參考解答 65

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1 內容由蔡明倫老師和李雅婷老師編纂 基礎化學 ( 二 ) 講義 第 4 章化學與化工 科立克 班級 : 座號 : 姓名 :

2 基礎化學 ( 二 ) 講義目次 第 4 章化學與化工 4 1 生活中的化學 化學與永續發展 化學與先進科技 44 國戰 大考試題 64 參考解答 65

3 第 4 章 化學與化工 4-1 生活中的化學一 〆化學與化工的關係〆 1 定義〆 (1) 化學〆研究物質的性質 組成 結構及反應的科學 (2) 化工〆將化學實驗室的研究成果帶到工廠, 以工業化的規模, 製成產品 2 化學〆又稱為 變化的科學, 為自然科學中的基礎科學, 是材料科學 奈米技術 生物技術等學科的核心科學 化學研究的對象是涉及物質間的相互關係, 或物質和能量之間的關聯 現代化學大致可分為四大學門, 各學門又有許多延伸的子學門和應用化學的領域 (1) 有機化學〆為研究碳 氫 氧 氮 硫等元素組成的化合物, 及了解有機化合物的合成方法 物理性質和化學性質的學門 學習有機化學有助於對藥物 生物和材料高分子的開發, 是極為重要的一門基礎學門 (2) 無機化學〆有機化合物以外物質的化學領域 研究化合物的合成 機構和性質, 最常見 為金屬錯合物 現今有機和無機化學領域常有交疊, 例如有機金屬化學就是一門結合有 機和無機領域的化學 (3) 物理化學〆從物理角度分析化學原理的學門, 為近代化學的原理根基 物理化學涉及熱 力學 動力學 量子力學 統計力學等物理領域, 是最講求數值精確及理論架構嚴謹的 學門 (4) 分析化學〆研究物質成分及結構的方法, 以定性和定量的方法分析物質的學門 分析化 學是化學家最基礎的訓練之一, 尤其在實驗技巧和儀器分析上的訓練, 近來熱門的分析 儀器有〆原子與分子光譜儀 電化學分析儀 核磁共振儀 X 光和質譜儀等 (5) 其他延伸和應用的學門則有理論化學 生物化學 電化學 光化學 藥物化學 量子化 學 核子化學 環境化學及高分子化學等 1

4 3 化工〆全名為 化學工程, 是研究化學工業以及其他工業在生產過程中的條件, 發掘並解決工程與技術上所面臨的問題 化工主要研究大規模改變物料的化學組成以及其機械和物理性質, 以數學 物理及化學等觀念為基礎, 應用於工業上, 設計反應流程, 提供一個最節省成本的方法, 生產各式各樣化學產品或物料 化工包含有下列四大學門〆 (1) 熱力學〆主要是研究功與熱量之間的能量轉換, 其中理論細分為四大定律 ( 熱力學第零定律 熱力學第一定律 熱力學第二定律 熱力學第三定律 ) (2) 流體力學〆研究流體 ( 液體和氣體 ) 以及相關力學行為的科學 (3) 化學動力學〆是物理化學的一個分支, 研究化學反應的反應速率及反應機構, 是化工生 產過程中的決定性因素 (4) 化工單元操作〆是化工的主要研究領域, 在工業生產過程中所具有的物理變化之基本操作, 包括有五個方面〆流體流動過程 傳熱過程 傳質過程 熱力過程和機械過程 化工單元操作應用於各種化工生產中, 為工業生產的基礎知識, 可以推廣到各種化工學門的設計和生產過程中 (5) 其他化工相關的應用有冶金工業 食品工業 石油煉製工業及印染工業等 4 化學與化工的比較〆 分類化學化工 理論化學家在實驗室裡進行研究並差異創造出新物質做實驗時為加速化學反應, 可加實驗室熱並藉著搖動試管或攪拌燒杯與工廠裡的溶液來達成熱均勻德國化學家哈柏在實驗室, 研發例子〆出將氮與氫合成製氨的方法, 因哈柏法此榮獲 1918 年諾貝爾化學獎製氨 N 2(g) + 3H 2(g) 2NH 3(g) 把化學家在實驗室的研究成果, 放大規模 設計流程, 建廠量產, 供大眾使用在廠房加熱大鍋爐, 由於大鍋爐的面積和體積比例較小, 造成熱量的傳輸較慢, 熱分布不均勻, 易過熱而發生意外德國化工師波希冺用高壓製氨的實驗, 發展成化工量產規模, 使得氨的合成能符合成本效益而得以商業化 波希於 1931 年也榮獲諾貝爾化學獎 Fe N 2(g) + 3H 2(g) 500, 350 atm 2NH 3(g) 2

5 二 食品與化學〆 1 營養素〆生物體為維持生命, 需攝取養分 對人類而言, 食物是使身體生成 修補組織及調節生理功能所需養分的來源 (1) 醣類〆 1 人體日常生活熱能的主要來源, 每 1 公克的醣可產生 4 kcal 的熱量 2 促進脂肪新陳代謝, 脂肪氧化的過程必頇有醣類的參與 3 當醣類攝取不夠時, 身體便會以蛋白質做為能量的來源々攝取過多時, 會轉為體脂肪 (2) 蛋白質〆 1 維持人體生長發育, 構成及修補細胞 組織的主要材料 2 當能量不足時, 蛋白質可以代謝氧化產生能量, 每 1 公克的蛋白質可產生 4 kcal 的熱量 (3) 脂肪〆 1 提供熱量, 每 1 公克的脂肪可產生 9 kcal 的熱量 2 保護體內器官, 防止內臟受震動之傷害 3 幫助脂溶性維生素的吸收與冺用 4 含較多飽和脂肪酸的甘油酯若攝取過多, 會使血液中膽固醇沉積在血管壁, 造成動脈血管硬化 血栓塞 心肌梗塞等疾病 (4) 維生素〆 1 定義〆維持生命的元素, 是維持人體生命活動必頇的有機物質 2 分類〆依溶解性質分為脂溶性維生素和水溶性維生素兩類 a. 脂溶性維生素〆不溶於水, 可以溶解於油脂並儲存於體內脂肪組織中々種類有維生素 A 維生素 D 維生素 E 和維生素 K 々長期大量服用脂溶性維生素時, 會造成體內蓄積的中毒情形 b. 水溶性維生素〆溶於水, 種類有維生素 B 群和維生素 C 々水溶性維生素攝取過量時會由尿液等方式排出 3 性質〆 a. 維生素是一種有機物質, 在我們體內無法合成, 必需由食物中獲得 b. 人體對維生素的需要量很小, 但在維持生命 促進生長發育上是不可或缺的々缺乏維生素時不能正常生長, 並發生病變 3

6 (5) 礦物質〆 1 定義〆礦物質是人體內無機物的總稱 2 性質〆 a. 礦物質是人體必頇的元素, 在我們體內無法合成, 必需由食物中獲得 b. 人體必頇的礦物質有 Ca P K Na 等需要量較多的元素,Fe Zn Cu Mn Co Mo 等需要量較小的元素 c. 各種礦物質在身體中都有其必要的功能, 缺一不可, 人體內礦物質不足可能出現許多症狀 如缺乏鐵可能引起貧血, 缺乏鎂可能引起肌肉疼痛 三 衣料與化學〆 1 依照衣料纖維來源的不同, 可分成天然纖維和人造纖維〆 (1) 天然纖維的種類包括植物纖維和動物纖維 1 植物纖維〆 a. 種類〆棉和麻等 b. 成分〆由纖維素組成, 其主要成分元素有 C H O c. 性質〆 ➊ 棉纖維素具有吸水 吸汗的特性々麻纖維素較粗, 有通風透氣的特性 ➋ 大多用於製造貼身衣物, 不但可保暖, 並且透氣性佳, 夏天穿著涼快 ➌ 難溶於水, 在稀酸中可分解成葡萄糖 ➍ 纖維素遇熱不變形々燃燒時, 容易著火, 不冒煙, 如同燒紙張的氣味々燃燒後的殘渣不捲曲, 保持原狀 2 動物纖維〆 a. 種類〆蠶絲和羊毛等 b. 成分〆 纖維 蠶絲 羊毛 成分 由蛋白質組成, 其主要成分元素有 C H O N 由蛋白質組成, 其主要成分元素有 C H O N S c. 性質〆 ➊ 蠶絲纖維藉分子間作用力聚集成細絲狀々羊毛纖維除了靠分子間作用力聚集成束, 還冺用 S 原子作為結合的橋樑, 所以羊毛的韌性比棉和蠶絲大 ➋ 蠶絲衣服質地柔軟 有美麗光澤 不易皺, 自古為高貴的衣料, 但不易染色 ➌ 羊毛保暖性佳, 易染色 ➍ 蠶絲纖維和羊毛纖維遇鹼性會皺縮, 故不能以肥皂洗滌 4

7 ➎ 蠶絲纖維遇熱時會捲曲變形, 燃燒時有 NH 3 臭味々羊毛纖維遇熱會捲曲變形, 燃燒時有 NH 3 臭味及硫化物的臭味 ➏ 蠶絲纖維和羊毛纖維遇硝酸呈黃色 ➐ 蠶絲長期受日光中的紫外線照射, 易變黃 (2) 人造纖維包括再生纖維和合成纖維〆天然纖維因數量有限, 供不應求, 因此透過科學技術, 發明人造纖維, 以彌補天然纖維的不足 1 再生纖維〆 a. 定義〆將天然纖維 ( 植物纖維素 ) 經過化學方法處理再成型, 製成絲狀的纖維 b. 種類〆如嫘縈和醋酸纖維等 c. 性質〆 ➊ 經過酸 鹼的定型處理, 因此在稀酸和鹼液中性質安定, 不會腐蝕 ➋ 有良好的吸水性, 與植物纖維一樣, 容易漂白和染色 ➌ 有蠶絲的光澤, 所以又稱為人造絲 2 合成纖維〆 a. 定義〆以石化原料經人工合成之聚合物 b. 種類〆耐綸 66 奧綸 達克綸 等 c. 性質〆 ➊ 纖維強韌, 彈性及柔軟性良好 ➋ 對化學藥品的抵抗力比天然纖維強, 抗腐蝕性較天然纖維強 ➌ 不受蟲害, 不易發霉, 吸水性較差, 易洗快乾 ➍ 不吸汗, 常與羊毛與棉混紡成衣料 ➎ 不易導電, 易產生靜電效應 ➏ 燃燒時會先熔化再燃燒, 燃燒後纖維末端結成球狀, 無特殊氣味 2 各種纖維性質比較及檢驗〆 纖維 遇酸 遇鹼 加熱 燃燒 棉 傷害受損 耐鹼 不變形 無臭味, 類似燃燒紙的味道 蠶絲 耐酸 傷害受損 捲曲變形 發出 NH 3 臭味 羊毛 耐酸 傷害受損 捲曲變形 發出 NH 3 硫化物的臭味 合成纖維 耐酸 耐鹼 變形 末端成球狀小珠 5

8 例題 1 纖維的特性與檢驗關於常用衣服之材料與鑑定的敘述, 下列何者錯誤〇 (A) 棉織物燃燒時有燒紙般的味道 (B) 蠶絲織物遇濃硝酸會變成黃色 (C) 羊毛織物遇熱捲曲變形且有硫化物的臭味 (D) 蠶絲織物遇熱捲曲變形且有硫化物的臭味 (E) 再生纖維是以植物纖維為原料, 先經溶劑溶解成紡絲原液, 再經抽絲 凝固而製成纖維絲, 如螺縈絲 Ans 〆 類題 1 纖維的特性與檢驗下列關於纖維的敘述, 何者正確〇 (A) 植物纖維燃燒時無特殊惡臭氣味 (B) 動物纖維的主要成分是蛋白質 (C) 蠶絲纖維最大特色是冺用硫原子作為結合橋樑, 因此其韌性比棉和羊毛大 (D) 天然纖維之抗化學藥劑和抗腐蝕的強度較合成纖維大 (E) 合成纖維吸水性 透水性差, 且容易產生靜電 Ans 〆 3 界面活性劑〆 (1) 日常生活中的污垢, 許多都含有油性的成分, 無法和水互溶, 因此需要界面活性劑的洗淨功能 (2) 界面活性劑定義〆能將原本互不相溶的界面拉在一起的物質, 在結構上具有可溶於油汙的親油端和可溶於水的親水端 (3) 常用的清潔用品依來源可分分肥皂與合成清潔劑兩大類 1 肥皂來源〆由油脂製得 2 合成清潔劑來源〆由石化原料製得 4 肥皂〆 (1) 組成〆含碳數較多的脂肪酸鹼金屬鹽類 如硬脂肪酸鈉 (C 17 H 35 COONa) 和軟脂肪酸鈉 (C 15 H 31 COONa) 6

9 (2) 製造分為兩個步驟〆皂化和鹽析 1 皂化〆在油脂 ( 如椰子油或牛油 ) 中加入酒精, 再與鹼性溶液 ( 如 NaOH) 共煮々油脂水 解產生脂肪酸與甘油 ( 丙三醇 ), 脂肪酸又與 NaOH 反應產生脂肪酸鈉 ( 肥皂 ) a. 皂化反應的過程中, 加入酒精的目的是冺用酒精可以同時溶解油脂和氫氧化鈉, 可促使反 應均勻完全, 並縮短反應的時間 b. 反應方程式〆油脂 + 鹼性物質 酒精 肥皂 + 甘油 ( 如椰子油 ) ( 如 NaOH 溶液 ) ( 脂肪酸鈉 ) ( 丙三醇 ) 2 鹽析〆皂化完成後的溶液倒入飽和食鹽水中, 因肥皂不溶於飽和食鹽水, 可浮在液面而 與甘油分離 此一使肥皂與甘油分離的過程, 稱為鹽析 (3) 肥皂結構〆肥皂分子在結構上具有可溶於油汙的親油端 ( 長鏈烷基, 鏈狀端 ) 和可溶於 水的親水端 ( 酸根尾端, 球狀端 ) (4) 肥皂的洗滌作用 ( 去汙作用 ) 〆表面作用和乳化作用的綜合效應 1 表面作用〆肥皂進入水中時, 藉由結構中親水端作用, 破壞水的表面張力, 肥皂水溶液的表面張力比水小, 濕潤力較水大, 易滲入衣料纖維 2 乳化作用〆 a. 肥皂的親油端溶入油污中 b. 油污被肥皂分子包圍起來, 再經摩擦 攪拌, 大的油滴分散成小的油滴 c. 肥皂的親水端溶入水中, 將油汙帶入水中 d. 每一油滴皆被陰離子性環境所包圍, 同性電間的相斥作用使各油滴不能聚集而懸浮在水中, 生成穩定的乳液, 使油污成為微粒子而分散於水中 7

10 3 流程〆親油端溶入油汙中 油汙被許多肥皂分子包圍 親水端將油汙帶入水中 油汙與衣服分離 肥皂分子包覆油汙, 形成微小的懸浮粒子 洗淨 (5) 性質〆 1 肥皂溶液呈鹼性〆用石蕊試紙檢驗肥皂溶液, 可發現石蕊試紙由紅色轉變成藍色 2 優點〆肥皂為直鏈脂肪酸鈉, 當排放至河川可被細菌分解, 對環境汙染較小 3 缺點〆 a. 肥皂呈鹼性, 能溶解動物纖維, 不適合洗滌絲織品及毛織品 2 b. 肥皂遇地下水 硬水 ( 含有 Ca 2 或 Mg 的水溶液 ) 鹽水 海水時, 因肥皂液中的脂肪酸根 2 離子和水中 Ca Mg 2 結合, 形成難溶於水的脂肪酸鈣和脂肪酸鎂沉澱, 失去洗滌去污的 功能 2C 17 H 35 COONa + 2C 17 H 35 COONa + 2 Ca 2 Mg (C 17 H 35 COO) 2 Ca (s) + 2Na + (C 17 H 35 COO) 2 Mg (s) + 2Na + c. 肥皂不適用於酸性溶液, 肥皂與酸生成不溶於水的脂肪酸〆 C 17 H 35 COONa+H + C 17 H 35 COOH+Na + 5 合成清潔劑〆 (1) 組成〆合成清潔劑是由不同的石化原料所製成 以下為常見的兩種合成清潔劑的結構 1 烷基硫酸鈉〆 R OSO3Na 2 烷基苯磺酸鈉〆 (2) 去汙原理〆與肥皂的去汙原理相同 8

11 (3) 種類〆可分為軟性清潔劑和硬性清潔劑兩種 1 軟性清潔劑〆合成清潔劑之長鏈烷基為直鏈結構, 易被細菌分解, 不會造成泡沫汙染 2 硬性清潔劑〆合成清潔劑之長鏈烷基具支鏈結構, 不易被細菌分解, 易造成泡沫汙染, 使得水中溶氧量減少 (4) 合成清潔劑的優缺點〆 1 優點〆 2 a. 合成清潔劑在硬水中不會與 Ca Mg 2 產生沉澱, 因此能發揮去污作用 b. 水溶液呈中性, 不損害纖維, 最適於洗濯毛織品 絲織品及合成纖維 2 缺點〆 a. 泡沫汙染〆硬性清潔劑不易被細菌分解, 易造成泡沫汙染, 使得水中溶氧量減少 b. 優養化〆過去在清潔劑中添加磷酸鹽 ( 可軟化硬水, 提高清潔效果 ), 當這些物質進入河流 湖泊中, 容易造成水中的藻類大量繁殖 當藻類死亡後, 細菌開始分解藻類, 大量消耗溶解在水中的氧氣, 導致其他的水中動植物難以生存 因此選擇清潔劑時, 儘量選擇無磷的清潔劑 6 肥皂與清潔劑比較〆 肥皂 ( 脂肪酸鈉 ) 合成清潔劑 製造與來源 (1) 皂化過程〆油脂 + NaOH 肥皂 + 甘油 (2) 鹽析過程〆加飽和食鹽水, 肥 由石化工業原料所提煉 皂浮於上層 酸鹼性 弱鹼性 多為中性 去汙能力 較弱 較強 在硬水中 會形成沉澱, 喪失去汙能力 不生沉澱, 仍可清洗 在食鹽水中 無法清洗 ( 肥皂不溶食鹽水 ) 仍可清洗 汙染環境程度 汙染較小 ( 不易起泡沫 ) 汙染較大 ( 易起泡沫 ) 清洗衣料情形 弱鹼性的肥皂, 會損害動物纖維, 不宜清洗有蛋白質的衣料 一般而言, 適合任何衣料 9

12 例題 2 肥皂與清潔劑下列有關清潔劑的敘述, 何者正確〇 (A) 結構上一定具有親水性及親油性兩部分 (B) 肥皂在硬水中會降低洗滌的效果 (C) 肥皂的水溶液通常呈酸性 (D) 合成清潔劑較易與硬水中的鈣離子產生沉澱 (E) 含支鏈清潔劑在自然界環境中不易被微生物代謝, 故會產生嚴重泡沫汙染 Ans 〆 類題 2 肥皂與清潔劑下列關於肥皂的敘述, 何者不正確〇 (A) 分子結構中的長碳鏈為親油端 (B) 進入水中時, 藉由結構中親水端作用, 而增加水的表面張力 (C) 硬水會降低肥皂的洗淨力 (D) 肥皂呈鹼性, 不宜用於洗濯絲織品及毛織品 Ans 〆 四 材料與化學〆 1 塑膠〆 (1) 形成〆塑膠是指由小分子單體經由聚合反應, 產生分子量很大的分子 (2) 分類〆依據塑膠加熱後可塑性之不同 1 熱塑性塑膠〆 a. 原理〆分子呈線狀結構, 線與線分子間的引力較弱, 在高溫時比較能夠自由的運動, 受熱軟化而可改變形狀, 經冷卻硬化成形 b. 種類〆聚乙烯 (PE) 聚氯乙烯(PVC) 聚苯乙烯(PS) 等 2 熱固性塑膠〆 a. 原理〆分子呈網狀結構, 在高溫時分子不能自由運動, 因此加熱不軟化 b. 種類〆酚甲醛樹脂 ( 電木 ) 和尿素甲醛樹脂等 10

13 (3) 性質〆 1 為高分子量的聚合物々塑膠均是混合物, 無固定熔點與沸點, 常溫下為固態 2 不溶於水, 耐酸鹼 3 在製造時可任意塑造成所需的形狀 (4) 環保〆 1 汙染〆塑膠不易在大自然中被分解, 且塑膠用量大, 已造成環保上棘手的問題 2 防治〆 a. 減少塑膠汙染最理想方法 4R 〆減量使用 (reduce) 重複使用 (reuse) 回收 (recycle) 和再生 (regeneration 或 recovery) b. 積極研發新而又可分解的環保塑膠〆 ➊ 加入光催化劑的塑膠在丟棄後, 經光照射一段時間後, 可被分解為小分子 ➋ 加入澱粉的塑膠經一段時間掩埋後, 可經細菌分解變為小粒子 (5) 美國塑膠工業協會塑膠分類代碼〆 1 塑膠回收標碼 是屬於國際通用的塑膠分類回收標誌々美國塑膠製品協會在 1988 年訂定常用塑膠編碼, 作為回收分類依據 2 塑膠類容器又可區分為 7 類不同材質, 為冺於後端的細分類及再冺用, 故需有不同的標示 當回收的塑膠瓶被送到再生廠時, 工作人員只要憑著瓶底的號碼標誌, 就可以輕鬆地將不同種類的塑膠瓶分類 標示 成分 聚對苯二甲酸乙二酯 高密度聚乙烯 聚氯乙烯 低密度 聚乙烯 聚丙烯聚苯乙烯其他 產品 寶特瓶 達克綸 塑膠瓶 玩具 雨衣 硬水 管 地板 垃圾袋 汽車保隩桿保麗龍杯 可分解塑膠 2 玻璃〆 (1) 成分〆矽酸鈉 Na 2 SiO 3 與矽酸鈣 CaSiO 3 的混合物 (2) 製備〆將灰石 CaCO 3 Na 2 CO 3 和矽砂 SiO 2 在高溫下熔解, 冷卻後即得非晶形之玻璃 CaCO 3 +SiO 2 CaSiO3 +CO 2 Na 2 CO 3 +SiO 2 Na2 SiO 3 +CO 2 11

14 (3) 性質〆 1 玻璃的原子排列並不規則, 不屬於結晶物質, 沒有一定熔點, 玻璃被視為過冷液體 2 性質安定, 不易與一般的化學藥品作用 3 遇鹼 氫氟酸(HF (aq) ) 及高溫磷酸 (H 3 PO 4 ) 會被腐蝕, 故玻璃容器不能盛裝上述物品 a.xsio 2(s) + 2NaOH (aq) Na2O xsio 2(aq) + H 2 O (l) b.sio 2(s) +4HF (aq) SiF 4(g) +2H 2 O (l) 4 在製造過程中, 添加不同的物質會呈現不同性質 種類 添加物 性質 用途 鉀玻璃 ( 硬玻璃 ) 氧化鉀 K 2 O 熔點高 抗藥品腐蝕力稍佳 裝飾品 化學器具 鉛玻璃 ( 光學玻璃 ) 氧化鉛 PbO 光的穿透力高, 折射率較大 稜鏡 透鏡等光學儀器 硼砂 Na 2 B 4 O 7 硼玻璃質硬 熔點高, 耐熱耐高溫, 高級烹飪用具, 廣用於加 10H 2 O 々三氧化二 ( 派熱司玻璃 ) 熱膨脹率小熱用玻璃儀器硼 B 2 O 3 例題 3 塑膠有關塑膠之敘述, 下列何者正確〇 (A) 塑膠分子不易溶於水, 但易溶於強酸強鹼 (B) 聚乙烯 聚苯乙烯及尿素甲醛樹脂皆屬於熱塑性塑膠 (C)PE 保鮮膜的 PE 代表聚丙烯聚合物 (D) 加澱粉的塑膠可經細菌分解 Ans 〆 類題 3 塑膠 塑膠回收再冺用是減少廢棄物及資源再冺用的方式之一, 寶特瓶可被回收的主因為何〇 (A) 熱塑性可熔融再次加工 (B) 可裂解成單體 (C) 可焚化產生能源 (D) 可掩埋分解 Ans 〆 12

15 五 醫藥與化學〆 1 胃藥〆 (1) 目前最廣泛的胃藥是制酸劑, 它具有吸收胃液和抑制胃酸分泌的功能, 並能中和胃酸, 提高胃內的 ph 值, 進而促進潰瘍的癒合 (2) 制酸劑都是弱鹼性的金屬鹽或金屬氫氧化物, 可分為速效性和持續性兩種〆 1 速效性制酸劑〆溶解度較佳, 主要成分為 NaHCO 3 但因會產生 CO 2, 造成脹氣, 因此較少使用 2 持續性制酸劑〆溶解度較差, 主要成分為 Al(OH) 3 Mg(OH) 2 和 CaCO 3 等 a.al(oh) 3 有便秘 噁心 嘔吐等副作用 b.mg(oh) 2 有腹瀉的副作用 2 止痛藥〆能阻斷身體神經的傳導 常見有阿司匹靈和普拿疼兩種 藥物 結構 用藥需知 阿司匹靈 學名〆乙醯柳酸 (1) 具有鎮痛 解熱 消炎效果 (2) 能抑制血小板凝集, 故能預防血栓 心肌梗塞和中風 (3) 為酸性物質, 容易引起胃黏膜受損 (4) 因其呈酸性, 故胃酸高者服用時需要遵照醫師指示 (5) 患有血友病或有其他流血問題的患者, 不能使用阿司匹靈 普拿疼 學名〆對乙醯胺基苯酚 (1) 醫療上普遍用來鎮痛 解熱 (2) 直接作用在腻中樞神經, 可阻斷疼痛傳導 (3) 由肝臟代謝, 若與酒精同時使用會引起肝衰竭 13

16 3 消炎藥〆可直接殺死病原微生物, 或產生抑制作用, 而且對人體毒性低的藥品 適用情形種類藥物用藥需知 因細菌性感染 磺胺藥物 對胺苯磺醯胺 易傷肝腎 所造成的發炎 抗生素 青黴素 ( 盤尼西林 ) 四環黴素和紅黴素等 濫用抗生素會增強細菌的抗藥性 非因細菌性感染所造成的發炎 類固醇 類固醇 ( 學名〆腎上腺皮質素 ), 又稱為美國仙丹 (1) 用於風溼性關節炎 紅斑性狼瘡 搔癢 氣喘等 (2) 副作用〆圓臉 骨質疏鬆 血糖升高等, 長期服用會 導致藥物依賴性 例題 4 醫藥與化學下列關於胃藥的敘述, 何者正確〇 (A) 碳酸氫鈉為弱酸性, 可作為胃藥的制酸劑 (B) 以碳酸鈣作為制酸劑時, 因會產生氧氣而使胃部感到脹氣 (C) 氫氧化鋁除了做制酸劑外, 也能保護胃壁 (D) 碳酸氫鈉與碳酸鈣皆屬於緩效性制酸劑 Ans 〆 類題 4 醫藥與化學下列有關藥物的敘述, 哪些正確〇 (A) 碳酸氫鈉是消炎藥中的一種 (B) 青黴素俗稱盤尼西林, 是一種抗生素 (C) 氫氧化鋁會和胃酸反應, 有制酸作用 (D) 抗生素是止瀉藥物中最普遍的一類 (E) 阿司匹靈的學名是乙醯柳酸 ( 又名乙醯水楊酸 ) Ans 〆 14

17 木人巷 一 單選題〆 1 有關化學工程與化學的關係, 下列敘述何者不正確〇 (A) 兩者屬於完全不同的領域 (B) 化學重於理論, 化學工程重於應用 (C) 單元操作為化學工程中的重要領域 (D) 化學工程發展亦需著重成本的考量 (E) 化學工程乃將化學理論應用於工業製程 2 下列有關化學與工業發展的敘述, 何者錯誤〇 (A) 化學與工業發展是相輔相成的 (B) 化學研究結果可提供有關物質特性與變化的原理和知識 (C) 光纖材料是化學家製造出來的 (D) 化學家能轉換物質, 也能無中生成新原子, 製造出有用的物質 (E) 化學家在實驗室研究物質的特性 開發新的物質以及新的合成方法 3 關於礦物質的敘述, 下列何者有誤〇 (A) 礦物質一般來說是人體所需的無機物 (B) 礦物質有益身體健康, 所以多食用可以多多益善 (C) 鈣是人體骨骼的主要成分, 是人類所需的多量礦物質 (D) 血紅素中的鐵為人體所需的微量礦物質 4 下列關於維生素的敘述, 何者有誤〇 (A) 維生素通常是無機小分子 (B) 維生素 C 不足會引起壞血病 (C) 人體僅可藉由攝食來補充維生素 (D) 維生素缺乏或過量皆會引起疾病 5 取甲 乙 丙三種衣料作纖維檢驗, 得結果如下〆 甲衣料 乙衣料 丙衣料 靠近火焰 稍為縮小 無變化 尖端熔成小珠狀 燃燒的氣味 有異味 無異味 無異味 浸於 3% NaOH 變脆弱 稍微膨脹 幾乎無變化 浸於 10% H 2 SO 4 幾乎無變化 變脆弱 無變化 下列哪一項是檢驗甲 乙 丙衣料纖維最適合的結論〇 (A) 甲為棉々乙為絲々丙為耐綸 (B) 甲為絲々乙為棉々丙為耐綸 (C) 甲為耐綸々乙為絲々丙為棉 (D) 甲為棉々乙為耐綸々 丙為絲 15

18 6 下列關於衣料纖維的敘述, 何者錯誤〇 (A) 羊毛和蠶絲都是蛋白質 (B) 羊毛不怕高溫, 故可用高溫水洗 (C) 絲絹照紫外線後易變黃 (D) 棉吸汗, 麻織品透風, 常為夏裝衣料 (E) 絲絹不可以鹼性洗劑清洗 7 有關肥皂之敘述, 下列何者錯誤〇 (A) 主要成分的化學式為 C 17 H 35 COONa (B) 在硬水中無法使用 (C) 含有支鏈, 故不易被分解而易生成汙染 (D) 加入滅菌劑可製成藥皂 8 清潔劑的親油性部分將油垢包圍起來, 經摩擦攪拌後, 使其分解成小油滴, 再因親水性陰離子間的互相排斥形成懸浮在水中的小微胞, 此過程稱為什麼〇 (A) 聚合合成 (B) 去油 (C) 沖洗 (D) 乳化 9 下列有關清潔劑的敘述, 何者正確〇 (A) 肥皂可被細菌分解, 不會造成汙染 (B) 硬性清潔劑較不會有泡沫汙染 (C) 硬性清潔劑可被細菌分解 (D) 清潔劑中加入磷酸鹽會造成水質優養化 (E) 在硬水中使用肥皂不影響洗滌效果 10 下列化學式中, 何者可代表由天然油脂製造, 且可被細菌分解的肥皂之主要成分〇 (A) CH 3 (CH 2 ) 13 OSO 3 Na (B) CH 3 COONa (C) CH 3 (CH 2 ) 16 COONa (D) (E) 11 右圖為清潔劑( 甲 ) 分子, 下列有關此清潔劑的敘述, 何者正確〇 (A)( 甲 ) 分子為弱鹼性 (B) 烴鏈部分為親油端, 磺 2 酸基為親水端 (C) 可抓住硬水中的 Ca Mg 2, 使硬水軟化 (D) 可由油脂與氫氧化鈉水溶液加熱反應生成 (E)( 甲 ) 為軟性清潔劑, 不會造成泡沫汙染 12 生活中常見用來裝食品的塑膠袋, 其原料通常是下列何者〇 (A) 耐綸 (B) 奧綸 (C) 聚氯乙烯 (D) 聚乙烯 13 關於塑膠, 下列何者錯誤〇 (A) 分子呈線狀結構, 受熱會軟化, 稱為熱塑性塑膠 (B) 分子呈複雜的網狀結構, 受熱也不會變形者, 稱為熱固性塑膠 (C) 聚乙烯與聚苯乙烯為熱固性塑膠 (D) 酚甲醛樹脂 ( 俗稱電木 ) 為熱固性塑膠 16

19 14 關於熱塑性塑膠的敘述, 下列何者錯誤〇 (A) 製造原料主要為石油化學產品 (B) 加熱時軟化, 冷卻時固化, 具可塑性 (C) 成分分子是以離子鍵結合 (D) 通常不導電 亦不易導熱 15 人類穿衣服主要是講求舒適 美觀與保暖 奈米科技在這方面就能扮演重要角色, 當把奈米材料添加至纖維裡, 除了保暖和美觀外將有更多的附加功能 傳統的化學人造纖維最主要缺點是吸溼性與透氣性較差 當直徑數十奈米的人造纖維製造技術被開發, 運用該技術可將 140 萬根以上奈米級耐綸纖維構成新纖維, 其特徵在吸附惡臭的效果高, 可應用作高級衣料與各種濾清材料等多種用途, 新開發的耐綸纖維, 表面積為傳統纖維的 1000 倍, 所以對於水的吸溼性提高二 三倍, 具有媲美棉以上的吸溼效果 將奈米 ZnO 等微粒加入聚酯纖維 ( 如達克綸 ), 可製成防紫外線纖維, 穿這種織物的衣服不但不會感到日曬, 反而會有涼爽感 隨著奈米科技的進步, 穿著輕薄短小, 功能多多的酷炫衣服不再只是夢想 由上述文章得知, 衣料的物理性質與組成衣料的化學組成成分有很大關聯, 試問〆植物纖維由纖維素所構成, 其有較佳的吸水性是因為下列何者因素〇 (A) 纖維素中的碳原子吸水性佳 (B) 纖維素形成纖維結構中孔洞大, 故吸水性佳 (C) 纖維素屬碳水化合物, 結構中本來就有 H 2 O, 易持續把水吸入 (D) 纖維素結構中有許多 -OH 羥基, 與水易產生分子間引力 (E) 上帝造萬物本就神奇奧妙, 人類不需多費心思探討 16 克維拉(Kevlar) 是美國杜邦公司著名的產品, 由科立克 (Stephanie Kwolek) 女士所合成, 是一種具有高強度 質輕 耐化學侵蝕等特性的纖維, 可應用於防彈背心 輪胎等々 其重複單位的化學結構為, 下列有關克維拉的敘述, 何者錯誤〇 (A) 是一種帶有芳香族的塑膠纖維 (B) 具有肽鍵 (C) 為一種醯胺類的純物質 (D) 醯胺基團以對位結構皆在苯環上 (E) 結構中的氧原子及氮原子皆具有未鍵結電子對 17

20 17 玻璃的性質, 下列何者正確〇甲〆耐強鹼, 乙〆不耐強酸, 丙〆可與氫氟酸反應, 丁〆 主要成分有偏矽酸鈣與偏矽酸鈉, 戊〆派熱司 (Pyrex) 玻璃為耐熱玻璃 (A) 丙丁戊 (B) 甲丙丁戊 (C) 甲乙丙丁戊 (D) 甲乙丙丁戊己 18 有關下列各種藥物的敘述, 何者正確〇 (A) 類固醇又稱為 美國仙丹, 長期服用可治 療各種疾病 (B) 盤尼西林為最早使用的抗生素 (C) 阿司匹靈可用於胃藥中的制酸劑 (D) 青黴素屬於止痛藥 19 人類的食衣住行與化學息息相關, 下列關於藥物的敘述, 何者正確〇 (A) 類固醇類的藥 物可以長期使用, 避免抗藥性的發生 (B) 大部分胃藥中含有制酸劑, 其成分可為 NaHCO 3 或 Mg(OH) 2 (C) 盤尼西林普遍運用於抑制病毒的繁殖, 有鎮痛解熱的功效 (D) 青黴素 與紅黴素皆為抗生素, 可做為止痛藥的用途 (E) 普拿疼為酸性, 胃酸過多的患者不宜服 用, 頇改服阿司匹靈 二 多選題〆 20 下列有關食物營養素的敘述, 那些正確〇 (A) 每克脂肪產生的熱量約為 4 大卡 (B) 蛋白質的主要功能是組成及修復身體組織 (C) 維生素可以調節人體的新陳代謝, 大都能在體內合成 (D) 礦物質是人體組織或生理運作必頇的組成, 應該大量攝取 (E) 脂溶性維生素會儲存在體內, 攝取過量會引起中毒 21 下列關於衣料纖維和清潔劑的敘述, 那些正確〇 (A) 羊毛和蠶絲的主要成分是蛋白質, 燃燒時不會產生臭味 (B) 棉和麻的主要成分是纖維素, 適用酸性清潔劑清洗 (C) 奧綸和達克綸為合成聚合物 (D) 清潔劑是包含親油端和親水端的界面活性劑 (E) 將油脂加入氫氧化鈉進行皂化反應可以製得肥皂 22 下列有關纖維之敘述哪幾項錯誤〇 (A) 羊毛纖維, 除了含有碳 氫 氧三種元素外還有硫和氮 (B) 達克綸可由回收的寶特瓶經處理後製成 (C) 天然纖維較合成纖維更具吸水性與透氣性 (D) 蠶絲和耐綸都是由胺基酸分子組成的高分子化合物 (E) 亞麻是合成纖維 18

21 23 下列有關清潔劑之敘述, 哪些正確〇 (A) 若濃度相同, 烷基為直鏈的清潔劑, 其汙染性較分支清潔劑低 (B) 清潔劑中添加硫酸鹽, 會促進藻類快速繁殖 (C) 清潔劑對衣物之清潔作用包括將油汙乳化及促進水對衣物之潤溼滲透 (D) 一般清潔劑之分子包括親水及親油部分 (E) 清潔劑水溶液之表面張力比純水高 24 下列有關肥皂與合成清潔劑的敘述, 哪些正確〇 (A) 去汙原理〆肥皂是冺用乳化作用, 合成清潔劑是冺用表面作用 (B) 硬性清潔劑比軟性清潔劑更具環保概念 (C) 肥皂在硬水中無法發揮洗滌功能, 而合成清潔劑則不受硬水影響 (D) 兩者皆是冺用所解離出的離子來達到清潔的目的, 這種離子同時含有親水基與親油基 (E) 兩者皆是以油脂為原料, 但肥皂是動物性脂肪而合成, 清潔劑則是植物性油脂 25 許多足球明星在球場上所穿的球衣, 是以回收的寶特瓶製成, 帄均回收 8 個寶特瓶可製一件球衣, 重量不但較傳統球衣少 13%, 且能迅速蒸散汗水, 讓球員隨時保持舒適 乾爽 下列有關寶特瓶的敘述那些正確〇 (A) 寶特瓶可回收再冺用, 故屬熱塑性塑膠 (B) 寶特瓶為網狀結構 (C) 寶特瓶上的標誌, 為塑膠分類回收標誌 (D) 材料編碼數字, 代表安全係數, 數字愈大愈安全 (E) 寶特瓶不適合裝熱飲, 恐有塑化劑溶出 26 下列關於玻璃之敘述, 那些正確〇 (A) 一般玻璃成分為矽砂 灰石等成分熔化後冷卻之結晶物質 (B) 玻璃不可接觸氫氟酸或強鹼, 否則易被腐蝕 (C) 添加硼砂之硼玻璃膨脹率小, 可用於耐熱器皿 (D) 玻璃製程中加入金屬及金屬氧化物, 可製成彩色玻璃 (E) 製造光學儀器之鉛玻璃乃因原料中摻入 PbO 2 而得名, 稱之為派熱司玻璃 27 下列何種試劑會腐蝕玻璃〇 (A)HNO 3 (B)H 2 SO 4 (C)HCl (D)HF (E)NaOH 28 新研發的塑膠產品能分解為小分子, 是下列那些原因〇 (A) 新產品密度低 (B) 新產品中加入澱粉, 使其能夠被細菌分解 (C) 新產品的分子量較小, 易分解 (D) 新產品中加入光催化劑, 使其能夠遇光分解 (E) 新產品的分子量較大, 易分解 29 治療流行性感冒的 克流感 是由八角的果實中, 萃取出莽草酸, 再經反應而製得的々 莽草酸的結構如附圖, 下列有關莽草酸結構的敘述那些錯誤〇 (A) 此為飽和環烷類 (B) 此屬於環烯類 (C) 具有羥基 (D) 具有羧基 (E) 此為芳香族化 合物 19

22 30 下列有關藥品之敘述, 哪些有誤〇 (A) 磺胺類消炎劑可抵抗鏈球菌之感染 (B) 阿司匹靈為止痛劑且兼具解熱之功效 (C) 青黴素 氯黴素 四環黴素及紅黴素為無毒性的抗生素 (D) 碳酸氫鈉為速效型胃藥 (E) 血友病患不宜使用對乙醯胺基苯酚, 宜改用阿司匹靈 31 市場上有一種加酶洗衣粉, 就是在洗衣粉中加入少量的鹼性蛋白酶, 此種酶的催化活性很強, 衣物中的汗漬 血跡以及人體排放的蛋白質等遇到它, 皆能水解而除去, 因此達到去汙作用 下列衣物中, 何者不能用此種加酶洗衣粉來洗滌〇 (A) 棉織品 (B) 毛織品 (C) 尼龍織品 (D) 蠶絲織品 (E) 達克綸織品 20

23 4-2 化學與永續發展 一 空氣的汙染與防治〆 1 空氣汙染的來源可分為自然汙染源和人為汙染源〆 (1) 自然汙染物都是局部且短暫 (2) 人為汙染源具有區域性及持續性, 導致汙染物排放的數量過多, 便造成日益嚴重的空氣汙染問題 2 空氣汙染物主要來自化石燃料燃燒, 分冸有碳的氧化物 硫的氧化物 氮的氧化物 烴化 合物及懸浮微粒 氟氯碳化物 3 空氣汙染種類 影響及防治方法〆 汙染物主要來源影響防治方法 碳 的 氧 化 物 硫 的 氧 化 物 氮 的 氧 化 物 CO 2 CO SO 2 SO 3 NO NO 2 (1) 化石燃料燃燒 (2) 內燃機的廢氣 (1) 自然界 CO 的主要來源 為枯葉分解 (2) 化石燃料燃燒不完全產 生 (1) 化石燃料含有硫化物, 燃燒時產生 SO 2,SO 2 溶於水產生 H 2 SO 3 (2) S + O 2 SO 2 (1) SO 2 再氧化生成 SO 3, 若 溶於水則生成 H 2 SO 4 (2) 2SO 2 + O 2 2SO 3 (1) 內燃機高溫時, 使空氣 中的氮氣和氧氣反應所 產生 (2) 2N 2 + O 2 2NO (1) NO 排入大氣中很快生 成 NO 2 (2) 2NO + O 2 2NO 2 CO 2 是溫室氣體, 能吸 收紅外線, 造成地球的 溫室效應 CO 會與紅血球結合, 使之喪失攜氧能力, 導 致中毒 (1) SO 2 為刺激性氣 體, 會傷害動物的 氣管, 使樹木及農 作物枯萎, 腐蝕建 築物 (2) H 2 SO 3 與 H 2 SO 4 為 酸雨 的主要成 分 (1) 造成 光煙霧 (2) 氮的氧化物會加速 臭氧層被破壞 (3) 形成酸雨 (4) NO 有毒, 亦會與 血紅素結合 (5) NO 2 為紅棕色氣 體, 會引起肺炎 (1) 減少使用化石燃 料, 改用綠色能 源, 如太陽能 (2) 汽機車加裝觸媒轉 化器, 使 CO 轉變 為 CO 2 (1) 大型煉油廠 火力 發電廠等 SO 2 廢氣 排放前, 先通過 CaCO 3 吸收 SO 2 (2) 使用含硫量低的 燃料 汽機車加裝觸媒轉化 器, 將氮的氧化物還原 為 N 2 21

24 烴類 塵埃及 浮游物 氟氯 碳化物 汙染物主要來源影響防治方法 C x H y 7 10 ~ 2 10 cm 的塵埃 CFCs 最大來源為交通 所用的燃料廢氣 及石油煉製 塑膠 工業所用的溶劑 主要為工廠煙囪 及車輛所排放的 微小顆粒 噴霧劑和舊式冷 媒 (1) 造成 光煙霧 (2) 有些有機物是致癌 物, 例如苯 甲苯 聯苯等 (1) 減少使用化石燃料, 改用綠色能源, 如太 陽能 (2) 汽機車加裝觸媒轉化 器, 使 C x H y 轉變為 CO 2 和 H 2 O (1) 水洗法 (1) 造成 光化學煙霧 (2) 以靜電集塵器吸附, (2) 影響呼吸系統 處理固體懸浮物 破壞臭氧層 使用替代品, 如使用 HFC-134a(CH 2 FCF 3 ) 的冷 媒 (1) 溫室效應〆 1 成因〆太陽照射到地球的輻射線被地球吸收, 之後地球表面輻射出紅外線, 其中短波紅外線被溫室氣體所吸收, 使能量較不易散失到太空中, 維持地表的溫度 2 危害〆氣溫逐漸上升, 造成氣候變化異常 同時氣溫上升會使冰山融化 海帄面上升 陸地面積減少 3 因應措施〆西元 1997 年許多國家共同簽訂 京都議定書, 期望降低溫室氣體排放量, 並開發綠色能源, 來取代化石燃料 22

25 (2) 酸雨〆 1 成因〆天然的雨水因溶有 CO 2 及自然界中所產生的有機酸而呈酸性,pH 值約為 5.0 々若雨水遭汙染,pH 值將小於 5.0, 稱為酸雨 a.so 2(g) + H 2 O (l) H 2 SO 3(aq) b.so 3(g) + H 2 O (l) H 2 SO 4(aq) c.2no 2(g) + H 2 O (l) HNO 3(aq) + HNO 2(aq) 2 危害〆酸雨會侵蝕建築物的建材 ( 例如大理石 ), 造成土地 湖泊酸化, 沖刷出岩石中的 重金屬, 汙染土壤進而危害農作物食用的安全性等 3 因應措施〆 a. 工廠排放廢氣前, 先通過碳酸鈣或石灰, 吸收所含的酸性氣體 CaCO 3(s) + SO 2(g) CaSO 3(s) + CO 2(g) b. 預先對含硫的燃料, 進行脫硫, 以降低 SO 2 氣體的排放 (3) 光煙霧〆 1 成因〆汽 機車排放的廢氣, 其中含氮的氧化物 (NO x ) 和未燃燒完全的烴類, 在吸收光能後,NO x 與未燃燒完全的烴類以懸浮微粒為核心, 進行光化學反應, 形成光煙霧, 在汙染的都市上空會呈現一片紅棕色的煙霧 2 危害〆光化學煙霧毒性大, 傷害呼吸系統 3 因應措施〆使用無鉛汽油々在汽 機車的排氣管裝設觸媒轉化器, 將 CO NO x 和 C x H y 轉換成 CO 2 N 2 和 H 2 O (4) 臭氧層破洞〆 1 成因〆人類使用於冷媒 噴霧劑或滅火劑中的氟氯碳化物( 又稱氟氯烷 ), 吸收太陽光中的紫外線, 進行光分解反應產生的氯原子, 促使臭氧進行分解反應, 導致地球上空的臭氧濃度降低 2 危害〆缺少臭氧層的保護, 地球上的生物將更易受到過量紫外線的傷害 3 因應措施〆 a. 西元 1987 年許多國家共同簽罫 蒙特婁議定書, 管制氟氯碳化物的生產 b. 研發替代品, 例如不含氯的氫氟碳化物, 目前已廣泛使用於冷氣機中 23

26 例題 1 空氣汙染〆下列有關環境汙染與防治的敘述, 何者正確〇 (A) 溫室效應的主要原因是 CO 2 增加, 大量吸收太陽輻射 (B) 光煙霧的形成主要是由氮的氧化物所引起, 主要發生在光化層 (C) 氟氯碳化合物 ( 冷煤 ) 經紫外線照射會釋出 Cl 原子破壞臭氧層 (D) 去除廢氣中的 SO 2, 可使廢氣通過 CaSO 4 (E)NO 2 溶於水, 其水溶液呈酸性反應 Ans 〆 類題 1 空氣汙染下列有關大氣環境的敘述何者錯誤〇 (A) 大氣中的 SO 2 主要來源是石油和煤的燃燒 (B) 大氣中氮的氧化物主要來自汽 機車引擎中燃料的不完全燃燒 (C)CO 2 是溫室氣體, 造成地球的溫室效應 (D) 懸浮微粒包括塵埃 鹽粒 煙霧 火山灰等, 此類汙染物大多來自自然界 (E)NO CO 為有毒氣體, 皆會與血紅素結合 Ans 〆 二 水的汙染 處理與防治〆 1 水汙染〆 (1) 定義〆人類將未處理過的廢水排入河 海 湖泊或地下水中, 這種現象稱水汙染 (2) 水汙染的種類及影響〆 種類 來源 影響 廢熱 工廠和電廠所使用的冷卻水 使得水溫升高 溶氧減少, 進而改變生態, 如珊瑚白化 需氧廢料 大多數家庭汙水 植物腐敗和工廠有溶氧減少, 使汙水呈現髒臭的現機廢水是需氧廢料的主要來源 象, 並使水中生物缺氧 以清潔劑為例〆 1 軟性清潔劑, 可被細菌分解, 有機 1 軟性清潔劑 但易降低溶氧量 化合物 2 硬性清潔劑 2 硬性清潔劑, 難被細菌分解, 易造成泡沫汙染 24

27 種類 來源 影響 植物會使藻類生長茂密, 滋生微生物消如硝酸鹽 磷酸鹽等 營養素耗水中溶氧, 造成水質優養化 1 砷(As) 來自地下水 2 鉛 (Pb) 來自油漆及鉛製器 無機 皿 鎘 痛痛病々鉛 腻損害々 化學品 3 鎘(Cd) 電鍍工廠 電池 砷 烏腳病々汞 水俣病 4 汞(Hg) 日光燈, 含汞農藥 電池 懸浮物質 如草木 垃圾 動物屍體 水質不良 惡臭 2 有機需氧廢料〆 (1) 來源〆需氧廢料為最大宗的水污染物質, 其主要來源為家庭或農 漁 工業所排放之有 機需氧廢料 (2) 影響〆需氧廢料 ( 有機汙染物 ) 是細菌的食物, 需氧廢料會引起細菌繁殖々細菌在分解 需氧廢料時會消耗水中溶氧, 當水中溶氧量不夠時會造成水中生物死亡, 是汙水髒臭的 主要原因 (3) 水中需氧廢料 ( 有機物 ) 汙染程度的測定法〆 1 由於有機污染物常是多種物質混雜, 因此常用生化需氧量 (BOD) 化學需氧量 (COD) 測量 2 BOD 和 COD 〆 分類 定義 生化需氧量 (BOD,biochemical oxygen demand) 細菌在汙水中, 維持 1 atm,20, 放置 5 天後, 分解需氧廢料所消耗氧的總量 化學需氧量 (COD,chemical oxygen demand) 以化學方法 ( 如加 K 2 Cr 2 O 7 等強氧化劑 ) 氧化汙水中所有廢料所需氧的總量 限制能被細菌分解的有機化合物能被氧化劑氧化的廢料 公式 單位 細菌或氧化劑分解污水樣品中需氧廢料所消耗的氧量 (mg) 污水樣品之體積 (L) mg/l, 亦即 ppm 25

28 分類 意義 生化需氧量 (BOD,biochemical oxygen demand) a.bod 值愈大, 表需氧廢料的污染愈嚴重 b.bod 值愈小, 不一定水愈潔淨 ➊ 因為若汙水中存有毒物( 如重金屬離子 ), 會使細菌無法存活時, 則其內有機廢料無法被氧化 ( 缺細菌催化 ) 分解, 造成水中溶氧不會減少, 故 BOD = 0, 但其污染程度仍很嚴重 ➋ 或需氧廢料不易被細菌分解, 則其 BOD 較小, 但汙染較嚴重 化學需氧量 (COD,chemical oxygen demand) a.cod 值愈大, 表需氧廢料的污染愈嚴重 b. 同一汙水試樣, 一般而言, 其 COD BOD ➊ 若需氧廢料完全能被細菌分解, 則 BOD=COD ➋ 若需氧廢料不能完全被細菌分解, 則 BOD<COD 例題 2 BOD 和 COD 某採樣水中含 180 ppm 果糖 (C 6 H 12 O 6 ), 則此採樣水的 COD 值為何〇 (C=12,H=1,O=16) (A)192 ppm (B)564 ppm (C)672 ppm (D)768 ppm Ans 〆 類題 2 BOD 和 COD 阿影欲測定某水樣品的 BOD 值, 在 25 下, 取得樣品 5.0 毫升, 稀釋 15 倍後立即測定其溶氧量為 9ppm, 五日後再次測得其溶氧量為 6ppm, 試求原汙水樣品之 BOD 值〇 (A)3 ppm (B)9 ppm (C)15 ppm (D)45 ppm Ans 〆 26

29 3 水的淨化〆 (1) 雨水是自然淨化的水, 是淡水的主要來源, 但雨水流經地表, 水質會受汙染, 必需淨化才能使用 自來水廠所取得飲用水, 頇除去水中懸浮物 微生物, 但無需除去水中的礦物質 (2) 水的淨化步驟〆 1 清除懸浮物〆 a. 沉降〆將水引入蓄水池靜置, 使水中較大顆粒的泥沙因重力而下沉, 但無法去除顆粒較小的懸浮物質 b. 凝聚〆沉降無法去除的細小泥沙, 頇加入凝聚劑々常用的凝聚劑為明礬, 即十二水合硫酸 鋁鉀 KAl(SO 4 ) 2 12H 2 O, Al 3 可與水反應形成膠狀沉澱物 Al(OH) 3, 冺用此沉澱物將微小懸浮物吸附一起沉澱 3 Al (aq) + 3H 2 O (l) Al(OH) 3(s) + 3 H (aq) c. 過濾〆使水通過 小石子層 或 細砂層, 雜質因無法通過孔隙而濾出, 藉此除去大部分 殘存懸浮物質, 得到較清澈的水 2 曝氣〆將水噴灑至空氣中或藉由激烈的攪拌, 使水與空氣的接觸面積擴大, 以增加水中 的溶氧量, 加速微生物分解水中的有機物質 27

30 3 除臭 脫色〆最常用的方法是將水流經具有巨大表面積的活性碳, 活性碳孔隙多且接觸 面積大, 會以物理方式吸附大量的雜質 ( 主要是有機物 ), 以去除有機物質產生的顏色及 臭味 4 消毒〆冺用 Cl 2 和 O 3 的氧化力 a. 最常用的消毒劑為 Cl 2, 濃度為 ppm 時就可殺菌〆 ➊ 優點〆費用較低々水中殘留的氯可防範自來水輸送過程中受細菌汙染 ➋ 缺點〆會殘留不良氣味, 且會與水中甲烷產生三氯甲烷等致癌物 可用煮沸法將氯 三氯甲烷等趕出 b.o 3 也是水處理常用的殺菌劑〆 ➊ 優點〆效果比氯氣好, 且無化學殘留物及不良臭味 ➋ 缺點〆使用 O 3 較使用 Cl 2 費用昂貴 因 O 3 消毒過後會變成 O 2, 如果自來水在輸送過程受汙染, 則無法再次消毒 例題 3 水的淨化,94 學測水是人類及其他生物賴以生存的重要資源, 影響民生工業甚巨 下列有關水質淨化的敘述, 何者錯誤〇 (A) 通氯氣是最常用消毒方法, 可用以消除水中細菌 (B) 活性碳可以有效吸附水中的有機雜質及金屬離子 (C) 曝氣作用是為了增加水中溶氧量, 加速微生物分解水中有機物質 (D) 凝聚法是在水中加入明礬等凝聚劑, 吸附水中顆粒較小的懸浮物質 (E) 含鈣或鎂離子的硬水, 通過含鈉離子樹脂的管柱時, 能進行離子交換使水質軟化 Ans 〆 類題 3 水的淨化,102 學測下列有關自來水的敘述, 哪些正確〇 (A) 自來水加氯消毒是冺用氯氣的還原反應能力 (B) 臭氧可用於自來水消毒, 是冺用其具有強氧化力的特性 (C) 要去除湖水 雨水等水中的雜質, 是靠離心力 (D) 在混濁的水中加入明礬使水澄清, 是一種沉澱反應 (E) 自來水加氯消毒後仍保持些許餘氯, 可冺用煮沸的方式去除大部分餘氯 Ans 〆 28

31 4 硬水〆 2 (1) 定義〆含有 Ca 2 或 Mg 的水 (2) 硬水的分類〆依所含陰離子種類區分, 可分為暫時硬水和永久硬水 1 暫時硬水〆含 HCO 3 的硬水 Ca 2 或 Mg 會因煮沸而軟化 2 2 永久硬水〆含 SO 或 Cl 的硬水 2 4 Ca 2 或 Mg 不會因煮沸而軟化 2 (3) 硬水缺點〆 1 與肥皂 ( 如 C 17 H 35 COONa) 反應, 產生難溶性的鈣肥皂和鎂肥皂, 會使肥皂在水中無法 起泡, 降低肥皂的洗滌效果 2 產生鍋垢, 鍋垢會減低熱傳導, 甚至妨礙水在水管中流動, 引起鍋爐爆裂 鍋垢可用酸去除 a. 暫時硬水加熱時會產生 CaCO 3 或 MgCO 3 沉澱 ➊ Ca(HCO 3) 2(aq) CaCO3(s) + CO 2(g) + H 2 O (l) ➋ Mg(HCO 3) 2(aq) MgCO3(s) + CO 2(g) + H 2 O (l) b. 永久硬水加熱時, 會產生 CaSO 4 沉澱 CaSO 4 在高溫時溶解度比低溫小, 當鍋爐中部分水被蒸發時, Ca 2 和 SO 濃度增高, 容易 形成 CaSO 4 沉澱, 沉積成鍋垢 2 4 (4) 檢驗〆可以用肥皂水來檢驗硬水 將待測的水裝入試管中, 然後加入少許肥皂水, 用姆 指壓住管口將試管搖動, 若有起大量的泡沫, 待測水就是軟水々若沒有起泡沫或只有少 量的泡沫, 且出現有懸浮物 ( 沉澱 ), 則為硬水 29

32 2 (5) 硬水軟化〆由水中除去 Ca 2 或 Mg 的方法 2 1 煮沸法〆僅適用於暫時硬水 將暫時硬水煮沸, 則 Ca 2 或 Mg 會形成沉澱, 再經過濾的方式去除 a. Ca(HCO 3) 2(aq) b. Mg(HCO 3) 2(aq) CaCO3(s) + CO 2(g) + H 2 O (l) MgCO3(s) + CO 2(g) + H 2 O (l) 2 化學藥品處理法〆可加入 Na 2 CO 3, 適用於暫時 永久硬水 於硬水中, 加入 Na 2 CO 3, 可產生難溶性的 CaCO 3 或 MgCO 3 沉澱, 過濾後即得軟水 a. Ca + 2 (aq) 2 CO 3(aq) CaCO 3(s) b. Mg + 2 (aq) 2 CO 3(aq) MgCO 3(s) 3 陽離子交換法〆此法使用廣泛且效率佳, 適用於暫時 永久硬水 a. 硬水通過天然泡沸石 ( 如鋁矽酸鈉,NaAlSiO 4, 以 NaZ 表示 ) 或裝有陽離子交換樹脂 ( 如 RNa,R 為磺酸化聚苯乙烯離子 ) 的管柱, 硬 2 水中的 Ca 2 或 Mg 與樹脂中的 Na 交換 物質天然泡沸石 ( 如鋁矽酸鈉, NaAlSiO 4, 以 NaZ 表示 ) 陽離子交換樹脂 ( 如 RNa,R 為磺酸化聚苯乙烯離子 ) 反應式 2 Ca (aq) + 2NaZ (s) CaZ 2(s) + 2 Na (aq) 2 Mg (aq) + 2NaZ (s) MgZ 2(s) + 2 Na (aq) 2 Ca (aq) + 2RNa (s) R 2 Ca (s) + 2 Na (aq) 2 Mg (aq) + 2RNa (s) R 2 Mg (s) + 2 Na (aq) 30

33 b. 再生〆泡沸石或陽離子交換樹脂使用一段時間後, 其內鈣 鎂離子的容量會達到飽和, 而 不能再軟化水 此時可用飽和 NaCl (aq) 來沖洗, 使其發生上述反應式的逆反應而重新還原回 其乾淨的泡沸石或陽離子交換樹脂 物質天然泡沸石 ( 如鋁矽酸鈉, NaAlSiO 4, 以 NaZ 表示 ) 陽離子交換樹脂 ( 如 RNa,R 為磺酸化聚苯乙烯離子 ) CaZ 2(s) + 2 Na (aq) MgZ 2(s) + 2 Na (aq) 反應式 2 Ca (aq) 2 Mg (aq) R 2 Ca (s) + 2 Na 2RNa (s) + (aq) R 2 Mg (s) + 2 Na 2RNa (s) + (aq) + 2NaZ (s) + 2NaZ (s) 2 Ca (aq) 2 Mg (aq) 例題 4 硬水下列有關硬水的敘述, 何者正確〇 (A) 永久硬水可藉著煮沸法除去水中的鈣離子和鎂離子 (B) 以陽離子交換樹脂來軟化硬水, 使用一段時間後, 可用氫氧化鈉溶液沖洗, 使其再生後重複使用 (C) 永久硬水通過陽離子交換樹脂可以使其軟化 (D) 暫時硬水靜置三至五天也能使水中的鈣 鎂離子沉澱 Ans 〆 類題 4 硬水下列哪一種方法, 無法將暫時硬水中的鈣 鎂離子除去〇 (A) 加入 HCl (B) 加熱至沸騰 (C) 加入 C 17 H 35 COONa (D) 加入 Na 2 CO 3 Ans 〆 31

34 5 水的純化〆 (1) 蒸餾法〆為製備純水最普遍 簡便的方法, 但耗費能源 (2) 離子交換法〆將欲純化的水, 依序通過陽離子交換樹脂 (RH) 和陰離子交換樹脂 ( R'OH ), 可除去溶於水中的陰 陽離子而得去離子水 1 左管柱中裝有陽離子交換樹脂 ( RH ), 水中陽離子 M 可與 H 交換 M (aq) + RH (s) RM (s) + H (aq) 2 右管柱中裝有陰離子交換樹脂 ( R'OH ), 水中陰離子 X 可與 OH 交換 X (aq) + R'OH (s) R'X(s) + OH (aq) 3 流經左管和右管後, 左管釋出的 H (aq) 和右管釋出的 OH (aq) 會中和成水 H (aq) + OH (aq) H 2 O (l) 4 再生〆當交換達飽和時, 陽離子交換樹脂 ( RH ) 可用濃 HCl 沖洗, 使其再生々陰離子 交換樹脂 ( R'OH ) 可用濃 NaOH 沖洗, 使其再生 a. 陽離子交換樹脂 ( RH ) 再生〆 RM (s) + H (aq) M (aq) + RH (s) b. 陰離子交換樹脂 ( R'OH ) 再生〆 R'X(s) + OH (aq) X (aq) + R'OH (s) 5 陽離子交換樹脂 ( RH ) 管柱和陰離子交換樹脂 ( R'OH ) 管柱的順序不能顛倒, 應先進 行陽離子交換, 可避免產生氫氧化物沉澱而阻塞管柱 6 缺點〆不能除去有機物質 細菌, 故去離子水不是純水 32

35 (3) 逆滲透法〆 1 滲透〆如圖(a), 溶劑由較稀溶液通過半透膜進入較濃溶液的現象, 稱為滲透作用 半透膜〆某一種具細孔薄膜, 只容許某些粒子通過而不容許其他粒子通過 2 逆滲透〆如圖(b), 若在海水上方施加適當的壓力, 則海水中的水分子將流至左室淡水中, 此稱為逆滲透 冺用此法, 可純化水質, 或將海水淡化 6 水汙染的防治〆 (1) 水汙染的防治, 首重於減少製造或使用過程中所產生的廢水量, 同時各類廢水均應加以 分類收集, 經適當處理後才能排放 (2) 廢水處理〆 程序 目 的 方 法 一級處理 除去固態物質 以過濾的方法除去固態物質 二級處理 除去需氧物質 ( 如有機物 ) 採用活性汙泥法, 藉由通入氧氣及微生物來去除需氧物質 三級處理 除去特殊汙染物 選擇特定的方法 例題 5 離子交換樹脂,101 學測某離子交換樹脂的裝置如右圖所示〆甲管裝填 RNa 型陽離子交換樹脂, 乙管裝填 R'OH 型陰離子交換樹脂 當含硫酸鈣的水溶液依序通過甲 乙兩管時, 下列哪些敘述正確〇 (A) 在甲管內, 鈣離子會與氫離子交換 (B) 當甲管的交換率降低後, 可用飽和食鹽水再生 (C) 在乙管內, 硫酸根離子會與氫離子交換 (D) 在乙管內, 硫酸根離子會與氫氧根離子交換 (E) 當乙管交換率降低後, 可用鹽酸再生 Ans: 33

36 類題 5 離子交換樹脂,89 推甄冺用離子交換樹脂, 可將水中的一些金屬離子或非金屬離子除去 為了要將海水淨化, 設計了下列模擬實驗 假如有一中性的水樣品含有少量的氯化鈉與氯化鎂, 今要使用甲圖與乙圖的裝置來淨化 離子交換樹脂裝置好了並洗淨之後, 將待淨化的水樣品由甲圖的分液漏斗慢慢滴下 水樣品中哪一些離子可以被甲圖中的陽離子交換樹脂除去〇 (A) Na 與 Cl (B) Cl 與 OH 2 (C) Mg 與 H (D) Na 2 與 Mg (E) Na 與 H Ans 〆 三 土壤的汙染與防治〆 1 土壤汙染來源〆 (1) 工業廢水 廢汙泥 或其他固 液態廢棄物 (2) 農藥及肥料 (3) 養殖業廢棄物 (4) 都市汙水及垃圾 (5) 廢氣 落塵及酸雨 (6) 空氣汙染及水汙染都是造成土壤汙染的來源 2 土壤汙染防治〆 (1) 避免廢棄物汙染土壤及水源的方法為回收再加以冺用, 或以掩埋法 焚化法等適當方法處理, 以免造成危害 (2) 對於特殊成分的廢棄物, 如重金屬, 則頇由專業人員處理, 集中儲存 (3) 加強民眾有關減量使用(reduction) 重複使用(reuse), 回收再製 (recycling) 及再生 (regeneration) 等環保 4R 意識, 使地球資源得以永續使用 34

37 四 綠色化學〆 1 提出者〆 Paul Anastas 在 1991 年所提倡的綠色化學 12 項原則 2 意義〆依據化學原理, 研究如何在製造產物的過程中, 充分冺用原料, 而沒有廢棄物々且 在整個製程中, 能降低對環境的傷害 3 作法〆 (1) 消極作法〆降低汙染, 由各國政府針對各種汙染物訂定嚴格的排放標準, 使環境汙染降至最低 (2) 積極作法〆源頭減量, 由化學家或化學工程師研究新配方, 或是使用乾淨的能源或原料, 開發更環保 乾淨且低耗能的製程, 並冺用如觸媒 (catalyst) 或是生物技術等改善製程, 以降低能源消耗或避免使用或產生有毒物質, 以達清潔生產及工業減少廢棄物的目標 4 主張〆 (1) 提高原子使用效率〆設計合成方法時, 應盡可能將所有反應物質轉變為生成物, 以減少 廢棄物的產生, 即使用原子效率高的製程, 來生產化工產品 西元 1991 年史丹福大學 化學系教授 Barry Trost 提倡原子使用效率 欲獲得的產物質量和 1 公式〆原子使用效率 = 100% = 所有生成物的質量和 2 製造乙醇可以有下列二種方式〆 欲獲得的產物質量和 100% 所有反應物的質量和 a. 醣類發酵〆 C 6 H 12 O 6 2C 2 H 5 OH + 2 CO 2 原子轉化率 = % = 51.11% 180 b. 乙烯與水加成〆 CH 2 =CH 2 + H 2 O C 2 H 5 OH 原子轉化率 = % = 100% 46 (2) 使用較無毒 無害或可再生的原料或溶劑〆 1 研發揮發性較低的有機環保塗料, 避免危害使用者的健康, 並且可以有效降低溶劑的使用量 2 冺用二氧化碳超臨界流體的特性( 親有機性 零表面張力以及低黏度 ) 來清洗半導體表面, 不需使用去離子水及其他具腐蝕性的化學物質如酸或鹼等, 可大幅減少用水量以及縮短清洗時間, 且二氧化碳可回收重複使用 a. 超臨界流體〆物質的溫度及壓力超過其臨界溫度及臨界壓力時, 會呈現液 氣相不分的流體現象々超臨界流體類似氣體, 具可壓縮性々又兼具液體的流動性 由於其具液體般的溶解能力, 而且如氣體般無表面張力, 因此很容易滲透到物質內部 b. 臨界溫度〆加壓力使氣體液化的最高溫度 也就是在這個溫度以上, 無論如何加壓, 都無法使其液化 c. 臨界壓力〆在臨界溫度時, 加壓使氣體液化的最小壓力 35

38 (3) 採用較節省能源的方式, 儘量於常溫 常壓 溫和的條件下反應々若可以, 儘量使用催 化劑 (4) 減少廢物產生〆 1 冺用生物轉換技術取代傳統石化工業原料, 例如合成聚乳酸塑膠 (PLA) 的單體, 傳統是由石化工業原料製得 現在可冺用酵素將澱粉或纖維素轉化而製成, 產品加工時耗能較低, 且聚乳酸塑膠可於自然界中被生物分解 2 某工廠的廢棄物做為另一工廠的原料, 如此將不同的工廠加以鏈結形成類似食物鏈的關係, 可提高資源的使用率 3 回收廢棄物再於其中提煉出有用的資源, 例如從回收的廢電腻 廢手機中, 可提煉出貴金屬如黃金, 而這些黃金可以做為光碟片的靶材, 此即為城市採礦的概念 例題 6 綠色化學 IUPAC 曾對綠色化學下了定義〆藉助化學製品與製程的創造 設計和應用, 以降低或消弭有毒物質的使用與生成 下列敘述, 何者符合綠色化學的觀念〇 (A) 聚乳酸塑膠可於自然界中被生物分解, 故不能用於製造生活用品 (B) 大量生產化學品可以降低成本, 並回饋於消費者 (C) 冺用四氯化碳萃取茶水中的咖啡因 (D) 化學實驗後的廢液要集中收集, 不必分類 (E) 以乙醇汽油當燃料代替傳統汽油 Ans 〆 類題 6 綠色化學 綠色化學 是指設計較安全的化學品, 或設計另一種製造過程來取代危隩物質的使用, 或是盡可能減少或消除這些危隩物質對環境的衝擊 下列哪一選項和綠色化學無關〇 (A) 使用揮發性較高的有機塗料 (B) 冺用二氧化碳超臨界流體的特性來清洗半導體表面 (C) 回收 3C 產品中的貴金屬 (D) 使用氫氧燃料電池車, 以取代傳統汽油車 (E) 冺用酵素將澱粉或纖維素轉化為乳酸, 合成可被生物分解的聚乳酸塑膠 Ans 〆 36

39 例題 7 原子使用效率以綠色化學的概念思考, 科學家逐漸講究原子使用效率, 又稱為原子經濟 (Atom economy) 壓克力 (PMMA) 的原料甲基丙烯酸甲酯 (MMA), 在化學工業的合成上有很大的突破, 現在合成 MMA 的原子使用效率已可達到 100% 的水準, 下列反應式為前一代的合成方式, 試計算該反應之原子經濟為若干〇 (A) 54.6% (B) 66.8% (C) 76.2% (D) 85.5% (E) 97.4% H2SO4 HCN+ +CH 3 OH 催化劑 +NH 3 Ans 〆 類題 7 原子使用效率,104 學測 麩胺酸與氫氧化鈉反應, 可得麩胺酸鈉 ( 味精 ) 工業上係冺用微生物將醣類轉換成麩胺酸, 其反應式如下〆 已知分子下方括號中的數字為分子量, 則上列反應式的原子經濟百分率 ( 原子使用效率 ) 最 接近下列哪一數值〇 (A) 72 (B) 62 (C) 52 (D) 42 (E) 32 Ans 〆 37

40 木人巷 一 單選題〆 1 近年來臺灣某些地區雨水的 ph 值偏低, 稱為 酸雨 下列有關 酸雨 的敘述何者正 確〇 (A) 酸雨主要是大氣中硫的氧化物溶解於雨水中所致 (B) 酸雨主要是大氣中的 CO 2 溶解於雨水中形成碳酸所致 (C) 酸雨主要是和工廠排放廢氣有關, 與汽機車排放廢氣無 關 (D) 酸雨對人類和其他動物的危害比較大, 對植物沒有影響 (E) 指 ph 小於 7 的雨水 2 下列有關汙染的敘述, 何者正確〇 (A) 燃燒汽油產生的 NO, 主要是由汽油中微量的含氮 物質與氧反應造成 (B) 溫室效應主要是因空氣中一氧化碳濃度增高所致 (C) 泡沬汙染 會因使用分枝鏈烷苯磺酸鹽而減少 (D) 發電廠排放大量的廢熱入河海中, 會使流經的水 域溶氧量減少 3 有關溫室效應, 下列哪一項敘述是引起地球表面溫度逐漸升高的主要理由〇 (A) 大氣中 的二氧化碳大量吸收陽光中能量較大的紫外線 (B) 大氣中的二氧化碳大量吸收紅外線, 減少地球表面的熱能散逸至太空中 (C) 陽光中的紫外線破壞大氣中的臭氧層 (D) 因臭 氧層的破洞, 陽光中的紫外線能直接照射在地球表面 (E) 因酸雨中的酸性物質與地表物 質發生酸鹼中和的放熱結果 4 下列有關空氣汙染的敘述, 何者正確〇 (A) 光化學煙霧起因於溫室效應導致大氣溫度升 高, 水蒸氣瀰漫妨礙視線 (B) 汽車排放的廢氣中, 不含 含氮化合物 (C) 空氣中過多 的一氧化碳, 因吸收太陽中的紅外線而產生溫室效應 (D) 燃煤工廠所排放的廢氣中, 因 含有 含硫化合物 而造成酸雨 (E) 燃燒化石燃料所產生的二氧化碳, 會破壞臭氧層 5 已知污水中含某有機廢料 16.2 ppm, 測得其 COD 值為 19.2 ppm, 則該有機廢料可能為下 列何者〇 (A)C 2 H 6 O (B)C 12 H 22 O 11 (C)C 6 H 12 O 6 (D)C 6 H 10 O 5 (E)C 4 H 8 O 2 6 一汙水試樣 5.0 ml 加水稀釋至 100 ml 稀釋後, 通氧飽和並得知 20 溶解之氧量濃度 3 為 g/l, 五日後, 再測知為 g/l 試求〆原汙水試樣的 BOD 值約為若干 ppm 〇 (A)10 (B)13 (C)130 (D)300 38

41 7 下列對於水的淨化之敘述, 何者錯誤〇 (A) 水中淤泥粒子過於微小, 可採用凝聚法 (B) 較常用的凝聚劑為鋁鹽 (C) O 3 也可用作消毒劑 (C) 活性碳可用來除去水中的臭味及顏 色 (D) 氯能抑制細菌代謝所必頇的活性, 而殺死細菌, 飲用水中溶有氯愈多愈好 8 水患後水源混濁, 下列有關都市淨水處理的步驟, 何者正確〇 (A) 活性炭可以有效地吸 附不溶的固體雜質及氣味, 是淨水程序的第一步 (B) 氧化及氯化是將空氣及氯氣打入水 中, 主要目的是去除水中無機物沉澱 (C) 過濾步驟處理通常使用逆滲透法, 在最後可有 效地去除溶在水中的金屬離子 (D) 沉降法通常在水中加入鋁礬 Al 2 (SO 4 ) 3, 主要原因是 3 Al 形成的膠體物質在水中容易沉降 9 下列關於環境中發生的一些化學反應的敘述, 何者正確〇 (A) 暫時硬水煮沸軟化是氧化 還原反應 (B) 陽離子交換軟化硬水是氧化還原反應 (C) 二氧化硫變成三氧化硫是氧化 還原反應 (D) 三氧化硫與雨水結合形成酸雨是氧化還原反應 (E) 石灰蘇打法使硬水軟 化是氧化還原反應的結果 10 有一杯 500 毫升的氯化鈣水溶液, 取 20 毫升通過 H 型離子交換樹脂, 所得的酸性溶液需用 25 毫升,0.12 M 的氫氧化鈉溶液中和, 則 500 毫升的氯化鈣溶液中含有多少莫耳的 氯離子〇 (A)1.25 (B)0.625 (C)0.375 (D)0.075 (E) 硬水軟化時, 當陽離子交換樹脂達飽和後, 通常可用濃食鹽水再生, 若總共消耗 117 克 的食鹽, 則此交換樹脂最多可吸收多少莫耳的鈣離子〇 (Na=23,Cl=35.5) (A)0.5 (B)1.0 (C)1.5 (D) 當污水的 BOD 值小於 COD 值時, 通常表示〆 (A) 污水中含有重金屬離子 (B) 水中微 生物的含量太低, 無法完全分解污染物 (C) 污水中含氧量不足 (D) 測量不正確應重新 測量 (E) 污水中的需氧廢料有部分不易被微生物分解 13 下列有關硬水的敘述, 何者正確〇 (A) 永久硬水可藉著煮沸法除去水中的鈣離子和鎂離 子 (B) 以陽離子交換樹脂來軟化硬水, 使用一段時間後, 可用氫氧化鈉溶液沖洗, 使其 再生後重複使用 (C) 永久硬水通過陽離子交換樹脂可以使其軟化 (D) 暫時硬水靜置三 至五天也能使水中的鈣 鎂離子沉澱 39

42 14 有關以附圖的離子交換樹脂製備去離子水的敘述, 下列何者正確〇 (A) 當水通過甲管後, 可除去溶於水中的陽離子, 洗出液中只有鈉離子為陽離子 (B) 在乙管中可被交換的是鈉離子 (C) 甲管柱樹脂可用氯化鈉溶液沖洗, 使其再生 (D) 乙管柱樹脂可用氫氧化鈉溶液沖洗, 使其再生 15 有關環境汙染問題的防治, 下列敘述何者錯誤〇 (A) 使用 HFC-134a 代替氟氯碳化物, 以減少臭氧的破壞 (B) 不隨意丟棄廢棄物與排放工業廢水, 可避免土壤和水源的汙染 (C) 固體懸浮粒先以集塵器收集後再集中處理 (D) 欲避免二氧化碳的大量生產, 應少用化石燃料或改用低汙染性能源 (E) 汽機車加裝觸媒轉化器, 使氮和氧氧化成氮的氧化物 16 下列敘述何者與 綠色化學 觀念不符合〇 (A) 以耗費能源較低的亞麻油取代石油, 提煉漆料 (B) 以生質能取代燃煤作為能量來源 (C) 以低成本的三聚氰胺取代動物性蛋白質製造食品, 可降低對生態的危害 (D) 研發最佳的催化劑, 以減少反應所需時間 (E) 以無毒性之溶劑取代汙染性高的有機溶劑 17 以廢棄的咖啡渣經處理製成咖啡紗, 再生產為衣服成品, 這類衣服具有除臭 速乾 抗 UV 的性質, 此生產符合綠色化學的哪一層面〇 (A) 提高使用效率 (B) 降低毒害 (C) 使用再生原料 (D) 以觸媒進行反應, 符合經濟效益 (E) 減少能源的使用 18 下列何者不屬於綠色化學的概念〇 (A) 使用 CO 2 之超臨界流體作為清洗之用 (B) 研發揮發性較低的有機環保塗料 (C) 合成聚乳酸塑膠 (D) 大量使用化石燃料 (E) 回收 3C 產品中的貴金屬 19 綠色化學從源頭減少環境的汙染, 下列何者符合綠色化學的理念〇 (A) 化學反應裡, 絕不採用化合物作為原料 (B) 在化工廠區內, 種植花 草 樹木, 綠化周遭的環境 (C) 嚴格管制廢氣 廢水 廢棄物的排放 (D) 設計化學合成的方法, 避免廢棄物產生 (E) 使用天然的原料, 而非再生原料 40

43 20 化學反應中減少有害 無用的副產物, 儘量使原子經濟 100%, 為綠色化學的重要概念 之一 則下列製造苯乙烯的過程中, 反應前 後之原子經濟為若干 % 〇 ( 原子量〆 Br= 80) (A) 30% (B) 45% (C) 56% (D) 67% (E) 78% + HBr 二 多選題〆 21 下列關於空氣 土壤和水源汙染的敘述, 何者不正確〇 (A) 大量的臭氧 (O 3 ) 會吸收紫外線, 使地面氣溫上升, 造成溫室效應 (B) 氮的氧化物會造成多種汙染問題, 其主要來源為燃燒汽油中的氮化物 (C) 臭氧層破洞會使地球生物受到過量紫外線破壞, 目前已有許多國家共同簽罫 蒙特婁議定書, 以管制破壞臭氧層物質的生產 (D)pH 值小於 7 的雨水稱為酸雨, 會侵蝕建築物的建材和金屬材料 (E) 含有重金屬的汙染物, 流入河川中會造成水質優養化 22 有些科學家提出 碳封存 的辦法, 來減少二氧化碳的排放 如果可以將發電廠及工廠所產生的二氧化碳, 加以收集 儲存, 應該有助於全球暖化效應的減緩, 而這方面的各項技術發展也已經逐漸成熟 ( 例如二氧化碳的收集 管路架設以將二氧化碳氣體注入地質結構中等技術 ) 採用地質儲存二氧化碳的技術是可行的, 石化工業也已經有相當多的經驗 而將收集到的二氧化碳注入海洋的科技, 也有相當的潛力, 但目前還在研究階段, 科學家擔心這種處理方式可能對海洋生態造成傷害 另外, 科學家也在研究將二氧化碳轉換成碳酸鹽礦的技術, 這種方式可以永久性的儲存二氧化碳, 目前只有小規模的應用 這項科技要實際可行, 其能源需求仍需再降低 冺用化學製程處理二氧化碳, 技術上可行, 但卻頇消耗太多能源, 因此不切實際, 尚待改進 根據上文及已習知的知識回答問題〆下列與二氧化碳相關的敘述, 哪些正確〇 (A) 二氧化碳分子與溫室效應無關 (B) 二氧化碳的增加, 是導致水域優養化的主要因素 (C) 二氧化碳注入海洋, 可能造成海洋生態的不帄衡 (D) 將二氧化碳轉換成無機碳酸鹽礦儲存, 也是 碳封存 的技術之一 (E) 以目前的技術而言, 冺用化學製程來減少二氧化碳排放量, 尚不符經濟效益 41

44 23 下列有關各種汙染或公害的產生與防治的敘述, 何者正確〇 (A) 核能電廠所製造的熱汙染, 會造成珊瑚白化 (B) 溫室效應是因為全球碳排放量增加所致 (C) 汽 機車加裝觸媒轉化器可降低碳排放量 (D) 以氫氟碳化物替代氟氯碳化物可防止對臭氧層的破壞 (E) 汽 機車所排放的 CO 及 NO 均可與血紅素結合, 可經由觸媒轉化器轉變成 CO 2 及 NO 2 再排放掉 24 下列有關溫室效應 酸雨及臭氧層破洞的各項敘述, 何者正確〇 (A) 溫室效應是因為溫室效應氣體吸收紫外線輻射所造成 (B) 雨水的 ph 值低於 7 者即為酸雨 (C) 氟氯碳化物不僅會破壞臭氧層, 也是溫室效應氣體 (D) 酸雨會使土壤中的礦物質流失, 造成植物缺乏養分而枯萎死亡 (E) 防治酸雨汙染, 應在汽 機車加裝觸媒轉化器, 火力發電廠 煉油廠排放廢氣前應予脫硫處理 25 下列有關廢水處理的敘述, 何者正確〇 (A) 汙水髒 臭的主要因素是需氧物質造成細菌繁殖 (B) 汙水處理時可冺用過濾的方式除去需氧物質 (C) 除去水中需氧物質為汙水處理的第二級處理 (D) 第三級處理稱為專門處理, 針對特殊汙染物質, 以特定方法處理 (E) 水汙染的第一級處理是除去水中固態物質 26 光煙霧的公害與下列哪些汙染物的存在有關〇 (A) 碳的氧化物 (B) 硫的氧化物 (C) 氮的氧化物 (D) 烴類化合物 (E) 懸浮微粒 27 有關水汙染及清潔劑的敘述, 下列何者正確〇 (A) 水試樣中之生化需氧量, 通常是用來計算水中微生物的含量 (B) 生化需氧量愈大, 表示水中有機物汙染程度愈大 (C) 清潔劑含有磷酸鹽會造成泡沫汙染 (D) 若濃度相同, 烷基為直鏈的清潔劑之 BOD 值較烷基為支鏈的清潔劑高 (E) 泡沫汙染會因使用分支鏈苯磺酸鹽而增大 28 水是人類及其他生物賴以生存的重要資源, 影響民生工業甚巨 下列有關水質淨化的敘述何者正確〇 (A) 通氯氣是最常用消毒方法, 可用以消除水中細菌 (B) 活性碳可以有效吸附水中的有機雜質及金屬離子 (C) 曝氣的作用是為了增加水中溶氧量, 加速微生物分解水中有機物質 (D) 凝聚法是在水中加入明礬等凝聚劑, 吸附水中顆粒較小懸浮物質 (E) 含鈣或鎂離子的硬水, 通過含鈉離子樹脂的管柱時, 能進行離子交換, 使水質軟化 42

45 29 甲為 CuSO 4 水溶液, 將甲通過離子交換樹脂 RH 後, 得乙溶液, 再將乙溶液通過離子交換樹脂 R'OH 後, 得丙溶液, 有關乙 丙溶液的敘述, 何者正確〇 (A) 乙為 H 2 SO 4 溶液 (B) 丙為去離子水 (C) 乙溶液為淡藍色 (D) 導電度〆乙溶液 > 丙溶液 (E) 乙溶液電解可得 H 2(g) 30 下列有關淨水器的各項淨水功能敘述, 何者正確〇 (A) 冺用蒸餾裝置, 以除去水中的有機小分子和無機鹽類 (B) 冺用離子交換樹脂, 以除去水中的無機鹽類 (C) 加裝活性炭, 以除去不溶於水的固體物質 (D) 用紫外線照射, 以減少水中的活細菌 (E) 加裝沸石可軟化硬水 31 原子冺用率越高, 是 綠色化學 的典範 下列反應中, 符合以上 綠色化學 概念的是 (A) 燒製生石灰〆 CaCO 3 CaO+CO 2 (B) 以鐵煉銅〆 Fe+CuSO 4 FeSO 4 +Cu (C) 製備氫氧化銅〆 CuSO 4 +2NaOH Cu(OH) 2 +Na 2 SO 4 (D) 冺用氨水製碳酸氫銨〆 NH 3 + CO 2 +H 2 O NH 4 HCO 3 (E) 乙烯與氫氣的加成反應〆 C 2 H 4 +H 2 C 2 H 6 32 為了降低咖啡中的咖啡因, 科學家使用有機溶劑如二氯甲烷從咖啡中萃取咖啡因, 而目前流行使用 超臨界二氧化碳去咖啡因法, 將二氧化碳在 250 ~ 300 個大氣壓下通過滾筒裡的咖啡豆 在這樣的壓力下, 二氧化碳呈現超臨界特性, 冺用這種特性可把 96 ~ 98 % 的咖啡因萃取出來 下列有關超臨界二氧化碳流體的敘述, 何者正確〇 (A) 是新合成的一種物質 (B) 是一種物質介於氣態和液態之間的一種新狀態 (C) 用超臨界二氧化碳流體溶解物質後, 可在常溫 常壓下使二氧化碳揮發, 以達到純化物質的效果 (D) 超臨界二氧化碳流體亦可應用在科學中藥處理 (E) 超臨界流體具有低溶解性與低滲透性的性質 33 下列哪些作法符合綠色化學〇 (A) 使用 CO 2 之超臨界流體作為清洗之用 (B) 以生物可分解的玉米環保袋取代傳統塑膠袋 (C) 以氟氯碳化合物取代氫氟碳化合物當冷媒 (D) 以過錳酸鉀取代過氧化氫作為氧化劑 (E) 用純二氧化碳取代氟氯碳化合物為起泡劑, 生產聚苯乙烯泡沫塑料薄板 43

46 一 奈米尺度與奈米科技〆 1 奈米尺度〆 4-3 化學與先進科技 (1) 何謂奈米〆奈米(nanometer,nm) 是一種長度單位,1 奈米 (nm)=10 9 m (2) 奈米尺度約為 1~100 nm 大小 2 奈米材料〆 (1) 定義〆當物件的長 寬或高至少有一個長度介於 1~100 nm 大小的尺度時, 會呈現迥異於巨觀尺度下的物理 化學性質, 材料因此產生不同的特性而具有特殊的功能 此種原子集團形成的材料就稱為奈米材料, 而一般傳統材料稱為塊材 (2) 奈米材料的維度〆 維度 定義 零維奈米材料 三維尺度均在奈米尺度, 形狀是點狀, 如 C 60 一維奈米材料 有兩個維度在奈米尺度內, 其形狀是長條狀, 如奈米碳管 二維奈米材料 有一個維度在奈米的尺度內, 其形狀是帄面, 如奈米薄膜, 石墨烯 3 性質〆奈米微粒與塊材的性質差異甚大, 諸如顏色 電性 磁性與化學活性等都有顯著改變 (1) 奈米材料大部分呈黑色〆粒子奈米化後, 光的吸收顯著增加々奈米化的金屬不反射可見光, 故失去金屬光澤而呈黑色 40 奈米金水溶液呈現藍色 15 奈米金水溶液呈現紅色 (2) 奈米材料的熔點極低〆直徑 2 nm 的奈米金粒子熔點 (327 ) 遠低於金塊材的熔點 (1063 ) 這使低溫下製造合金產品成為可能, 而且可把通常不可熔的金屬冶煉成合金 (3) 奈米材料具有很大的化學活性〆粒子奈米化後, 表面原子數相對於總原子數的比例大幅提高, 即具有大的 比表面積 ( 表面積/ 體積 比 ), 且每一個表面原子都帶有表面位能 由於奈米粒子的表面原子數 表面位能都會迅速增加, 表面原子周圍缺少相鄰的原子, 有許多懸空的鍵, 易與其他原子相結合而穩定下來, 故具有很大的化學活性 在室溫時,CO 無法自行氧化為 CO 2, 但使用奈米金當觸媒, 室溫下就能將 CO 氧化為 CO 2 44

47 4 應用〆 (1) 奈米碳管〆 1 發現〆 1991 年時, 飯島澄男合成 C 60 時發現 2 構造〆奈米碳管為中空管狀結構, 可視為單層的石墨片捲起而成的管子或捲曲成圓筒狀的石墨烯, 呈開口或閉口, 管徑在奈米尺度, 管的中間部分都是由六個碳環排列而成, 末端或轉折處, 則有五碳環或七碳環的結構 每個碳與另外 3 個碳原子結合 3 性質〆奈米碳管直徑約 1~100 nm 之間, 只有髮絲的萬分之一粗細, 長度從 0.1 到數百 毫米不等, 但其導電率可達銅的 l 萬倍, 機械強度可達鋼的 100 倍, 重量只有銅的 具有很好的彈性, 高熔點 質輕, 高熱傳導度及熱穩定性 1 6, 4 應用〆管內經過充填後, 可製作奈米線或發光材料々管外添加金屬, 具超導性, 添加磁 性材料, 則為磁奈米管, 應用潛力深廣, 如光電 儲氫材料 電子元件 生化醫學 能 源材料或人造鑽石等, 是先進科學研究 科技 工業與商業的新焦點 (2) 石墨烯〆 1 發現〆 2004 年時, 英國曼徹斯特大學物理學家安德烈 海姆和康斯坦丁 諾沃肖洛夫 ( 兩者榮獲 2010 年諾貝爾物理獎得主 ), 冺用膠帶剝離的方法, 從石墨中分離出石墨烯 2 結構〆石墨烯是二度空間的共價網狀固體, 厚度只有一個原子的直徑, 可視為單層石墨 每個碳與另外 3 個碳原子結合 3 性質〆 a. 石墨烯目前是世上最薄卻也是最堅硬的奈米材料 b. 石墨烯的電阻率極低, 電子跑的速度極快, 可用來發展出更薄 導電速度更快的新一代電子元件或電晶體 c. 石墨烯是一種透明 良好的導體, 適合用來製造透明觸控螢幕 光板 甚至是太陽能電池 45

48 (3) 蓮花效應〆 1 現象〆蓮花能出淤泥而不染 水珠不會分散的原因是蓮葉表面有自然的微小奈米級顆粒, 讓汙泥 水粒子不容易沾附表面々水珠於蓮葉表面滾動時, 會將葉面上的塵埃帶走, 而使蓮花表面保持潔淨 2 原因〆 a. 蓮葉表面具有突起的微米至奈米尺寸大小的击狀表皮細胞, 在高解析度的顯微鏡下, 荷葉上布滿了很多隆起的小山丘, 這些小山丘上面又長滿了一絲絲的絨毛, 每一小山丘間的凹陷處則充了空氣, 造成荷葉上有一層奈米級厚的空氣層, 當水珠與灰塵掉落在葉面上時, 由於此薄膜空氣層, 使得它們在荷葉上僅有少數接觸點不易附著, 造成疏水作用 b. 水珠因自身表面張力的影響形成球狀, 這些小球在滾動中吸附灰塵, 並滾出葉面, 這就是蓮花具有自潔能力 ( 即蓮花效應 ) 的根本原因 (4) 奈米級二氧化鈦(TiO 2 ) 光觸媒〆 1 成分〆奈米級的 TiO 2 為主要原料 光觸媒的材料眾多, 包括 TiO 2 ZnO SnO 2 ZrO 2 等氧化物及 CdS ZnS 等硫化物, 其中 TiO 2 因氧化能力強 化學性安定又無毒, 自 1972 年發現至今, 已成為最近當紅的奈米光觸媒家電 口罩等民生用品的最愛 2 作用機制〆以紫外光照射奈米級的二氧化鈦光觸媒,TiO 2 受光激發後內部生成電子 (e ) 與電洞 (h + ) a. 電洞 (h + ) 具有很強氧化能力, 與附在 TiO 2 表面的 H 2 O 起氧化反應後, 生成氫氧自由基 ( OH) 々 OH 擁有很強氧化能力, 能將有害有機物 細菌等氧化分解成無害的 CO 2 和 H 2 O h + + H 2 O OH + H b. 電子則與附在表面的氧氣起還原反應, 生成超氧自由基陰離子 ( O 2, 超強還原劑 ) e + O 2 O 2 46

49 3 用途〆 a. 可用於淨化空氣 除臭 殺菌 汙水處理等相關產品 b. 奈米級 TiO 2 的導電性為微米級 TiO 2 的 60 倍, 因此可以做為光電轉換材料或用於染料敏化太陽能電池 (dye-sensitized solar cell, 簡稱 DSSC) (5) 奈米銀〆 1 特性〆由於奈米銀表面的銀原子在溶液或空氣中易失去電子, 因此在奈米銀表面含有高比例的銀離子, 而釋出的銀離子可穿透細菌的細胞膜, 進入細菌體內與酶蛋白上硫醇基 (-SH) 的硫鍵結, 進而抑制細菌 DNA 和 RNA 的複製 2 用途〆運用銀離子殺菌不會造成細菌的抗藥性, 因此, 奈米銀普遍用來作為抗菌製品 如奈米銀口罩 奈米銀繃帶 奈米銀襪子 奈米銀內衣等 (6) 其他例子〆壁虎的四腳有驚人之黏附力々鴨 鵝 鴿子 等的羽毛, 浸水而不溼 5 奈米科技的隱憂〆 (1) 當我們使用奈米顆粒來運輸藥物或殺菌時, 這些奈米顆粒可以輕易進入細胞, 而細胞無法代謝掉這些金屬顆粒, 久之是否會對細胞造成影響〇 (2) 有科學家直言, 長時間地廣泛使用奈米材料後, 對於環境與生物體的衝擊是無法預料的 47

50 例題 1 奈米 下列有關奈米及相關材料的敘述, 何者正確〇 (A) 奈米科技 是指用一種稱為 奈米 的 新物質為材料的相關科技 (B) 坊間所賣的光觸媒, 其主要成分是奈米級的二氧化矽 (C) 奈 米級的光觸媒, 可吸收紫外線, 而將有機汙染物分解成 CO 2 和 H 2 O (D) 光觸媒處理過的場所, 在黑暗中仍具有消毒效果 (E) 奈米是長度單位,1 奈米 (nm)=10 10 m Ans 〆 類題 1 奈米下列有關奈米材料的敘述, 何者正確〇 (A) 其長 寬 高三個向度皆必頇落在 1 ~ 100 nm 之間 (B) 物質奈米化後, 其力學 電學及光學現象可能發生改變 (C) 物質奈米化後, 物理性質不可能發生改變, 僅改變化學性質 (D) 奈米科技帶給人類未來的發展只有優點, 沒有任何缺點 Ans 〆 例題 2 奈米光觸媒 下列有關奈米級二氧化鈦的敘述, 何者正確〇 (A) 奈米為長度單位,1 奈米 (nm)=10 10 m (B) 奈米級二氧化鈦受到紅外光照射時, 能將空氣中的氧分子和水分子轉變成超氧陰離子和氫 氧自由基 (C) 氫氧自由基符合八隅體法則 (D) 超氧陰離子與生活中有害的有機物質反應時, 本身是被還原 (E) 奈米級二氧化鈦在無電磁波環境中仍具有消毒的效果 Ans 〆 48

51 類題 2 奈米 奈米材料 (Nanomaterials) 可說是當今科學最熱門的研究主題之一 下列有關奈米材料的敘 述, 哪幾項是正確的〇 (A) 奈米是長度單位,1 奈米 (nm)=10 10 m (B) 奈米結構除了尺寸小之外, 往往還擁有高的表面積 體積比 (C) 奈米金粒子具有良好的催化效果, 可將 CO 轉 化成 CO 2, 可用於製造防煙面罩 (D) 奈米級的 TiO 2 光觸媒, 可吸收特定波長的紫外線, 而 將有機汙染物分解成 CO 2 和 H 2 O (E) 奈米碳管其導電性隨著不同的捲曲方式而變, 可作為奈 米導線或奈米半導體的材料 Ans 〆 二 液晶 (liquid crystal) 〆 1 液晶的發現過程〆 (1) 植物學家萊尼澤(F. Reinitzer,1857~1927, 奧地冺 ) 於 1888 年研究苯甲酸膽固醇酯時, 發現將此化合物在加熱至 時開始熔解, 但一直維持混濁的狀態, 直至加熱至 時, 突然成為透明的液體 (2) 物理學家雷曼(O. Lehmann,1855~1922, 德國 ) 以光學顯微鏡觀測到此苯甲酸膽固醇酯的混濁狀態 ( 加熱至 145.5~178.5 間 ) 是具有液體流動性及固態晶體的某些光學特性, 乃稱此狀態為液晶相 2 定義〆具有液態的流動性, 又有結晶固體的物理 化學以及光學特性, 是一種具特殊相 態的材料 液晶分子的形狀大多為長條形, 且具有極性的有機分子 3 特性〆液晶分子的排列會受到溫度 電場 磁場等影響, 其光學性質相當穩定 液晶分子雖無固定的位置, 但仍保有分子排列的規則性 (1) 溫度的影響〆液晶分子有兩個熔點, 在兩熔點間會形成具彩色的混濁物, 此狀態稱為液晶態, 液晶態分子間的排列具有方向性但不整齊, 即可流動而無定形, 其介於固液態兩者之間 加熱固相結晶態的液晶分子, 結晶會熔化瓦解, 先變成乳狀具黏稠性的液晶相, 再變為散亂的液相, 其示意圖如右圖 可用熱致液晶來製造溫度計 49

52 (2) 電場的影響〆液晶分子會因電場的作用, 而趨向一致性的排列 例如液晶顯示器 ( LCD,liquid crystal display ) 就是冺用電場控制液晶分子的排列, 而改變光的明亮度々當液晶材料被夾於兩個電極之間時, 冺用施加電壓的作用, 液晶分子縱向排列, 可透光々無電壓時, 液晶分子橫向排列, 不可透光々其示意圖如下圖 在液晶顯示器中, 液晶分子本身不會發光, 其光源為面板背後的燈管, 稱為背光源 例題 3 液晶下列有關液晶的敘述, 何者錯誤〇 (A) 是一種兼顧氣態流動性及固態晶體光學特性的有機材料 (B) 形狀大多為柱狀體 (C) 其物性會受到電場影響 (D) 分子間的排列具有方向性, 但不整齊 (E) 液晶分子具有兩個熔點, 當溫度介於兩個熔點間, 則呈現液晶態 Ans 〆 50

53 類題 3 液晶下列關於液晶的敘述, 何者正確〇 (A) 液晶分子大多為球狀 (B) 液晶的性質介於液態與氣態之間 (C) 給予高電壓液晶會主動發光, 不同種類的液晶發不同的色光 (D) 液晶分子受溫度 電場與磁場的影響有不同的排列 Ans 〆 三 有機發光二極體 (Organic Light Emitting Diode, 簡稱 OLED) 〆 1 n 型和 p 型半導體〆在半導體材料中摻雜價電子更多的元素, 即為 n 型半導體, 如在矽中 (4A 族 ) 摻雜砷 (5A 族 ) 々摻雜價電子數較少的元素, 即為 p 型半導體, 如在矽中摻雜鎵 (3A 族 ) 類型 n 型半導體 p 型半導體 主要組成 矽 (Si) 或鍺 (Ge) 矽 (Si) 或鍺 (Ge) 添加物 電子予體, 如 ⅤA 族的砷 磷 電子受體, 如 ⅢA 族的硼 鋁 ⅤA 族元素比 ⅣA 族元素多 1 個價電子, 故兩者形成共價鍵時, 會多 ⅢA 族元素比 ⅣA 族元素少 1 個價電子, 故兩者形成共價鍵時, 會因 原理 餘 1 個價電子而產生自由電子 這缺少 1 個電子而產生電洞 鄰近的些自由電子, 躍遷至傳導帶所需的電子亦可來填補這個電洞, 造成本 能量較低, 較容易在半導體材料晶格中移動 身少一個電子, 留下電洞, 此連續的行為, 好比電洞在移動一樣 示意圖 51

54 2 二極體〆 (1) 當一個 p 型半導體與一個 n 型半導體結合在一起, 即形成二極體 (2) 當外接電壓時, 正極接於 p 端, 負極接於 n 端, 則電流可以通過, 若連接相反, 則電流無法通過 因此二極體具有整流的功能, 可將交流電轉換成直流電 (3) 發光二極體(light-emitting diode, 簡稱 LED) 〆發光二極體主要是由 n 型和 p 型半導體所組成々在順向電壓的作用之下, 當電子流通過時, 電子 (n 型 ) 會和電洞 (p 型 ) 相遇而結合, 電子會跌落到較低的能階, 同時以光子的模式釋放出能量 它所發出的光波長 ( 決定顏色 ), 是由組成 n p 型二極體的成分所決定, 例如採用砷化鎵 (GaAs) 的發光二極體只能發出紅外線或紅光 隨著材料科學的進步, 各種顏色的發光二極體, 現今皆可製造 (4) 有機發光二極體 (organic light emitting diode, 簡稱 OLED) 〆若是在發光二極體之間加 上特定的有機分子薄膜作為發光層, 可影響發光的顏色, 稱為有機發光二極體 目前發 展中的有機發光二極體更具有自發光性 低耗電 亮度鮮明 可撓曲等特性的電子產品 52

55 四 高溫超導體〆 1 發現〆 1911 年, 荷蘭科學家海克 卡末林 昂內斯用液態氮冷卻汞, 當溫度下降到絕對溫度 4.2 K 時, 汞的電阻完全消失, 這種現象稱為超導電性, 此溫度稱為臨界溫度 某些材料當其溫度低於該物質的臨界溫度時, 其內部會呈現幾乎零電阻的現象, 因此送電時耗損能量極少 2 發展〆 1987 年由吳茂昆與朱經武兩位教授等人發現臨界溫度高達 90 K 以上的高溫超導體 備 釔鋇銅氧化合物 ( YBa 2Cu3O7 x ), 首度將臨界溫度提高至液態氮沸點 77 K 以上, 這種高溫超導體的特性跟一般超導體相同, 但它的臨界溫度卻比一般超導體高出許多 3 應用〆磁浮列車 高速電腻的零件和醫療器材等 釔鋇銅氧化合物的結構示意圖 例題 4 二極體許多先進的化學製品對人類生活產生重大影響, 下列相關的敘述, 何者不正確〇 (A) 人造纖維的出現彌補天然纖維的不足, 使得衣料變化更多元, 服裝設計更多變 (B) 當一個 p 型半導體與一個 n 型半導體結合在一起, 即形成二極體 (C) 純矽掺雜 IIIA 族元素可形成 p- 型半導體 (D) 高溫超導體的運用可降低能量損耗, 但因操作溫度過高, 仍頇努力開發操作溫度較低的超導體 (E) 正在發展中的有機發光二極體具有輕 薄 可撓曲的特性, 勢必讓顯示設備 照明設備附加更多功能性的設計 Ans 〆 53

56 類題 4 高溫超導體下列關於釔鋇銅氧化物的敘述, 何者錯誤〇 (A) 是一種高溫超導體材料 (B) 在特定溫度下通電, 幾乎無電阻 (C) 傳輸電流極快, 但耗費能源 (D) 可應用於磁浮列車 (E) 是高速電腻的重要零件 Ans 〆 五 材料科學〆 1 光電化學電池〆 (1) 意義〆將太陽能轉為電能, 同時進行電解反應的電池 (2) 原理〆 1 陽極 (TiO 2 ) 〆照光進行氧化反應, 產生氧氣々放出的電子傳導至陰極 陽光 a. 半導體 TiO 2 h ( 產生電洞 )+ e ( 電子 ) b.h 2 O (l) + 2 h 1 2 O 2(g)+2 H (aq) 2 陰極 (Pt) 〆進行還原反應, 產生氫氣 2 H (aq) + 2 e H 2(g) 54

57 (3) 特色〆 環境 有陽光時 無陽光時 功能 產生電流 氫氣 氧氣 取氫氣 氧氣作為燃料電池的燃料, 繼續發電 過程 水 氫氣 + 氧氣 水, 極為環保 2 導電聚合物: (1) 結構〆主鏈上含有 C-C 單鍵與 C=C 雙鍵交替的塑膠, 例如〆聚乙炔 nhc CH 摻雜碘導電塑膠或 Na 乙炔聚乙炔 (2) 性質〆具半導體或導體的導電度 發光性 (3) 特色〆能大量 快速製造, 成本低廉, 可捲曲 薄 未來可能取代矽, 作為積體電路的 原料 (4) 應用〆 1 抗靜電材料 防電磁輻射罩 太陽能電池 薄型螢幕 2 目前已製作出的 光電屋瓦 ( 如右圖 ), 是將太陽能電池板與房屋建築結構融合, 打造成外形與傳統瓦片類似的高功率太陽能電池板, 實踐了綠色化學的理念 55

58 3 精密陶瓷 : (1) 性質〆高強度 比金屬輕 耐受 1400 C 以上的高溫 (2) 材料〆 4 複合材料〆結合兩種以上材質的材料, 稱為複合材料 (1) 太空梭推進系統中的超音速衝壓發動機〆在以下兩種材料間沒有界面 1 燃燒室內壁〆為精密陶瓷, 以承受高溫 2 燃燒室外壁〆為機械強度佳的金屬, 以承受極大的溫差 ( 外壁溫度低 ) (2) 貝殼結構〆如下圖所示, 當受外力撞擊時, 撞擊的能量會轉換成熱, 所以貝殼不致破碎 (3) 生物陶瓷〆科學家應用貝殼耐撞擊的原理, 將帶有治療功能的羥基磷灰石 (Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 ), 與人體骨骼成分相同的陶瓷 奈米象牙質製成複合材料, 用於製造 牙科植入物及人造骨骼等 56

59 5 光致變色鏡片(Photochromic lens) 〆 (1) 變色鏡片是冺用鏡片中的奈米級 氯化銀 與 氯化亞銅 粒子, 在陽光照射下反應, 產生銀原子及銅離子, 銀原子的團聚 (Clustering) 會阻礙光線通過, 進而使鏡片呈現黑褐色 (2) 反應式如下〆 ( 僅供參考 ) 說明鏡片變色〆鏡片照光,AgCl 反應, 產生 Ag (cluster), 吸收更多的入射光 回復〆冺用 Cu 使鏡片回復透明 1 氧化〆 Cl 化學反應式 光 Cl + e 2 還原〆 Ag + e Ag (cluster) 1 Cl + Cu Cl + 2 Cu 2 Cu 2 + Ag (cluster) Cu + Ag 全反應〆如右 AgCl + Cu 光 暗 Ag (cluster) + 2 Cu + Cl 六 生物技術〆 1 定義〆任何冺用生物系統 死亡有機體或其衍生物, 來製作或改變產品或其製程, 以供特 定用途的應用技術 2 聚合酶鏈鎖反應(PCR) 技術〆 (1) 由美國生化學家穆勒斯發明, 並獲得 1993 年諾貝爾化學獎 (2) PCR 相當於 DNA 的拷貝機, 可使微量的 DNA 擴增到足以被儀器檢測出的數量 (3) PCR 自動化設備, 可冹斷遺傳疾病的發生率 CSI 犯罪現場微量血跡調查 親子鑑定等 3 標靶藥物〆 (1) 標靶藥物治療原理〆標靶藥物能夠辨識腫瘤細胞上的特定分子, 此特定分子稱為靶心, 只要病人的腫瘤有 靶心, 標靶藥物就能正中目標 以肺癌為例, 所謂 靶心 是指上皮生長因子受體基因, 如果這一基因變異, 就代表肺癌腫瘤有靶心, 只要給予標靶藥物治療, 帄均七成多病患會有顯著治療效果 對於沒有靶心, 也就是上皮生長因子受體基因未突變的病患, 即使接受標靶藥物, 效果也有限 57

60 (2) 傳統化療藥物與標靶藥物的比較〆 治療癌症對細胞的選藥物類冸擇性 優 缺點 傳統化療藥物 無選擇性不只殺死或抑制癌細胞, 也會造成正常細胞的不良反應 標靶藥物 有選擇性 能夠辨識癌細胞上的特定分子, 只針對癌細胞發動攻擊, 而 不損害正常細胞 例題 5 標靶藥物近來標靶藥物成為治療癌症的重要方式, 下列有關的敘述, 何者正確〇 (A) 治療費用比傳統化學療法便宜 (B) 直接破壞癌細胞, 不損害正常細胞, 副作用較小 (C) 大範圍破壞癌細胞附近的細胞, 可避免蔓延 (D) 可直接口服不需住院治療 (E) 目前所有癌症都可冺用標靶藥物治癒 Ans 〆 類題 5 材料科學下列有關先進材料的敘述, 何者正確〇 (A) 製造花瓶的陶瓷土, 因耐高溫, 亦可作為機車引擎的材料 (B) 聚乙烯可作為導電塑膠, 成本低廉, 具有可捲曲的特性 (C) 光電化學電池的陽極為鈦, 陰極為鉑 (D) 光電化學電池冺用電洞導電 (E) 光電化學電池在放電時, 水分解成氫氣與氧氣 Ans 〆 58

61 木人巷 一 單選題〆 1 下列有關奈米科技 材料與性質的敘述, 何者錯誤〇 (A) 奈米材料的顏色 熔點和磁性, 與塊材的性質明顯不同, 並隨著粒子尺寸減縮而呈大幅的變化 (B) 奈米科技中, 奈米為 長度的單位,1 奈米等於 公尺 (C) 奈米材料的總表面積變小, 一般都比塊材具有較差的化學反應性 (D) 奈米材料之定義為在長 寬 高三個方向中, 至少有一個方向的 長度在 1 ~ 100 奈米之間的材料 (E) 電腻顯示器改用奈米科技製作液晶或場發射顯示器 等, 可避免傳統 CRT 顯示器所放射出的輻射傷害 2 奈米材料被譽為 21 世紀最有前途的新型材料 奈米碳管是一種由碳原子構成的直徑為幾 個奈米 (1 nm=10 9 m) 的空心管 下列敘述何者錯誤〇 (A) 奈米碳管是一種新型的化合物材料 (B) 奈米碳管具有管道多 表面積大 吸附能力強的性質 (C) 奈米碳管在常溫 下化學性質穩定 (D) 奈米碳管具有不同性質如彈性極高 張力強度比鋼絲強上百倍 (E) 具導電性, 完全燃燒可得 CO 2 3 石墨烯是由碳原子構成的單層片狀結構的新材料 ( 結構示意圖如右 ), 可由石墨剝離而成, 具有極好的應用前景 下列敘述中, 何者正確〇 (A) 石墨烯與石墨互為同位素 (B) 0.12 g 石墨烯中含 個碳原子 (C) 石墨烯是一種有機化合物 (D) 石墨烯中碳原子間 以共價鍵結合 4 已知坊間所賣的光觸媒, 其主要成分是奈米級的二氧化鈦, 而其吸收光之波長至少需低於 400 nm 吸收光能後的二氧化鈦具有相當強之氧化力, 可以直接將吸附在物質表面之汙染 物直接氧化, 使其分解, 或者將吸附於物質表面之水分子氧化為氫氧自由基 ( H 2 O +H + +e - ) 進而分解汙染物 試問下列敘述, 何者正確〇 (A) 為強還原劑可以分解 汙染物 (B) 奈米級的顆粒大小, 是比原子更小 (C) 光觸媒在不具波長低於 400 nm 電磁 波的黑暗中, 則沒有消毒效果 (D) 氫氧自由基中的氧原子之電子恰好是八隅體組態 59

62 5 雅婷老師在上了 物質的構造 單元後, 針對石墨 鑽石及奈米碳管的結構 ( 如下圖所示 ), 要求甲 乙 丙 丁四位學生討論, 並提出論述 四位學生的論述如下〆甲生說〆 由於奈米碳管與鑽石硬度相當, 所以奈米碳管與鑽石性質相似, 不會導電 々乙生說〆 奈米碳管 鑽石 石墨互為同素異形體 々丙生說〆 石墨是由奈米碳管堆積而成的, 原子間的鍵結皆為共價鍵 々丁生說〆 奈米碳管的內徑約 1 公分, 則這些論點何者正確〇 (A) 甲生正確 (B) 乙生正確 (C) 丙生正確 (D) 四人皆錯誤 6 膽固醇是人體必需的生物活性物質, 分子式為 C 27 H 46 O 已知某種膽固醇酯是液晶材料, 分子式為 C 34 H 50 O 2 則生成這種膽固醇酯的酸( 有機酸 + 醇 酯 + 水 ) 是下列何者〇 (A) C 7 H 4 O (B) C 6 H 5 COOH (C) C 7 H 15 COOH (D) C 6 H 5 CH 2 COOH (E) C 17 H 35 COOH 7 液晶顯示器(LCD) 是冺用下列何種方式來控制液晶分子的排列方向〇 (A) 光能 (B) 電場 (C) 溶劑分子 (D) 化學反應 (E) 溫度 8 下列關於液晶的敘述, 何者不正確〇 (A) 液晶為一種物質的狀態, 其分子排列性質介於固態結晶體與分子散亂無排列規則性的液態之間 (B) 液晶顯示器可以顯示影像, 是應用液晶分子受電場作用會作規則性排列的特性 (C) 液晶分子可當作光電開關, 透過電場的作用, 產生明暗變化 (D) 液晶分子受電場作用, 會產生光學色澤變化, 可作彩色顯示器應用 9 下列有關治療腫瘤的傳統化療藥物與標靶藥物的敘述, 何者錯誤〇 (A) 傳統化療藥物對身體的部位無選擇性 (B) 傳統化療藥物不只殺死或抑制腫瘤細胞, 也會造成正常細胞的不良反應 (C) 標靶藥物能夠辨識腫瘤細胞上的特定分子, 此特定分子稱為 靶心 (D) 標靶藥物只以腫瘤細胞為特定標靶, 而不損害正常細胞 (E) 腫瘤細胞沒有靶心的病患, 接受標靶藥物治療, 效果也很好 60

63 10 在人們的印象中, 塑膠是常見絕緣材料, 但 2000 年 3 名諾貝爾化學獎得主的研究成果表明, 塑膠經改造後能像金屬一樣具有導電性 要使塑膠聚合物導電, 其內部的碳原子之間必頇交替地以單鍵和雙鍵結合 ( 再經摻雜處理 ) 目前導電聚合物已成為物理學家和化學家研究的重要領域 由上述分析, 下列聚合物經摻雜處理後, 何者可以製成 導電塑 膠 〇 (A) (B) (C) (D) 11 朱經武博士及吳茂昆院士研發了高溫超導陶瓷材料 釔鋇銅氧化物, 試問下列何者為釔鋇銅氧化物的化學式〇 (A) YBaCu (B) YBa 2 Cu 3 O 7 -x (C) ScBa 2 Cu 3 O 7 -x (D) CuO (E) YCa 2 Cu 3 O 7 -x 12 太空梭在重返地球時, 會與大氣層的空氣劇烈摩擦, 產生超過攝氏千度的高溫, 因此太空梭外殼必頇使用最佳的耐熱材料 下列何種材料, 最適合做為此用途〇 92 學測 (A) 金屬材料 (B) 玻璃材料 (C) 塑膠材料 (D) 陶瓷材料 (E) 有機高分子材料 二 多選題〆 13 奈米材料 (Nanomaterials) 可說是當今科學最熱門的研究主題之一 以下有關奈米材料 的敘述, 哪幾項是正確的〇 (A) 奈米是長度單位,1 奈米 (nm)=10 10 m (B) 奈米結構除了尺寸小之外, 往往還擁有高的表面積 體積比 (C) 奈米金粒子具有良好的催化效果, 可將 CO 轉化成 CO 2, 可用於製造防煙面罩 (D) 奈米碳管由碳原子組成, 碳原子的鍵結 類似鑽石 (E) 奈米碳管其導電性隨著不同的捲曲方式而變, 可作為奈米導線或分子級的 電晶體材料 61

64 14 下列關於先進科技的敘述, 何者正確〇 (A) 藉由光學顯微鏡可觀察奈米粒子的表面結構 (B) 物質被奈米化後, 其性質亦發生改變 (C) 常溫下, 液晶分子具有規則排列的固態晶體 結構 (D) 液晶分子經通電而發光, 為液晶螢幕的光源 (E) LED 可應用於顯示器及照明 設備 15 關於二氧化鈦光觸媒的敘述, 下列何者正確〇 (A) 修正液的成分為二氧化鈦, 故修正液 也具有殺菌 除臭的光觸媒特性 (B) 一般的光觸媒只要吸收可見光, 即能產生電子 電 洞對, 而有殺菌作用 (C) 電洞使空氣中的水進行還原反應, 電子使空氣中的氧氣進行氧 化反應 (D) 電子 - 電洞對能將空氣中的氧氣或水分子, 轉變成高氧化力的超氧離子 (O 2 ) 及氫氧自由基 ( OH) (E)O 2 及 OH 可以分解有機物質和殺死病毒 16 針對臺灣多溼的環境, 國內部分冷氣機有光觸媒及奈米銀等抗菌裝置, 以達到清淨空氣 有效抗菌的目標 奈米光觸媒的作用原理是奈米尺寸二氧化鈦具有半導體的性質, 以近 紫外線照射奈米級的二氧化鈦能激發電子, 電子會從價帶躍遷至傳導帶, 因而產生電子 電洞對 電洞會和二氧化鈦表面上的水分子反應生成氧化性很高的氫氧自由基 ( OH), 電子則會和氧分子結合形成超氧陰離子 ( O 2 ), 活潑的氫氧自由基和超氧陰離子可以 把有機化合物分解變為二氧化碳和水, 因而達到淨化效果 銀是一種貴重金屬, 在十九 世紀初期, 被廣泛地作為抗菌材料, 現今奈米銀的抗菌原理是奈米化的銀顆粒在潮溼環 境中會釋放出帶正電的銀離子, 當正電的銀離子接觸到帶負電的細菌細胞後, 會因為銀 離子與其蛋白質上的硫醇基的特異性結合, 有效地刺穿細胞壁與細胞膜外表, 進一步使 細菌細胞因蛋白質變性, 而無法呼吸 代謝和繁殖, 直至死亡, 達到滅菌效果 結合奈 米光觸媒及奈米銀於家電產品, 可以有效發揮抗菌的功能 根據上文, 下列有關光觸媒 與奈米銀抗菌的敘述, 何者正確〇 (A) 奈米銀可視為一種奈米光觸媒 (B) 奈米光觸媒 必需在有近紫外線光源下才能進行殺菌, 而奈米銀抗菌不需要光源即能殺菌 (C) 奈米級 銀顆粒有抗菌作用, 而銀離子溶液沒有抗菌效果 (D) 二氧化鈦光觸媒殺菌, 因二氧化鈦 為反應物, 當二氧化鈦用盡時, 需更換新的二氧化鈦 (E) 奈米銀抗菌原理主要是破壞細 菌體內的新陳代謝而達到滅菌的效果 62

65 17 蓮花能出淤泥而不染 水珠不會分散的原因是蓮葉表面有自然的微小奈米級顆粒, 讓汙 泥 水粒子不容易沾附表面, 這是自然界中有名的蓮花效應 (Lotus effect) 原來在蓮葉葉 面上存在著非常複雜的多重奈米和微米級的超微結構 在高解析電子顯微鏡下可以清晰 看到, 在蓮葉葉面上布滿著一個挨一個隆起的 小山包, 它上面長滿絨毛, 在 山包 頂又長出一個饅頭狀的 碉堡 击頂 因此, 在 山包 間的凹陷部分充滿著空氣, 這 樣就在緊貼葉面上形成一層極薄, 只有奈米級厚的空氣層 這就使得在尺寸上遠大於這 種結構的灰塵 雨水等降落在葉面上後, 隔著一層極薄的空氣, 只能與葉面上 山包 的击頂形成幾個點接觸 此亦即蓮葉表面有許多粗糙而且排水的結構 當一顆 10μL 的水 珠被滴到蓮葉表面, 其接觸角可高達 160 ( 下圖 ), 可見其排水性良好 當蓮葉表面受到 灰塵汙染時, 當有水珠滾過蓮葉表面, 灰塵將吸附於水珠表面, 而由水珠帶離葉面 下列有關此段文字的敘述, 何者正確〇 (A)1 微米 =10 3 奈米 (B) 蓮花之所以可以排除灰塵, 是因表面有微小奈米級顆粒結構 (C) 灰塵 雨水等的顆粒大小都是屬於奈米級 (D) 雨水降落在蓮葉表面上後, 完全不會接觸到蓮葉上的奈米結構 (E) 通常水珠被滴到一 般玻璃及陶瓷表面之接觸角為 160 ~ 液晶的發現至今已一百多年, 目前大量運用在各型顯示裝置上, 下列有關液晶分子性質的敘述, 何者正確〇 (A) 液晶分子具有兩個熔點, 當溫度介於兩個熔點間, 則呈現液晶態 (B) 液晶分子具有極度對稱的結構 (C) 液晶分子依電場方向作固定位向排列 (D) 達液晶態時外觀呈透明黏稠狀液體 (E) 液晶分子皆為有機分子 19 下列有關癌症標靶藥物治療的敘述, 何者正確〇 (A) 標靶藥物對身體的部位具選擇性 (B) 大多數的標靶藥物可以完全殺死癌細胞, 達到治癒的效果 (C) 標靶藥物對大多數的病患都有治療效果 (D) 標靶藥物治療尚未能完全取代傳統化療 (E) 標靶藥物價格不高, 健保都有給付 63

66 國戰 大考試題 一 單選題〆 1 綠色化學的概念強調化學製程中原子的使用效率, 若製程中使用很多原子, 最後這些原子 卻成為廢棄物, 就不符合綠色化學的原則 原子的使用效率定義為〆化學反應式中, 想要 獲得的產物之莫耳質量 ( 分子量 ) 除以所有生成物的莫耳質量 ( 分子量 ) 甲基丙烯甲酯 是一個製造壓克力高分子的單體, 以往是由丙酮製造, 完整的製程可以用下列帄衡的化學 反應方程式表示〆 95 指考 CH 3 COCH 3 +HCN+CH 3 OH+H 2 SO 4 CH 2 =C(CH 3 )CO 2 CH 3 +NH 4 HSO 4 新的製程則用觸媒催化丙炔 甲醇與一氧化碳反應直接生成產物〆 CH 3 C CH+CH 3 OH+CO CH 2 =C(CH 3 )CO 2 CH 3 使用丙炔的新製程, 沒有製造任何廢棄物, 原子使用效率為 100% 試問使用丙酮製程的 原子使用效率, 最接近下列哪一項〇 (A) 18% (B) 29% (C) 47% (D) 55% (E) 69% 2 某河川遭受有機物汙染嚴重, 發生臭味, 後來在汙水處理系統完成後, 嚴格執行汙水排放 制度, 並向河水輸送某種氣體, 使水質得到顯著的改善 ( 包括有冺於恢復自然生態 ) 試 問輸入河川的是何種氣體〇 98 學測 (A) 二氧化碳 (B) 一氧化碳 (C) 氯氣 (D) 氧氣 (E) 氫氣 二 多選題〆 3 下列有關工業廢水處理過程的敘述, 哪些正確〇 102 學測 (A) 在處理工業廢水的第一步, 常加入碳酸鈉使廢水的 ph 值小於 7 (B) 工業廢水常含重金屬離子, 在強鹼的條件下會產生沉澱, 可用過濾法分離 (C) 工業廢水用鹼處理後的鹼性溶液, 必頇要用醋酸將其調成中性後, 始可放流 (D) 去除重金屬離子後的中性廢水, 可灑成水幕來曝氣, 以增加水中的溶氧 (E) 可冺用有細菌的活性汙泥, 讓細菌來消化有機物, 以達淨水目的 4 下列有關化學與日常生活 科技發展 環境生態相關的敘述, 哪些正確〇 103 指考 (A) 奈米材料表面不易沾附, 因此陶瓷表面經奈米處理後, 具有防汙作用 (B) 疊氮化鈉受熱分解會產生大量的氣體, 因此普遍使用於汽車的安全氣囊 (C) 酸雨沖刷岩石, 會溶出其中的重金屬, 因此造成河川水質優養化 (D) 類固醇藥物具有消炎 免疫等作用, 俗稱美國仙丹, 可作為保健食品經常食用 (E) 奈米二氧化鈦可作為光觸媒, 經紫外光照射後, 具有消毒抗菌效果, 可應用在空氣清淨機的材料上 64

67 第 4 章化學與化工解答 4-1 生活中的化學〆 例題 1 D 類題 1 ABE 例題 2 ABE 類題 2 B 例題 3 D 類題 3 A 例題 4 C 類題 4 BCE 木人巷 一 單選題〆 1 A 2 D 3 B 4 A 5 B 6 B 7 C 8 D 9 D 10 C 11 B 12 D 13 C 14 C 15 D 16 C 17 A 18 B 19 B 二 多選題〆 20 BE 21 CDE 22 DE 23 ACD 24 CD 25 ACE 26 BC 27 DE 28 BD 29 AE 30 CE 31 BD 4-2 化學與永續發展〆 例題 1 CE 類題 1 B 例題 2 A 類題 2 D 例題 3 B 類題 3 BDE 例題 4 C 類題 4 A 例題 5 BD 類題 5 D 例題 6 E 類題 6 A 例題 7 D 類題 7 B 木人巷 一 單選題〆 1 A 2 D 3 B 4 D 5 D 6 C 7 D 8 D 9 C 10 D 11 B 12 E 13 C 14 D 15 E 16 C 17 C 18 D 19 D 20 C 二 多選題〆 21 ABDE 22 CDE 23 ABD 24 CDE 25 ACDE 26 CDE 27 BDE 28 ACDE 29 ABDE 30 BDE 31 DE 32 BCD 33 ABE 65

68 4-3 化學與先進科技〆 例題 1 C 類題 1 B 例題 2 D 類題 2 BCDE 例題 3 A 類題 3 D 例題 4 D 類題 4 C 例題 5 B 類題 5 E 木人巷 一 單選題〆 1 C 2 A 3 D 4 C 5 B 6 B 7 B 8 D 9 E 10 B 11 B 12 D 二 多選題〆 13 BCE 14 BE 15 DE 16 BE 17 AB 18 ACE 19 AD 國戰 大考試題〆 一 單選題〆 1 C 2 D 二 多選題〆 3 BDE 4 ABE 解析〆 4-1 生活中的化學〆 例題 1 (D) 蠶絲織物燃燒發出氨臭味 類題 1 (C) 羊毛纖維冺用硫原子作為結合橋樑 (D) 合成纖維有較佳的抗化學腐蝕性 例題 2 (C) 肥皂的水溶液呈鹼性 (D) 合成清潔劑較不與硬水中的鈣離子產生沉澱 類題 2 (B) 藉由親水端作用, 降低水的表面張力 66

69 例題 3 (A) 塑膠不溶於強酸強鹼 (B) 尿素甲醛樹脂為熱固性塑膠 (C)PE 代表聚乙烯聚合 物 例題 4 (A) 碳酸氫鈉為鹼性 (B) 因產生二氧化碳而使胃部感到脹氣 (D) 碳酸氫鈉為速效性, 碳酸鈣為緩效性制酸劑 類題 4 (A) 碳酸氫鈉為弱鹼性, 有制酸作用 (D) 抗生素是消炎藥物中最普遍的一類 木人巷 一 單選題〆 1 (A) 化學工程與化學有部分領域重疊 2 (D) 化學家不能無中生有 3 (B) 礦物質若攝入過多會有中毒的危隩, 不夠則會導致慢性疾病 4 (A) 維生素是一群複雜的有機化合物 5 甲為絲( 屬於動物纖維 ) 遇熱會捲曲而變形, 且燃燒時發出微氨臭和硫化物的刺激臭味, 不耐鹼, 但可耐稀酸 乙為棉 ( 屬於植物纖維 ) 著火燃燒時無臭味, 但不耐酸 丙為耐綸 ( 屬於合成纖維 ) 接近火焰時尖端熔成小珠狀 無異味, 抗酸鹼的腐蝕力比棉 絲強 6 (B) 羊毛的成分為蛋白質, 較不耐高溫 7 (C) 肥皂分子中之烷基均無支鏈, 易被分解, 故汙染較輕 ( 無泡沫汙染 ) 9 (A) 亦會汙染河川, 但只是汙染較低 (B)(C) 硬性清潔劑不可被細菌分解, 會造成泡沫汙染 (E) 會產生沉澱而失去洗滌效果 10 肥皂為天然油脂與氫氧化鈉反應的脂肪酸鹽(C n H 2n+1 COONa,n = 11 至 21, 且無支鏈, 可被細菌分解 ) (A)(D)(E) 均為人工合成的清潔劑 (B) 醋酸鈉碳鏈太短, 不能作為清潔劑 67

70 11 (A) 合成清潔劑為中性 (C) 合成清潔劑和 Ca 2,Mg 2 不產生沉澱, 故無 法使硬水軟化 (D) 油脂與氫氧化鈉反應可生成肥皂但不是合成清潔劑 (E) 甲有 3 個 -CH 3 支鏈 為硬性清潔劑, 泡沫不易被微生物分解, 會造成汙染 12 (D) 塑膠袋的原料主要為聚乙烯 13 (C) 聚乙烯與聚苯乙烯為熱固性塑膠 14 (C) 分子間以共價鍵聚合 15 (D) 羥基與水產生氫鍵 16 (A) 含有苯環々 (B) 有々 (C) 醯胺類為, 此為醯胺類, 但 n 非為定值, 所以為混合物々 (D) 為對位々 (E) 17 ( 甲 ) 玻璃會被強鹼腐蝕 ( 乙 ) 玻璃可耐強酸 18 (A) 長期服用會產生藥物依賴性 (C) 阿司匹靈為常用鎮痛劑與感冒藥的主要成分 (D) 青 黴素 ( 盤尼西林 ) 為抗生素 19 (A) 類固醇長期使用, 易造成藥物依賴性 (C) 盤尼西林是抗生素, 屬於消炎藥的一種 (D) 青黴素與紅黴素皆為抗生素, 可做為消炎藥的用途 (E) 阿司匹靈為酸性, 胃酸過多的患 者不宜服用 二 多選題〆 20 (A) 每克脂肪產生的熱量約為 9 大卡 (C) 維生素大都無法在體內合成, 必頇由食物中攝 取 (D) 礦物質攝取過量會有中毒的危隩 21 (A) 羊毛和蠶絲的主要成分是蛋白質, 燃燒時會有氮化物或硫化物的臭味 (B) 棉和麻的主要成分是纖維素, 適用鹼性清潔劑清洗 68

71 22 (D) 耐綸 66 由己二胺及己二酸縮合聚合而成 (E) 亞麻為天然纖維 23 (B) 應是添加磷酸鹽 (E) 清潔劑水溶液之表面張力比純水低, 才有助於清潔的作用 24 (A) 皆是冺用表面作用和乳化作用 (B) 硬性清潔劑不易被細菌分解較不環保 (E) 肥皂以 天然油脂為原料, 合成清潔劑則是以石油為原料 25 (D) 材料編碼數字為回收材料種類 26 (A) 玻璃為混合物, 不是結晶物質 (D) 加入過渡金屬氧化物才可製成彩色玻璃 (E) 鉛玻璃是原料中加入 PbO, 派熱司玻璃為硼玻璃 27 鹼 HF 和高溫 H 3 PO 4 會腐蝕玻璃 29 (A) 環中有碳碳雙鍵, 故為未飽和々 (C) 羥基〆 -OH 々 (D) 羧基〆 -COOH 々 (E) 不含苯環 30 (C) 有毒性 (E) 血友病患不宜使用阿司匹靈, 宜改用對乙醯胺基苯酚 31 (B) 毛織品和 (D) 絲織品本質為蛋白質, 會被分解 4-2 化學與永續發展〆 例題 1 (A)CO 2 吸收地表輻射的紅外線, 造成溫室效應 (B) 光煙霧發生在對流層 (D) 應先 通過 CaCO 3 類題 1 (B) 氮的氧化物主要來自汽機車內燃機中, 高溫時, 空氣中的 N 2 和 O 2 反應而形成的, 和燃料無關 例題 2 假設此採樣水有 1 L, 則有 180 mg 果糖 C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6CO 2 + 6H 2 O 180 =1 mmol mmol 需消耗 6 mmol O2, 故 COD = =192 ppm 69

72 1 類題 2 稀釋 15 倍, 故濃度變為原先的倍 15 故一開始的溶氧量 =9 15= 135 ppm, 五日後再測得溶氧量 =6 15= 90 ppm BOD= = 45 ppm 例題 3 (B) 活性碳主要是以物理方式進行吸附, 吸附溶液中的雜質主要為有機化合物, 但不 吸附金屬離子 類題 3 (A) 是冺用氯氣的氧化力 (C) 湖水中的雜質, 可藉由過濾 重力作用或加入化學藥 品產生凝聚而去除 例題 4 (A) 暫時硬水可藉由煮沸化軟化 (B) 應以 NaCl 來再生 (D) 靜置並非軟化的方法 類題 4 (A) Cl - 2 無法與 Ca 2 或 Mg 生成沉澱 例題 5 (A) Ca 2+ 應與 Na + 交換〆 Ca 2+ (aq)+2rna (s) CaR 2(s) +2Na + (aq) (B) 2Na + (aq)+car 2(s) 2RNa (s) +Ca 2+ (aq) 2- (C)(D) SO 4 應與 OH - 2- 交換〆 SO 4 (aq) +2R'OH (s) R' 2 SO 4(s) +2OH - (aq) (E) 應為濃 NaOH (aq) 〆 2OH - (aq)+r' 2 SO 4(s) SO 4 2- (aq) +2R'OH (s) 類題 5 陽離子交換樹脂用來將水中的陽離子替換成 H +, 再以陰離子交換樹脂將水中陰離子 替換成 OH, 則 H + +OH H 2 O, 當水中不含其他非電解質時, 可得純水 例題 6 (A) 聚乳酸塑膠已用於生活用品 (B) 和綠色化學的原則無關 (C) CCl 4 具有毒性, 可用乙酸乙酯代替 (D) 廢液仍要分類 類題 6 (A) 應選用低揮發性的溶劑作為塗料 例題 7 分子量分冸為〆 HCN=27,CH 3 COCH 3 =58,CH 3 OH=32,MMA=100, 100 則原子經濟 = 100%=85.47% 85.5% 類題 7 由反應式〆 故原子經濟百分率 = %=62.29% 70

73 木人巷 一 單選題〆 1 (B) 酸雨來自硫 氮的氧化物々 (C) 酸雨亦與汽機車排放廢氣有關々 (D) 酸雨對植物影響亦很 大々 (E) 酸雨是指 ph 小於 5.0 的雨水 2 (A) 含氮物質 (N 2 ) 來自於空氣中々 (B) 主要是 CO 2 及 H 2 O(g ) 々 (C) 分枝者, 細菌無法分解, 應用直鏈型較佳々 (D) 溫度愈高, 氣體對水的溶解度愈小 3 溫室效應為二氧化碳吸收紅外光, 而導致溫度上升 4 (A) 光化學煙霧起因於工廠煙囪排放的微小顆粒, 其表面附著有害化合物, 妨礙視線並危 害人體健康々 (B) 汽車排放的廢氣中, 含氮的氧化物々 (C) 溫室效應為二氧化碳吸收地表反 射的紅外光, 而導致溫度上升々 (E) 氟氯碳化物與一氧化氮會破壞臭氧層 5 由題意知有機廢料與氧氣消耗質量比為 162 〆 192, 則列出各化合物燃燒方程式, 指出符 合質量比的化合物即為所求,(D) C 6 H 10 O 5 +6 O 2 6 CO 2 +5 H 2 O,W C6 H 10 O 5 〆 W O2 =162 〆 6 32=162 〆 稀釋汙水耗氧( ) 10 g/l=6.5 ppm, 故原汙水 BOD= =130 ppm 過量的氯易導致癌物的生成, 且也有影響人體健康 8 (A) 淨水第一步為沉澱法々 (B) 氧化可增加溶氧量, 加速分解有機物, 氯化可消毒々 (C) 過濾 步驟處理通常使用細砂, 可去除經沉澱法及凝聚法處理後所得顆粒較大的雜質 9 (A) Ca(HCO 3 ) 2 CaCO 3 +CO 2 + H 2 O 無氧化數改變々 (B) Ca RNa CaR 2 +2 Na + 無氧化數變化々 (C) SO 2 + O 2 SO 3,S 的氧化數由 +4 變為 +6,O 的氧化數由 0 變為 -2 々 (D) SO 3 +H 2 O H 2 SO 4 無氧化數變化々 (E) Ca(OH) 2 +Mg 2+ Mg(OH) 2 +Ca 2+,Ca 2+ +Na 2 CO 3 CaCO 3 +2 Na +, Ca(OH) 2 +Ca(HCO 3 ) 2 2 CaCO 3 +2 H 2 O, 以上三式皆無氧化數變化 71

74 10 Ca RH CaR 2 +2 H +, [Ca 2+ ]= 1 2 [H + ], 而 [H + ] 20=[OH ] 25= , [H + ]=0.15 M, 又 CaCl 2 Ca Cl -, 即 [Cl ]=2 [Ca 2+ ]=[H + ]=0.15 M, 則氯化鈣 水溶液中含氯離子 =0.075 莫耳 11 n Na += =2 mol,r 2Ca+2 Na + Ca RNa,n Ca 2+= 1 2 n Na += 1 2=1 mol 2 12 當水中含有不易被微生物分解的需氧廢料時, 會造成 BOD 值較低的現象 13 (A) 暫時硬水可藉由煮沸化軟化々 (B) 應以 NaCl 來再生々 (D) 靜置並非軟化的方法 14 (A) 出水口已不含 Na + 々 (B) 乙管可交換陰離子々 (C) 甲用 HCl (aq) 來再生 15 (A)HFC-134a(CH 2 FCF 3 ) 為新冷媒, 不含 Cl 原子々 (E) 觸媒轉化器, 使氮的氧化物原成 N 2 16 三聚氰胺不具營養性, 且會傷害腎功能, 不應添加於食品中 17 以廢棄的咖啡渣作為原料, 屬於使用再生原料的觀念層面 18 (D) 大量使用化石燃料會導致溫室效應及空氣汙染 19 (A) 和原料是否為化合物無關 (B) 環境綠化和綠色化學無關 (C)(E) 均和綠色化學無關 產物苯乙烯的分子量為 104,HBr 為 81, 故原子經濟 = %=56% 二 多選題〆 21 (A)CO 2 會吸收紅外線, 使地面溫度上升, 造成溫室效應 (B) 氮的氧化物的形成是因內燃機內的空氣因高溫形成的 (D)pH 5 的雨水為酸雨 (E) 硝酸鹽 磷酸鹽會造成水質優養化 22 (A) 二氧化碳為溫室氣體, 與溫室效應相關 (B) 優氧化的營養源, 大多來自於施肥過度 的農地, 或都市汙水中的清潔劑所產生 72

6 2012 8476你猜得到它是什麼嗎 它就是 高分子! 生活中的高分子 有種物質的重要性不亞於我們所呼吸的空氣, 不管身在何處, 都有它的存在, 它甚至就隱藏在人體裡面! 人類若失去了它, 就得回到遠古時代, 甚至可能終止生命 高分子是什麼 高分子是由千個 甚至萬個以上的原子所組成, 呈現柔軟的特性 日常生活中使用的塑膠袋就是由高分子製造的, 人體組成中的 DNA 也是一種高分子 2012 8476

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