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國立中科實驗高中

National Experimental High School at Central Taiwan Science Park

基礎化學(二)

黃 錦 旋 編 著

2016 年 5 月

 

第4章  化學與化工 

4-1 生 活 中 的 化 學 4-2 化 學 與 永 續 發 展 4-3 化 學 與 先 進 科 技

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第 4章 化 學 與 化 工 4-1 化 學 與 生 活 一 、 化 學 與 化 工 的 區 別 研 究 領 域 貢 獻 化 學 (1 ) 主 要 :有 機 化 學 、無 機 化 學 、物 理 化 學 及 分 析 化 學 四 大 領 域 。 (2 ) 其 他 :電 化 學 、材 料 化 學 、環 境 化 學 、 生 物 化 學 等 領 域 。 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 。 化 學 工 程 (簡稱化工) (1 ) 化 工 的 重 要 研 究 領 域:單 元 操 作 ( 或 稱 為 化 工 原 理 )。 (2 ) 研 究 工 業 製 程 中,具 有 共 同 物 理 變 化 的 特 點 。例 如:流 體 流 動 、 熱 的 傳 導、物 質 的 傳 遞、溫 壓 變 化 及 固 體 輸 送 等 過 程 。 化 學 家 研 究 的 成 果 , 在 經 由 化 學 工 程 師 的 設 計 規 劃 後 量 化 生 產 , 使 更 多 人 能 分 享 這 些 物 質 產 品 所 帶 來 更 高 品 質 的 生 活 。 簡 言 之 : 化 學 隸 屬 科 學 , 化 工 則 是 工 程 ; 化 學 是 基 礎 , 化 工 是 應 用 ; 化 學 重 發 現 , 化 工 重 生 產 ; 化 學 求 創 新 , 化 工 求 實 用 。 二 、 以 耐 綸 ( 尼 龍 ) 製 造 為 例 說 明 如 下 : 1. 化 學 家 在 實 驗 室 製 造 耐 綸 常 用 己 二 胺 與 己 二 醯 氯 來 製 備 , 其 反 應 式 為 : 己 二 胺 己 二 醯 氯 耐 綸 -66 (1) 室 溫 下 , 反 應 在 燒 杯 中 進 行 迅 速 , 兩 試 劑 溶 液 接 觸 的 界 面 處 , 很 容 易 抽 出 絲 狀 的 產 物 。 (2) 己 二 醯 氯 價 格 昂 貴 , 化 學 活 性 大 , 儲 存 、 輸 送 增 加 額 外 負 擔 , 製 造 成 本 高 , 又 其 副 產 物 是 HCl, 需 要 妥 善 處 理 。 2. 化 學 工 程 師 在 廠 房 製 造 耐 綸 常 用 己 二 胺 與 己 二 酸 來 製 備 , 其 反 應 式 為 : (1) 己 二 酸 化 學 活 性 小 , 反 應 槽 常 利 用 高 溫 脫 水 , 使 反 應 順 利 進 行 。 (2) 高 溫 下 所 得 的 產 物 呈 熔 融 狀 態 , 利 用 射 出 冷 卻 的 技 術 , 可 得 到 非 常 細 的 耐 綸 纖 維 , 加 工 可 製 得 成 品 。 (3) 己 二 酸 價 格 便 宜 , 原 料 成 本 低 廉 , 雖 然 設 廠 成 品 高 , 但 可 藉 化 工 程 序 控 制 適 宜 的 條 件 , 以 最 少 的 物 料 與 避 免 能 源 的 浪 費 而 獲 得 最 大 的 產 率 。 (4) 工 業 製 程 副 產 物 為 水 , 工 廠 的 廢 棄 物 處 理 就 簡 單 多 了 。 3. 理 論 化 學 家 在 實 驗 室 研 發 如 何 控 制 條 件 製 造 合 成 物 質 , 而 化 學 工 程 師 依 據 理 論 化 學 家 研 發 的 結 果 , 利 用 化 工 程 序 設 立 工 廠 生 產 成 品 。 4. 化 工 在 每 一 次 生 產 都 要 考 量 成 本 , 輸 入 的 物 料 與 能 量 都 要 發 揮 到 最 大 的 經 濟 效 益 ; 另 外 , 也 要 盡 量 避 免 副 產 物 的 產 生 , 以 達 到 環 保 的 要 求 。

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《 講 解 1》 關 於 化 學 與 生 活 的 關 係 , 下 列 敘 述 何 者 正 確 ? (A) 食 物 儲 存 所 需 要 的 防 腐 劑 與 冷 媒 , 都 是 經 化 學 方 法 生 產 製 造 的 化 學 產 品 (B) 現 代 人 類 的 穿 著 , 例 如 耐 綸 、 達 克 綸 等 均 是 人 造 纖 維 (C) 清 洗 衣 服 用 的 界 面 活 性 劑 是 利 用 化 學 方 法 製 造 出 來 的 (D) 磚 瓦 的 燒 結 、 混 凝 土 的 凝 固 、 鋼 鐵 的 提 煉 等 不 包 含 化 學 反 應 (E) 阿 司 匹 靈 的 錠 劑 及 胃 藥 是 利 用 化 學 方 法 製 造 出 來 的 答 案 : (A)(B)(C)(E) 解 說 : (D) 堅 固 房 子 的 製 作 建 造 過 程 牽 涉 到 許 多 化 學 反 應 , 如 磚 瓦 的 燒 結 、 混 凝 土 的 凝 固 、 鋼 鐵 的 提 煉 等 。 【 範 例 2】 為 何 至 今 仍 可 以 看 到 許 多 商 周 時 代 的 銅 器 , 但 卻 不 容 易 看 見 漢 代 的 鐵 器 ? (A) 銅 器 比 鐵 器 易 導 電 (B) 銅 器 比 鐵 器 的 密 度 大 (C) 銅 器 比 鐵 器 不 易 被 氧 化 (D) 銅 器 價 格 比 較 昂 貴 答 案 : (C) 【 範 例 3】 由 於 「 火 的 應 用 」, 一 般 用 以 製 作 器 物 之 金 屬 材 質 , 以 何 種 條 件 可 能 最 先 被 提 煉 出 ? (A) 熔 點 高 , 活 性 大 (B) 熔 點 低 , 活 性 小 (C) 熔 點 高 , 活 性 小 (D) 熔 點 低 , 活 性 大 答 案 : (B) 4-1 .1 材 料 與 化 學 1. 生 活 經 驗 告 訴 我 們 化 學 知 識、人 類 發 展 知 識、創 新 工 程 技 術 , 改 善 了 健 康 , 也 豐 富 了 生 活 。 2. 人 類 工 技 發 展 經 過 了 石 器 時 代 、 陶 器 時 代 、 銅 器 時 代 及 鐵 器 時 代 , 以 至 於 現 今 的 塑 膠 時 代 , 這 些 材 料 的 改 變 , 反 應 出 文 明 的 軌 跡 , 也 勾 繪 出 化 學 知 識 與 技 術 的 進 步 。 (1) 歷 史 學 家 通 常 按 人 類 使 用 工 具 材 料 的 能 力 將 歷 史 區 分 為 石 器 、 銅 器 及 鐵 器 時 期 , 表 示 人 類 文 明 進 化 過 程 , 同 時 也 表 示 人 類 提 煉 物 質 和 製 作 器 具 的 能 力 不 斷 提 高 。 (2) 人 類 利 用 火 提 煉 出 更 多 、 更 純 的 物 質 , 學 會 煅 燒 陶 瓷 的 技 術 , 從 動 、 植 物 中 提 煉 出 藥 物 和 食 物 等 , 使 得 生 活 水 準 不 斷 提 高 , 社 會 財 富 漸 漸 的 累 積 , 早 期 化 學 就 這 樣 從 製 造 東 西 、 提 煉 和 精 製 物 質 的 過 程 , 從 不 斷 嘗 試 中 一 點 一 滴 的 堆 積 起 來 。 (3) 20世 紀 有 機 化 學 的 發 展 , 化 學 家 認 識 了 更 多 的 有 機 化 合 物 , 進 而 探 討 新

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的 反 應,促 進 合 成 技 術 突 飛 猛 進,藉 此 技 術 開 發 新 物 質。如 藥 物、染 料 、 香 料 、 清 潔 劑 、 高 分 子 材 料 等 數 以 萬 計 的 新 化 合 物 被 製 造 出 來 。

(4) 塑 膠 的 誕 生 , 提 供 了 人 類 更 方 便 的 材 料 , 創 造 更 舒 適 便 捷 的 生 活 。

a. 苯 酚(C(C66HH55OH)OH)與 甲 醛(HCHO)(HCHO)製 成 質 地 堅 硬 的 酚 甲 醛 樹 脂 ( 電 木 )。

b. 耐 綸 66 是 由 己 二 胺(H(H22N(CHN(CH22))66NHNH22))和 己 二 酸(HOOC(CH(HOOC(CH22))44COOH)COOH)縮 合 產 生 的 可 塑 性 材 料 。 c. 聚 乙 烯 (PE)是 乙 烯 在 不 同 催 化 劑 及 反 應 條 件 下 形 成 的 高 分 子 。 ○1 低 密 度 聚 乙 烯 (LDP E), 是 乙 烯 在 高 壓 下 聚 合 而 成 , 其 碳 鏈 上 具 有 較 多 的 支 鏈 , 分 子 不 能 作 緊 密 的 排 列 , 因 此 遇 熱 易 熔 化 , 主 要 用 於 製 造 包 裝 用 的 塑 膠 袋 。 ○2 高 密 度 聚 乙 烯 (HDP E),是 乙 烯 在 低 壓 及 特 殊 催 化 劑 下 進 行 聚 合 反 應 製 得 , 其 支 鏈 較 少 , 可 排 列 得 較 為 緊 密, 密 度 較 高 , 通 常 在 100℃ 以 上 才 會 熔 化,用 於 製 造 可 耐 微 波 爐 高 溫 的 保 鮮 膜,也 用 於 製 造 廚 櫃、 書 櫃 和 水 管 。 由 上 可 知 , 分 子 微 觀 結 構 會 影 響 到 塊 材 的 宏 觀 性 質 。 一 、 化 學 與 人 類 生 活 上 的 關 係 食 (1 ) 食 物 在 人 體 內 的 消 化 過 程 及 呼 吸 作 用 , 牽 涉 到 複 雜 的 化 學 變 化 。 (2 ) 利 用 肥 料 促 進 生 產 , 或 利 用 農 藥 避 免 農 作 物 發 生 病 蟲 害 等 。 (3 ) 使 用 防 腐 劑 及 冷 媒 來 儲 存 食 物 。 (4 ) 盛 裝 物 品 的 塑 膠 袋 、 寶 特 瓶 (P ET)是 一 種 合 成 聚 合 物 的 製 品 。 衣 (1 ) 化 學 方 法 製 造 的 人 造 纖 維、人 造 皮 革,因 為 品 質 優 良 和 皮 革 匱 乏 而 占 盡 優 勢 。 (2 ) 衣 物 的 染 料 及 清 洗 衣 服 用 的 界 面 活 性 劑 是 用 化 學 方 法 製 造 出 來 的 。 住 (1 ) 堅 固 房 子 的 製 作 建 造 過 程 牽 涉 到 許 多 化 學 反 應,如 磚 瓦 的 燒 結、混 凝 土 的 凝 固 、 鋼 鐵 的 提 煉 等 。 (2 ) 塑 膠 、 樹 脂 等 合 成 材 料 的 廣 泛 使 用 。 行 (1 ) 冶 金 技 術 使 得 金 屬 材 料 大 量 被 運 用 , 為 求 質 輕 、 強 韌 , 而 尋 找 其 他 合 成 材 料 製 品 。 (2 ) 汽 車 及 飛 機 是 現 代 主 要 的 交 通 工 具,它 們 大 都 是 以 提 煉 的 石 化 燃 料 之 燃 燒 反 應 所 產 生 的 能 量 來 推 動 的 。 (3 ) 輪 胎 是 一 種 合 成 橡 膠 製 品 。 育 (1 ) 課 本 和 筆 記 本 及 所 用 的 紙 張,是 由 木 材 纖 維 經 一 系 列 化 學 處 理 過 程 而 製 得 的 。 (2) 油 墨 是 由 脫 離 溶 劑 的 色 素 分 子 所 組 成 的 。 樂 (1 ) 含 有 液 晶 面 板 之 手 機、電 玩、液 晶 電 視 中 的 液 晶,是 一 種 有 機 的 分 子 。 (2 ) 煙 火 發 出 色 光 是 無 機 材 料 造 成 。

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醫 藥 服 用 的 藥 物 , 例 如 含 有 阿 司 匹 靈 的 錠 劑 及 胃 藥 是 用 化 學 方 法 製 造 出 來 的 。 冶 金 : 研 究 從 礦 石 中 提 取 金 屬 或 金 屬 化 合 物 , 用 各 種 加 工 方 法 製 成 具 有 一 定 性 能 的 金 屬 材 料 的 學 科 , 可 在 細 分 出 提 取 冶 金 學 、 物 理 冶 金 學 和 冶 金 工 程 。 4-1 .2 化 學 與 化 工 理 論 化 學 家 在 實 驗 室 研 發 如 何 控 制 條 件 製 造 合 成 物 質 , 而 化 學 工 程 師 依 據 理 論 化 學 家 研 發 的 結 果 , 利 用 化 工 程 序 設 立 工 廠 生 產 成 品 。 化 工 在 每 一 次 生 產 都 要 考 量 成 本 , 輸 入 的 物 料 與 能 量 都 要 發 揮 到 最 大 的 經 濟 效 益 ; 另 外 , 也 要 盡 量 避 免 副 產 物 的 產 生 , 以 達 到 環 保 的 要 求 。 一 、 原 子 使 用 效 率 1. 工 業 製 程 中 , 常 會 有 副 產 物 產 生 , 如 工 業 上 阿 司 匹 靈 是 利 用 水 楊 酸 與 醋 酸 酐 作 用 , 進 行 乙 醯 化 反 應 而 製 得 , 其 反 應 式 如 下 : 生 成 一 分 子 目 標 產 物 阿 司 匹 靈 , 就 伴 隨 一 分 子 的 醋 酸 副 產 物 , 就 工 業 製 程 而 言 是 不 划 算 的 。 2. 現 代 永 續 化 學 強 調 原 子 使 用 效 率 , 若 製 程 中 可 以 將 所 有 反 應 物 的 原 子 完 全 轉 換 成 生 成 物 , 原 子 經 濟 效 益 就 是 100%。 3. 原 子 使 用 效 率 的 定 義 : 化 學 反 應 式 中 , 目 標 產 物 的 總 質 量 占 所 有 生 成 物 總 質 量 的 百 分 率 。 公 式 : 原 子 使 用 效 率 (%)= 目標產物的總質量 ×100% 所有生成物的總質量 【 範 例 4】 工 業 上 製 備 過 氧 化 氫 的 方 法 如 下 圖 : 可 以 用 下 列 反 應 式 表 示 : CC1616HH1414OO22+ O+ O22 ! C! C1616HH1212OO22+ H+ H22OO22 CC1616HH1212OO22+ H+ H22 ! C! C1616HH1414OO22 總 反 應 為 : HH22+ O+ O22 ! H! H22OO22

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其 中,第 一 步 驟 生 成 的 過 氧 化 氫 以 溶 劑 萃 取 出,而 C1 6H1 2O2再 以 氫 氣 於 催 化 劑 存 在 下 還 原 為 C1 6H1 4O2, 可 重 複 使 用 。 整 個 製 程 的 經 濟 效 益 決 定 於 C1 6H1 2O2與 溶 劑 的 回 收 效 率 , 試 問 第 一 步 驟 的 原 子 使 用 效 率 為 何 ? 答 案 : 12.6% 解 答 : 原 子 使 用 效 率 : 1 £ 2 + 16 £ 2 (12 £ 16 + 1 £ 12 + 16 £ 2) + (1 £ 2 + 16 £ 2) £ 100% = 12:59% 1 £ 2 + 16 £ 2 (12 £ 16 + 1 £ 12 + 16 £ 2) + (1 £ 2 + 16 £ 2) £ 100% = 12:59% 【 範 例 5】 甲 基 丙 烯 酸 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 平 衡 的 化 學 反 應 式 表 示 :

CHCH33COCHCOCH33+ HCN + CH+ HCN + CH33OH + HOH + H22SOSO44 ! CH! CH22 = C(CH= C(CH33)CO)CO22CHCH33 + NH+ NH44HSOHSO44 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 : CHCH33C ´ CH + CHC ´ CH + CH33OH + CO ! CHOH + CO ! CH22 = C(CH= C(CH33)CO)CO22CHCH33 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 ? ( 原 子 量S = 32S = 32)( 95指 考 ) (A) 18% (B) 29% (C) 47% (D) 55% (E) 69% 答 案 : (C) 解 答 : 分 子 量 : CHCH22 = C(CH= C(CH33)CO)CO22CHCH33 = 100= 100 NH4HSO4 = 115 NH4HSO4 = 115 原 子 使 用 效 率 : 100 100 + 115 £ 100% = 46:51% 100 100 + 115 £ 100% = 46:51% 練 習 題 : 第 1、 2題 為 題 組 某 國 家 研 究 人 員 正 在 進 行 人 工 血 液 的 研 發,想 在 人 工 血 液 中 添 加 某 物 質 , 功 能 類 似 人 類 的 呼 吸 色 素「 血 紅 素 」, 以 增 加 人 工 血 液 攜 帶 氧 氣 的 能 力。此 物 質 必 須 在 氧 氣 濃 度 高 的 環 境 中 易 於 與 氧 氣 分 子 結 合,以 提 高 血 液 在 肺 部 攜 帶 氧 氣 的 能 力;當 環 境 中 氧 氣 濃 度 降 低 時,此 物 質 又 必 須 能 釋 出 氧 氣,以 供 應 體 內 各 組 織 中 細 胞 活 動 之 需 求 。 研 究 人 員 針 對 所 合 成 的 甲 、 乙 、 丙 三 種 不 同 的 添 加 物 進 行 測 試 , 下 圖 為 在 不 同 氧 氣 濃 度 下 , 該 添 加 物 與 氧 氣 結 合 能 力 的 測 試 結 果 。 橫 軸 為 血 液 中 的 氧 氣 濃 度 , 縱 軸 為 某 物 質 與 氧 氣 結 合 之 百 分 率 。 當 氧 氣 濃 度 高 時 , 三 種 物 質

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皆 能 有 97~98%的 量 與 氧 氣 結 合 。 請 根 據 上 述 資 料 與 右 圖 , 回 答 第 1、 2題 : 1. 下 列 有 關 甲 、 乙 、 丙 三 種 物 質 , 各 約 有 50% 的 量 與 氧 氣 結 合 時 血 液 氧 氣 濃 度 的 比 較 , 何 者 正 確 ? (A) 甲 > 乙 > 丙 (B) 乙 > 丙 > 甲 (C) 丙 > 乙 > 甲 (D) 甲 = 乙 = 丙 2. 若 將 等 量 的 甲 、 乙 、 丙 三 種 物 質 , 置 於 氧 氣 濃 度 為 1 00m mHg的 環 境 中 , 使 其 與 氧 結 合 後,再 將 三 物 質 移 至 氧 氣 濃 度 為 40mmHg的 環 境 中,試 問 何 者 能 釋 出 最 大 量 的 氧 氣 ? (A) 甲 (B) 乙 (C) 丙 (D) 甲 = 乙 = 丙 3. 下 列 有 關 化 學 與 工 業 發 展 的 敘 述 , 何 者 錯 誤 ? (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 4. 下 列 各 項 敘 述 中 , 畫 底 線 之 元 素 名 稱 , 哪 些 不 是 以 真 正 的 元 素 形 式 存 在 的 純 物 質 ? ( 多 選 ) (A) 某 礦 山 中 含 有 銅 礦 與 砷 礦 , 由 該 礦 山 流 入 河 川 之 水 常 含 有 毒 質 (B) 氯 具 有 強 氧 化 力 , 可 用 於 自 來 水 殺 菌 (C) 地 殼 上 物 質 的 總 量 , 氧 約 占 46 % (D) 發 育 時 期 宜 多 吃 含 豐 富 鈣 質 的 食 品 (E) 電 燈 泡 中 , 含 有 熔 點 很 高 的 鎢 絲 Ans 1.C 2.B 3.D 4.AC D

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4-2 化 學 與 永 續 發 展 一 、 永 續 發 展 (sustainable development) 1. 定 義 : 聯 合 國 於 西 元 19 87年 將 永 續 發 展 定 義 為 :「 能 滿 足 當 代 需 求 , 同 時 不 損 及 後 代 子 孫 滿 足 其 本 身 需 求 的 發 展 」。 2. 「 永 續 發 展 」 包 含 公 平 性 、 永 續 性 及 共 同 性 三 個 原 則 。 (1) 公 平 性 (Fai rn ess ): 主 張 資 源 公 平 分 配 , 以 滿 足 當 代 及 後 代 所 有 人 民 的 基 本 需 求 。

(2) 永 續 性 (Sust ai nabilit y): 追 求 持 續 的 經 濟 成 長 , 但 必 須 是 建 立 在 保 護 地 球 自 然 系 統 基 礎 上 。

(3) 共 同 性 (Comm on alit y): 強 調 人 類 與 自 然 和 諧 相 處 。 二 、 綠 色 化 學 (green chemistry) 1. 提 出 者 : Paul Anast as 在 19 91 年 所 提 倡 的 綠 色 化 學 12 項 原 則 ( 自 行 閱 讀 )。 (1) 防 止 廢 物 : 設計化 學 合成方法 防止廢 物的 產生,從而無需 進行 廢物的處理。 (2) 設 計 更 安 全 的 化 合 物 和 產 物 : 設 計 更 有 效 , 而 且 低 毒 或 無 毒 的 化 合 物 。 (3) 降 低 化 學 合 成 方 法 的 危 險 性 : 降 低 或 消 除 生 成 產 物 的 合 成 方 法 對 人 類 及 環 境 的 毒 性 。 (4) 使 用 可 再 生 的 原 料 : 使 用 可 再 生 的 原 料 而 非 消 耗 型 原 料 ; 可 再 生 的 原 料 一 般 來 源 於 農 產 品 或 是 其 他 過 程 產 生 的 廢 物 ; 消 耗 型 原 料 一 般 來 源 於 , 石 油 天 然 氣 煤 礦 物 等 。 (5) 使 用 催 化 劑 而 非 當 量 試 劑 : 通 過 催 化 反 應 將 廢 物 的 量 降 到 最 低 。 催 化 劑 是 指 少 量 而 可 以 多 次 催 化 反 應 進 行 的 試 劑 , 而 當 量 試 劑 一 般 過 量 且 只 能 反 應 一 次 。 (6) 避 免 化 合 物 的 衍 生 物 : 避 免 使 用 保 護 基 或 其 他 暫 時 的 修 飾 , 衍 生 物 的 產 生 將 使 用 額 外 的 試 劑 , 併 產 生 廢 物 。 (7) 使 原 子 經 濟 最 大 化 : 最 大 比 例 的 利 用 起 始 反 應 物 的 原 子 。 (8) 使 用 更 安 全 的 溶 劑 和 反 應 條 件 : 避 免 使 用 溶 劑 , 混 合 物 分 離 試 劑 , 和 其 他 的 輔 助 化 合 物 。 如 果 必 須 使 用 這 些 化 合 物 , 選 擇 無 害 的 物 質 。 如 果 需 要 使 用 溶 劑 , 盡 量 選 擇 水 。 (9) 提 高 能 源 效 率 : 可 能 的 話 , 在 常 溫 常 壓 下 進 行 反 應 。 (10) 設 計 可 降 解 的 產 物 : 產 物 在 使 用 後 , 應 可 降 解 , 而 不 會 在 環 境 累 積 。 (11) 全 程 分 析 並 防 止 污 染 : 在 生 產 過 程 中 進 行 全 程 監 控 , 以 減 少 或 消 除 副 產 物 的 生 成 。 (12) 使 事 故 的 可 能 性 降 到 最 低 : 設 計 化 合 物 及 其 狀 態 ( 固 態 , 液 態 , 氣 態 ), 以 降 低 爆 炸 , 火 災 , 泄 漏 發 生 的 可 能 性 。 2. 意 義 : 利 用 化 學 原 理 從 源 頭 上 消 除 汙 染 , 以 此 為 基 礎 而 發 展 的 技 術 稱 為 綠 色 化 工 技 術 。

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3. 作 法 : (1) 消 極 作 法 : 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 : 源 頭 減 量 。 由 化 學 家 或 化 學 工 程 師 研 究 新 的 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 利 用 如 觸 媒 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 : 西 元 1991年 史 丹 福 大 學 化 學 系 教 授 Barry Trost提 倡 提 高 原 子 使 用 效 率 。 (1) 原 子 使 用 效 率( 原 子 經 濟 性 At om econom y),例 如 傳 統 合 成 過 氧 化 氫 的 方 法 耗 能 高 , 且 易 生 成 具 有 毒 性 的 廢 棄 物 。 新 合 成 方 法 , 則 是 以 鉑 鈀 奈 米 觸 媒 直 接 將 氫 氣 與 氧 氣 反 應 成 過 氧 化 氫 (H(H22+ O+ O22 ¡¡¡¡¡¡! H¡¡¡¡¡¡! Hcatalystcatalyst 22OO22)),原 子 使 用 效 率 100%。 能 將 反 應 物 完 全 轉 化 成 生 成 物 , 沒 有 副 產 物 發 生 。 (2) 避 免 使 用 危 險 物 質 : a. 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 。 b. 利 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 。 (3) 減 少 廢 物 產 生 : a. 利 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 (P LA) 的 單 體 , 傳 統 是 由 石 化 工 業 原 料 製 得 。 現 在 可 利 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 。 b. 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 。 c. 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 腦 、 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 。 5. 4R 原 則 : 為 了 維 護 良 好 環 境 品 質 , 化 學 家 提 出 4R 原 則 , 分 別 為 R ed u c e( 減 量 使 用 )、 Reuse( 重 複 使 用 )、 Recycle( 循 環 再 製 使 用 )、 Recovery( 回 收 再 利 用 )。

4-2 .1 自 然 界 的 物 質 循 環

自 然 界 的 物 質 循 環 與 能 量 流 動 , 使 生 物 圈 與 自 然 環 境 間 維 繫 著 密 切 的 交 互 作 用 。 整 個 系 統 呈 現 一 個 大 致 穩 定 的 永 續 狀 態 。 自 然 界 的 物 質 循 環 最 重 要 的 是

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包 括 水 的 循 環 與 碳 的 循 環 。 一 、 水 的 循 環 1. 地 球 上 有 9 7.2 % 的 水 是 海 洋 的 鹹 水 , 另 有 2. 14 % 是 冰 凍 在 極 地 冰 帽 及 冰 河 中 的 淡 水 , 其 他 剩 下 不 到 1%的 水 , 分 布 在 地 下 水 、 河 川 、 湖 泊 , 以 及 大 氣 中 的 水 蒸 氣 , 而 這 些 正 是 我 們 每 天 賴 以 為 生 的 淡 水 。 2. 地 球 的 水 在 太 陽 的 熱 度 及 地 心 引 力 的 推 動 下 , 不 斷 的 循 環 。 太 陽 的 熱 度 造 成 海 洋 、湖 泊 、河 流 、冰 河 中 的 水 蒸 發 到 大 氣 中 , 隨 大 氣 的 流 動 輸 送 傳 播 。 當 大 氣 中 的 水 蒸 氣 達 飽 和 程 度 時 , 這 些 水 會 凝 結 成 雨 或 雪 的 形 式 而 降 落 。 這 種 水 的 持 續 移 動 及 固 、 液 、 氣 三 態 的 變 化 , 稱 為 水 的 循 環 。 在 這 個 循 環 中 , 來 自 海 洋 的 水 , 可 以 直 接 回 歸 海 洋 , 或 是 迂 迴 一 點 , 經 由 地 表 甚 至 地 底 再 回 到 海 洋 , 使 得 陸 地 的 水 因 此 得 到 補 充 與 更 新 。 3. 數 十 億 年 來 , 自 然 界 的 水 循 環 大 體 穩 定 , 但 區 域 的 水 循 環 卻 不 斷 的 改 變 , 所 以 有 所 謂 滄 海 桑 田 之 嘆 。 沙 漠 化 正 是 全 球 環 境 變 遷 中 的 一 大 問 題 。 二 、 碳 的 循 環 自 然 界 碳 的 循 環 過 程 , 主 要 是 大 氣 中 的 二 氧 化 碳 被 陸 地 或 海 洋 中 的 植 物 藉 光 合 作 用 吸 收 , 再 經 生 物 或 地 質 作 用 以 及 人 類 活 動 , 碳 元 素 氧 化 後 , 又 再 以 二 氧 化 碳 形 式 返 回 大 氣 。 1. 生 物 圈 的 碳 循 環 (1) 綠 色 植 物 從 空 氣 中 獲 得 二 氧 化 碳,經 光 合 作 用 與 水 反 應,還 原 成 葡 萄 糖 , 同 時 釋 出 氧 , 其 反 應 式 為 :6 CO6 CO2(g)2(g)+ 6 H+ 6 H22OO(l)(l)! C! C66HH1212OO6(s)6(s)+ 6 O+ 6 O2(g)2(g)。 (2) 葡 萄 糖 是 維 持 生 命 新 陳 代 謝 的 主 要 物 質 , 剩 餘 時 可 轉 化 生 成 脂 肪 和 多 醣 而 貯 存 起 來 。 (3) 植 物 體 內 的 有 機 化 合 物 經 食 物 鏈 的 傳 遞 , 成 為 動 物 體 的 有 機 化 合 物 。 (4) 生 物 的 呼 吸 作 用 , 把 體 內 部 分 的 碳 元 素 氧 化 成 二 氧 化 碳 釋 回 大 氣 , 葡 萄 糖 氧 化 成 二 氧 化 碳 恰 為 植 物 光 合 作 用 的 逆 反 應 。 2. 人 類 活 動 的 碳 循 環 (1) 人 類 燃 燒 化 石 燃 料 與 其 他 工 業 活 動 來 獲 得 能 量 , 過 程 中 產 生 大 量 二 氧 化 碳 , 造 成 大 氣 中 二 氧 化 碳 濃 度 升 高 , 破 壞 了 自 然 界 原 有 的 平 衡 , 也 導 致 溫 室 效 應 , 氣 候 異 常 。 (2) 礦 物 燃 料 燃 燒 生 成 二 氧 化 碳 , 在 排 入 大 氣 時 , 有 小 部 分 被 海 水 吸 收 , 引 起 海 水 的 酸 鹼 平 衡 和 碳 酸 鹽 溶 解 平 衡 的 變 化 。 CO2(g)+ H2O(l) Ð H++ HCO¡ 3(aq) CO2(g)+ H2O(l) Ð H++ HCO¡ 3(aq) HCO¡3(aq) Ð H++ CO 3(aq) HCO¡3(aq) Ð H++ CO 3(aq) 4-2 .2 工 業 上 的 再 循 環 汙 染 是 指 物 質 或 能 量 介 入 生 物 棲 地 , 以 致 維 生 資 源 無 法 利 用 , 甚 至 危 害 到 人 體 健 康 或 生 態 環 境 。 為 永 續 經 營 , 各 種 汙 染 的 防 治 是 必 要 的 。

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一 、 水 汙 染 及 其 防 治 1. 廢 水 處 理 相 當 複 雜 , 必 須 針 對 汙 染 源 , 採 取 專 業 化 學 處 理 , 方 能 將 汙 水 回 收 再 利 用 。 2. 水 的 淨 化 是 指 一 般 公 共 用 水 的 處 理 程 序 , 旨 在 除 去 水 中 的 懸 浮 雜 質 、 不 良 氣 味 , 並 作 殺 菌 處 理 , 其 流 程 包 括 沉 澱 、 凝 聚 、 過 濾 、 曝 氣 、 除 臭 、 去 色 、 消 毒 等 步 驟 。 (1) 沉 降 : 利 用 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 。 (2) 凝 聚:沉 降 無 法 去 除 的 細 小 泥 沙,須 加 入 凝 聚 劑,常 用 的 凝 聚 劑 為 明 礬 , 即 硫 酸 鋁 鉀(KAl(SO(KAl(SO44))22¢¢12H12H22O)O), 在 水 中 可 形 成 膠 狀 沉 澱 物Al(OH)Al(OH)33, 利 用 此 沉 澱 物 吸 附 淤 泥 粒 子 一 起 沉 降 。

Al3+(aq)+ 3 H2O(l)!Al(OH)3(s)+ 3 H+(aq) Al3+(aq)+ 3 H2O(l)!Al(OH)3(s)+ 3 H+(aq)

(3) 過 濾 : 流 經 細 砂 層 過 濾 床 , 藉 此 去 除 大 部 分 殘 存 懸 浮 物 質 , 得 到 較 清 澈 的 水 。 (4) 曝 氣 : 將 水 噴 灑 至 空 氣 中 或 藉 由 激 烈 的 攪 拌 , 以 增 加 水 中 的 溶 氧 量 , 加 快 有 機 物 質 的 分 解,並 可 使 溶 於 水 中 的 氣 體 排 出,以 達 淨 化 水 質 的 功 效 。 (5) 除 臭、脫 色:將 水 通 過 活 性 碳,可 除 去 不 良 氣 味。活 性 碳 是 細 粉 型 碳 粉 , 孔 隙 多 且 接 觸 面 積 大 , 能 吸 附 有 機 物 質 , 以 去 除 有 機 物 質 產 生 的 顏 色 及 臭 味 。 (6) 消 毒 : a. 最 常 用 的 消 毒 劑 為 氯 氣 , 濃 度 為 0 .2 ~1.0ppm 時 就 可 殺 菌 , 且 水 中 殘 留 的 氯 可 防 範 自 來 水 輸 送 過 程 中 受 細 菌 汙 染 。 b. 臭 氧 也 是 水 處 理 的 殺 菌 劑 , 效 果 比 氯 氣 好 , 無 化 學 殘 留 物 及 不 良 臭 味 。 二 、 空 氣 汙 染 與 防 治 1. 空 氣 汙 染 物 主 要 有 碳 的 氧 化 物 C Ox( 包 括 CO、CO2), 氮 的 氧 化 物 NOx( 包 括 NO、 NO2) 及 硫 的 氧 化 物 SOx( 包 括 SO2、 SO3)。 2. 空 氣 汙 染 防 治 , 首 在 減 少 汙 染 物 進 入 大 氣 。 工 廠 應 確 實 做 好 排 氣 管 制 , 而 汽 機 車 加 裝 觸 媒 轉 化 器 。 3. 觸 媒 轉 化 器 內 部 有 細 密 蜂 巢 狀 構 造,鍍 上 貴 金 屬 鉑、鈀、銠 薄 膜 做 催 化 劑 , 引 擎 燃 燒 產 生 的 汙 染 物 如 一 氧 化 碳 、 氮 氧 化 物 (NOx) 、 碳 氫 化 合 物 (CxHy) 在 通 過 時 , 可 轉 化 成 無 害 的 CO2、 H2O、 N2等 氣 體 排 放 , 淨 化 車 輛 廢 氣 。 三 、 廢 棄 物 的 回 收 再 利 用 1. 鋁 製 品 的 回 收 再 利 用 比 工 業 上 開 採 鋁 礬 土 製 鋁 減 少 90~95%的 耗 能 。 2. 廢 紙 的 回 收 與 再 製 , 可 減 少 樹 木 的 砍 伐 。 3. 廢 塑 膠 袋 回 收 再 利 用 , 可 減 少 環 境 汙 染 , 將 乾 淨 塑 膠 袋 直 接 熱 熔 後 , 拉 絲 或 造 粒 為 再 生 塑 膠 原 料 。

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四 、 仿 生 科 技 1. 效 法 自 然 , 並 從 自 然 中 學 習 模 仿 或 是 取 得 啟 示 , 進 而 用 於 人 類 科 技 文 明 的 發 展 , 這 就 是 仿 生 科 技 的 概 念 。 2. 科 學 家 應 以 積 極 的 態 度 投 入 仿 生 科 技 的 研 究 , 為 永 續 化 學 開 拓 出 一 條 嶄 新 的 道 路 。 《 講 解 6》 下 列 有 關 空 氣 汙 染 與 汙 染 物 危 害 的 配 對 , 何 項 正 確 ? (A) NONO — 破 壞 臭 氧 層 (B) COCO22 — 造 成 溫 室 效 應 (C) CClCCl22FF22 — 造 成 酸 雨 (D) NONO22 — 形 成 光 化 學 煙 霧 (E) SOSO22 — 臭 氧 層 破 洞 觀 念 : 空 氣 汙 染 會 造 成 以 下 危 害 : (1 ) 破 壞 臭 氧 層 : NONO、 NONO22、 氟 氯 碳 化 合 物 等 。 (2 ) 造 成 酸 雨 : NONO22、 SOSO22等 。 (3 ) 形 成 光 化 學 煙 霧 : NONO、 SOSO22、 OO33、 不 飽 和 烴 類 (PAN)等 。 (4) 造 成 溫 室 效 應 : 溫 室 效 應 氣 體 , 例 如 COCO22、 甲 烷 等 。 答 案 : (A)(B)(D) 解 說 : (C) SOSO22 — 造 成 酸 雨 , 因 為 SOSO22溶 於 水 形 成 亞 硫 酸 : SOSO22+ H+ H22O ! HO ! H22SOSO33。 (E) CCCCll22FF22 — 臭 氧 層 破 洞 , 因 為 氟 氯 碳 化 合 物 擴 散 至 平 流 層 , 受 紫 外 線 照 射 分 解 出 氯 原 子 , 每 一 個 氯 原 子 可 以 連 鎖 破 壞 十 萬 個 以 上 臭 氧 分 子 。 《 講 解 7》 下 列 有 關 水 淨 化 的 敘 述 , 何 者 錯 誤 ? (A) 利 用 沉 降 法 可 以 除 去 水 中 所 有 懸 浮 物 (B) 常 用 於 凝 聚 法 的 凝 聚 劑 是 明 礬 (C) 用 活 性 碳 過 濾 床 可 除 去 溶 解 於 水 中 的 臭 味 及 無 機 物 質 等 (D) ClCl22與 OO33可 當 水 的 消 毒 劑 , 是 因 為 它 們 可 當 還 原 劑 (E) 使 水 流 通 過 細 砂 濾 池 , 是 為 了 殺 死 有 害 病 毒 細 菌 答 案 : (A)(C)(D)(E) 解 說 : (A) 沉 降 法 僅 可 使 顆 粒 較 大 懸 浮 物 沉 澱 。 (C) 活 性 碳 除 去 水 中 臭 味 、 顏 色 及 有 機 物 質 。 (D) 加 入 氯 氣 或 臭 氧 是 因 為 可 以 當 氧 化 劑 殺 死 細 菌 病 毒 。 (E) 使 水 流 通 過 細 砂 濾 池 , 是 為 了 清 除 殘 留 懸 浮 物 。 《 講 解 8》湖 水 中 的 微 生 物 使 有 機 物 轉 化 為 COCO22和 HH22OO, 其 過 程 所 消 耗 的 OO22量 稱 為 生 化 需 氧 量 ( 通 常 用 BOD表 示 之 )。 BOD是 衡 量 水 質 好 壞 的 一 項 重 要 指 標 , 20℃

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時,某 水 體 中 含 有 機 物 CC66HH1010OO55的 重 量 百 分 濃 度 為 0:000162%0:000162%,下 列 敘 述 何 者 正 確 ? (A) BOD值 愈 大 , 表 示 水 體 中 的 有 機 物 愈 少 (B) 此 水 體 中 含 有 機 物 的 濃 度 相 當 於16:2 ppm16:2 ppm (C) 此 水 體 中 含 有 機 物 的 濃 度 相 當 於 1 £ 101 £ 10¡5¡5MM (D) 此 水 體 的 BOD值 為1:92 ppm1:92 ppm (E) 若 20℃ 時 水 中 的 溶 氧 量 為 0:0092 g=L0:0092 g=L, 此 水 中 的 魚 類 無 法 生 存 答 案 : (C)(D) 解 說 : (A) 表 示 水 體 中 的 有 機 物 愈 多 。 (B) 0:000162% = 1:62 £ 100:000162% = 1:62 £ 10¡6¡6 = 1:62 ppm= 1:62 ppm( 1% = 101% = 1066ppmppm) (C) 1:62 ppm = 1:62 £ 10¡3g=L = 1:62 £ 10 ¡3 162 mol=L = 1 £ 10 ¡5M 1:62 ppm = 1:62 £ 10¡3g=L = 1:62 £ 10 ¡3 162 mol=L = 1 £ 10 ¡5M (D) CC66HH1010OO55+ 6 O+ 6 O22 ! 6 CO! 6 CO22+ 5 H+ 5 H22OO, 故 BOD = 1:62 162 £ 6 1 £ 32 = 1:92 ppm BOD = 1:62 162 £ 6 1 £ 32 = 1:92 ppm (E) 溶 氧 量 0:0092 g=L = 9:2 ppm > BOD0:0092 g=L = 9:2 ppm > BOD值 , 所 以 有 許 多 溶 氧 剩 下 , 魚 類 應 可

以 生 存 。 【 範 例 9】 近 年 來 , 地 球 表 面 的 溫 度 有 逐 漸 上 升 的 趨 勢 , 此 種 現 象 是 受 到 溫 室 效 應 的 影 響 。 下 列 有 關 造 成 地 球 表 面 增 溫 現 象 因 果 關 係 的 敘 述 , 何 者 正 確 ? (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 被 臭 氧 吸 收 後 , 轉 成 紅 外 線 釋 出 (D) 因 臭 氧 層 破 洞 , 陽 光 中 的 紫 外 線 能 直 接 照 射 在 地 球 表 面 答 案 : (B) 【 範 例 10】 下 列 有 關 自 來 水 的 敘 述 , 哪 些 正 確 ? ( 102學 測 )( 多 選 ) (A) 自 來 水 加 氯 消 毒 是 利 用 氯 氣 的 還 原 反 應 能 力 (B) 臭 氧 可 用 於 自 來 水 消 毒 , 是 利 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 利 用 煮 沸 的 方 式 去 除 大 部 分 餘 氯 答 案 : (BDE)

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練 習 題 : 1. 在「 綠 色 化 學 」工 業 中,理 想 狀 態 是 反 應 物 中 原 子 全 部 轉 化 為 欲 得 到 的 產 物 , 即 原 子 的 利 用 率 為 100%, 從 根 本 上 減 少 乃 至 杜 絕 汙 染 。 下 列 做 法 符 合 「 綠 色 化 學 」 的 是 : (A) 農 民 就 地 焚 燒 稻 桿 (B) 深 埋 含 鎘 、 汞 的 廢 舊 電 池 (C) 工 業 製 酒 精 C2H4+ H2O⎯⎯⎯→催化劑 C2H6O (D) 化 工 生 產 中 的 廢 氣 向 高 空 排 放

(E) 將 灰 石 (CaC O3)轉 成 石 灰 (C aO)來 利 用

2. 大 氣 中 的 許 多 氣 體 成 分,能 吸 收 地 球 的 紅 外 線 輻 射,產 生 所 謂 的「 溫 室 效 應 」, 使 地 球 的 地 表 溫 度 升 高 , 下 列 哪 種 氣 體 對 地 球 溫 室 效 應 的 貢 獻 最 小 ? (A) 甲 烷 (B) 二 氧 化 碳 (C) 水 氣 (D) 氧 氣 3. 下 列 有 關 「 臭 氧 」 的 敘 述 , 何 者 正 確 ? ( 95 學 測 ) (A) 臭 氧 濃 度 在 地 面 最 高 (B) 臭 氧 可 以 吸 收 紫 外 線 (C) 臭 氧 在 大 氣 中 的 含 量 不 會 因 時 因 地 而 異 (D) 近 年 來 , 臭 氧 層 的 臭 氧 濃 度 因 人 類 的 活 動 而 日 漸 增 大 4. 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 利 於 恢 復 自 然 生 態 )。 試 問 輸 入 河 川 的 是 何 種 氣 體 ? ( 98學 測 ) (A) 二 氧 化 碳 (B) 一 氧 化 碳 (C) 氯 氣 (D) 氧 氣 (E) 氫 氣 5. 下 列 有 關 自 來 水 淨 化 處 理 的 敘 述 , 何 者 正 確 ? (A) 曝 氣 法 是 使 水 中 含 氧 量 增 加 , 以 加 速 水 中 有 機 物 質 分 解 (B) 自 來 水 處 理 過 程 中 讓 水 通 過 活 性 碳 過 濾 床,其 目 的 為 吸 附 水 中 微 生 物 達 到 消 毒 的 功 用 (C) 自 來 水 處 理 流 程 中 加 入 明 礬( 化 學 式KAl(SOKAl(SO44))22¢¢12H12H22OO)的 主 要 目 的 為 利 用 其 鹼 性 殺 菌 (D) 氯 氣 為 常 用 的 飲 用 水 消 毒 劑,其 作 用 原 理 是 在 水 中 產 生 氫 氯 酸 提 高 水 的 酸 性 , 而 達 到 抑 菌 消 毒 效 果 。 6. 氮 的 氧 化 物 ( 包 括 NO 、 N2O 、 NO2等 ) 是 主 要 的 大 氣 汙 染 物 之 一 , 下 列 有 關 氮 的 氧 化 物 之 敘 述 , 何 者 正 確 ? ( 92學 測 ) (A) NO2遇 水 形 成 鹼 性 物 質 (B) NO之 電 子 點 式 表 示 法 , 氮 和 氧 可 同 時 符 合 鈍 氣 之 電 子 排 列 (C) 汽 、 機 車 排 放 的 廢 氣 常 含 有 NO, 是 汽 油 燃 燒 不 完 全 所 產 生 的 (D) 汽 、 機 車 淨 化 廢 氣 所 安 裝 的 觸 媒 轉 化 器 是 要 將 氮 的 氧 化 物 轉 為 N2。

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7. 下 列 哪 些 作 法 符 合 綠 色 化 學 ? ( 多 選 ) (A) 使 用 揮 發 性 較 高 的 有 機 塗 料 (B) 利 用 二 氧 化 碳 超 臨 界 流 體 的 特 性 來 清 洗 半 導 體 表 面 (C) 利 用 酵 素 將 澱 粉 或 纖 維 素 轉 化 為 合 成 聚 乳 酸 塑 膠 (P LA)的 單 體 , 取 代 傳 統 方 法 是 由 石 化 工 業 原 料 製 得 (D) 從 回 收 的 廢 電 腦 、 廢 手 機 中 , 提 煉 出 貴 金 屬 (E) 以 乙 醇 汽 油 當 燃 料 代 替 傳 統 汽 油 8. 下 列 哪 些 作 法 符 合 綠 色 化 學 ? ( 多 選 ) (A) 以 氫 氣 為 燃 料 的 燃 料 電 池 電 動 車 代 替 傳 統 汽 油 燃 料 車 (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 物 當 冷 媒 取 代 氫 氟 碳 化 物 (D) 實 驗 室 用 H2O2分 解 製 造 O2代 替 KClO3分 解 法 (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 9. 有 關 環 境 汙 染 問 題 , 下 列 哪 些 敘 述 正 確 ? ( 多 選 ) (A) 大 量 燃 燒 化 石 燃 料 所 產 生 的 廢 氣,與 大 氣 中 的 水 滴 結 合,為 酸 雨 的 形 成 原 因 (B) 汽 車 之 冷 媒 ( 氟 氯 烷 ), 升 至 平 流 層 , 會 破 壞 大 氣 之 臭 氧 (C) 海 水 汙 染 後 , 水 中 溶 氧 量 會 降 低 , 使 漁 產 量 減 少 (D) 隨 意 丟 棄 廢 棄 物 與 排 放 工 業 廢 水 , 會 造 成 嚴 重 的 土 壤 汙 染 (E) 人 類 將 塑 膠 丟 棄 在 土 壤 中 , 由 於 極 少 發 生 傷 害 , 故 不 算 汙 染 10. 原 子 利 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 ? ( 多 選 )

(A) 燒 製 生 石 灰 : C aCO3→ CaO+ CO2 (B) 以 鐵 煉 銅 : Fe+ CuS O4→ FeSO4+ Cu

(C) 製 備 氫 氧 化 銅 : CuS O4+ 2NaOH→ Cu(OH)2+ Na2SO4 (D) 利 用 氨 水 製 碳 酸 氫 銨 : NH3+ CO2+ H2O→ NH4HCO3 (E) 乙 烯 與 氫 氣 的 加 成 反 應 : C2H4+ H2→ C2H6

11. 試 計 算 下 列 有 機 反 應 的 原 子 使 用 效 率 為 何 ? (Na=23 、 Cl =35.5 、 Br=80) (1 ) H3C- Cl + NaOH→ H3C- OH+ NaCl ( 製 造 甲 醇 )

(2 ) + CH3C H2ONa → + CH3CH2OH + NaBr ( 製 造 2 - 甲

基 丙 烯 )

Ans1.C 2.D 3.B 4.D 5.A 6.D 7.BC DE 8.ABDE 9.ABCD 10. DE 11. (1 )35. 4%,(2)27.3%

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4-3 化 學 與 先 進 科 技 4-3.1 醫 藥 與 健 康 1. 19 世 紀 已 從 天 然 植 物 中 分 離 出 一 些 物 質 作 為 藥 物 用 途 , 例 如 : 嗎 啡 作 為 鎮 痛 藥 物 ; 奎 寧 作 為 抗 瘧 疾 藥 物 ; 水 楊 酸 作 為 消 炎 止 痛 劑 。 2. 192 8年 英 國 細 菌 學 家 弗 萊 明 在 實 驗 室 中 發 現 盤 尼 西 林 具 有 殺 菌 作 用 , 10年 後 才 由 另 一 研 究 團 隊 分 離 出 青 黴 素 , 並 得 知 其 分 子 結 構,為 了 應 付 抗 藥 性 的 細 菌,也 開 啟 了 合 成 抗 生 素 的 研 究 。 3. 阿 司 匹 靈 是 世 紀 藥 物 , 能 止 痛 、 退 熱 、 消 炎 與 預 防 血 栓 的 形 成 , 不 過 會 傷 胃 , 有 些 人 會 對 阿 司 匹 靈 產 生 過 敏 , 藉 著 對 分 子 構 造 的 了 解 與 合 成 技 術 , 製 造 出 新 一 代 的 乙 醯 胺 基 酚 等 藥 物 。 4. 196 0 年 代 美 國 國 家 癌 症 研 究 中 心 從 太 平 洋 紫 杉 的 樹 皮 中 萃 取 出 紫 杉 醇,發 現 具 有 抗 癌 的 效 果 。 經 臨 床 實 驗 證 實 對 卵 巢 癌 與 乳 癌 有 甚 佳 的 療 效,但 因 太 平 洋 紫 杉 樹 種 稀 少,生 長 緩 慢,故 萃 取 紫 杉 醇 的 產 量 低,售 價 高 昂,我 國 的 研 究 人 員 以 臺 灣 原 生 的 臺 灣 紅 豆 杉 為 原 料,結 合 先 進 生 科 與 化 學 技 術 , 已 能 製 造 紫 杉 醇 。 4-3 .2 科 技 與 能 源 1. 能 源 危 機 是 當 今 世 界 普 遍 存 在 的 問 題 , 由 於 人 類 大 量 使 用 化 石 燃 料 , 環 境 汙 染 日 益 嚴 重 , 因 此 加 緊 開 發 低 汙 染 、 乃 至 於 無 汙 染 的 綠 色 新 能 源 已 迫 在 眉 睫 , 為 解 決 此 一 能 源 問 題 , 各 國 都 把 目 光 放 在 太 陽 能 上 。 2. 太 陽 是 一 個 取 之 不 盡 、 用 之 不 竭 的 能 源 寶 庫 , 不 會 產 生 二 氧 化 碳 , 是 理 想 的 能 源 。 3. 在 新 能 源 開 發 中 , 利 用 太 陽 能 電 池 作 為 能 量 轉 換 器 , 把 太 陽 光 直 接 轉 換 成 電 能 。 4. 矽 晶 圓 是 目 前 太 陽 能 電 池 使 用 最 普 遍 的 材 料 , 矽 具 有 半 導 體 性 質 , 當 電 子 密 度 高 的 N型 矽 板 與 電 子 密 度 低 的 P型 矽 板 接 合 時 , 會 產 生 電 位 差 , 光 照 可 引 生 電 流 。 5. 太 陽 能 板 的 材 料 與 製 作 成 本 都 很 高 , 且 能 量 轉 換 效 率 較 差 , 化 學 家 正 積 極 利 用 合 成 技 術 開 發 新 材 料 與 製 程 4-3 .3 奈 米 科 技 1. 奈 米 (nano m et er, nm) 是 一 種 長 度 單 位 , 1 奈 米 = 1 £ 10= 1 £ 10¡9¡9公 尺 , 也 就 是 十 億 分 之 一 公 尺 或 是 10埃 (10Å)。

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2. 定 義 : 在 長 、 寬 、 高 三 個 方 向 中 , 至 少 有 一 個 方 向 的 長 度 在1 » 1001 » 100奈 米 之 間 的 材 料 稱 之 。 零 維 奈 米 材 料 一 維 奈 米 材 料 二 維 奈 米 材 料 意 義 三 個 方 向 的 長 度 在 1 ~ 100nm 二 個 方 向 的 長 度 在 1 ~ 100nm 一 個 方 向 的 長 度 在 1 ~ 100nm 形 狀 點 狀 長 條 狀 平 面 狀 實 例 C6 0、 量 子 點 奈 米 碳 管 、 奈 米 線 奈 米 薄 膜

3. 傳 統 尺 寸 較 大 的 材 料 , 稱 為 塊 材 (bul k mat eri al )。

一 、 奈 米 材 料 特 性 1. 總 表 面 積 變 大 : 奈 米 材 料 表 面 原 子 的 數 目 占 材 料 總 原 子 數 的 比 例 , 較 傳 統 塊 材 增 加 許 多 。 粒 徑 大 小 (nm) 總 原 子 數 表 面 原 子 比 例 (%) 10 3 00 00 2 0 5 4 00 0 4 0 2 25 0 8 0 1 30 9 9 2. 活 性 增 大 : 材 料 表 面 之 原 子 的 活 性 , 一 般 都 比 材 料 內 部 原 子 的 活 性 大 , 因 此 奈 米 材 料 具 有 更 高 的 化 學 反 應 性 。 例 如 : 塊 金 活 性 小 , 幾 乎 不 與 任 何 物 質 反 應 。 但 奈 米 級 金 粒 子 具 備 更 高 的 催 化 效 能 , 可 將 CO催 化 成 CO2, 因 此 可 製 成 火 場 逃 生 使 用 之 防 煙 面 罩 。 3. 物 理 及 化 學 性 質 改 變 : 奈 米 材 料 的 性 質 , 如 熔 點 、 磁 性 、 電 性 、 化 學 活 性 等 , 均 與 傳 統 塊 材 差 異 甚 大 。 例 如 : 金 的 正 常 熔 點 為 1063℃ , 但 直 徑 為 2nm 的 金 微 粒 熔 點 則 低 於 400℃ 。 二 、 奈 米 材 料 實 例 : 1. 奈 米 級 二 氧 化 鈦 (Ti O2)光 觸 媒 : (1) 成 分 : 奈 米 級 的 二 氧 化 鈦 為 主 要 原 料 。 (2) 作 用 機 制 : 二 氧 化 鈦 光 觸 媒 吸 收 紫 外 光 (UV)後 , 具 有 更 大 的 活 性 , 可 與

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周 遭 的 水 分 子 或 氧 氣 作 用 , 產 生 氫 氧 自 由 基(¢OH)(¢OH)等 活 性 物 質 , 並 進 而 引 發 一 連 串 的 氧 化 還 原 反 應 , 分 解 有 機 物 而 達 到 殺 菌 或 除 臭 的 功 效 。

(3) 用 途 : 可 用 於 淨 化 空 氣 、 除 臭 、 殺 菌 、 汙 水 處 理 等 相 關 產 品 。

2. 奈 米 碳 管 (carbon n anotub e, 簡 稱 C NT ):

(1) 奈 米 碳 管 的 發 現 : 西 元 199 1年 , 日 本 NEC公 司 研 究 員 飯 島 澄 男 發 現 。 (2) 結 構 : 奈 米 碳 管 可 視 為 由 石 墨 捲 曲 而 成 的 中 空 管 狀 結 構 。 (3) 特 性 : 具 有 金 屬 及 半 導 體 的 性 質 。 彈 性 佳 、 張 力 強 度 比 鋼 絲 強 上 百 倍 , 但 質 量 卻 很 輕 。 熱 傳 導 性 佳 、 化 學 反 應 性 穩 定 、 可 吸 附 氣 體 。 (4) 用 途 : 平 面 顯 示 器 、 奈 米 溫 度 計 。 (5) 同 素 異 形 體 : 石 墨 、 金 剛 石 、 富 勒 烯 -60。 奈米碳管可視為由一層石墨捲曲而成的結構

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《 講 解 11》 下 列 有 關 奈 米 材 料 的 敘 述 , 何 者 正 確 ? (A) 奈 米 材 料 為 在 長 、 寬 、 高 三 個 方 向 的 長 度 都 在 1 ~ 100奈 米 之 間 的 材 料 (B) 奈 米 材 料 的 總 表 面 積 變 大 , 一 般 都 比 塊 材 具 有 更 高 的 化 學 反 應 性 (C) 奈 米 級 金 粒 子 不 同 於 金 塊 材 , 可 將 C O催 化 成 COCO22, 所 以 可 製 成 火 場 逃 生 使 用 之 防 煙 面 罩 (D) 奈 米 碳 管 可 視 為 如 同 金 剛 石 的 立 體 結 構 (E) 紅 外 光 是 激 發 二 氧 化 鈦 光 觸 媒 最 合 適 的 光 源 答 案 : (B)(C) 解 說 : (A) 奈 米 材 料 為 在 長 、 寬 、 高 三 個 方 向 中 , 至 少 有 一 個 方 向 長 度 在 1~ 100 奈 米 之 間 的 材 料 。 (D) 奈 米 碳 管 可 視 為 由 石 墨 捲 曲 而 成 的 中 空 管 狀 結 構 。 (E) 紫 外 光 是 激 發 二 氧 化 鈦 光 觸 媒 最 合 適 的 光 源 。 【 範 例 12】在 奈 米 時 代 ,溫 度 計 也 可 奈 米 化 。科 學 家 發 現 :若 將 氧 化 鎵 與 石 墨 粉 共 熱 , 便 可 製 得 直 徑 75奈 米、長 達 6微 米 的「 奈 米 碳 管 」, 管 柱 內 並 填 有 金 屬 鎵 。 鎵 ( Ga , 熔 點 29.8 ℃ , 沸 點 2403 ℃ ) 與 許 多 元 素 ( 例 如 汞 ) 相 似 , 在 液 態 時 體 積 會 隨 溫 度 變 化 而 冷 縮 熱 脹 。 奈 米 碳 管 內 鎵 的 高 度 會 隨 溫 度 增 高 而 呈 線 性 成 長 , 在 310K時 , 高 約 1.3 微 米 , 溫 度 若 升 高 到 710K時 , 高 度 則 成 長 至 5.3 微 米 。 根 據 本 段 敘 述 , 回 答 問 題 (1)~(2)。( 93學 測 ) (1) 當 水 在 一 大 氣 壓 下 沸 騰 時 , 上 述 「 奈 米 溫 度 計 」 內 鎵 的 高 度 會 較 接 近 下 列 哪 一 個 數 值 ( 微 米 ) ? (A) 0.63 (B) 1.9 (C) 2.6 (D) 3.7 (E) 5.3 (2) 若 欲 利 用 上 述 奈 米 溫 度 計 測 量 使 玻 璃 軟 化 的 溫 度 ( 400 ~600 ℃ ) 時 , 下 列 哪 一 元 素 最 適 合 作 為 鎵 的 代 替 物 ?

(A) Al( 熔 點 66 0℃ , 沸 點 24 67℃ ) (B) Ca( 熔 點 83 9℃ , 沸 點 14 84 ℃ ) (C) Hg( 熔 點−38.8℃ , 沸 點 356.6℃ ) (D) In ( 熔 點 1 56 ℃ , 沸 點 20 80 ℃ ) (E) W( 熔 點 34 10℃ , 沸 點 556 0℃ )

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4-3.4 化 學 與 電 子 科 技 一 、 液 晶 (liquid crystal) 1. 液 晶 發 現 的 歷 史:西 元 188 8年,奧 地 利 的 植 物 學 家 Friedrich R ei nitzer發 現 了 一 種 特 殊 的 物 質 。 他 從 植 物 中 提 煉 出 一 種 稱 為 苯 甲 酸 膽 固 醇 的 化 合 物 , 它 在 某 一 溫 度 範 圍 內 具 有 液 體 和 結 晶 雙 重 性 質 的 物 質 。 此 狀 態 介 於 我 們 一 般 所 熟 知 的 液 態 與 固 態 物 質 之 間 , 有 點 類 似 肥 皂 水 的 膠 狀 溶 液 。 2. 液 晶 分 子 為 有 機 分 子 , 大 多 為 長 條 形 。 在 特 定 條 件 ( 光 、 熱 、 電 場 或 磁 場 ) 下 , 會 出 現 晶 體 才 有 的 分 子 規 則 排 列 的 現 象 。 右 圖 為 液 晶 分 子 排 列 示 意 圖 。 (1) 一 般 液 態 , 分 子 排 列 雜 亂 無 章 。 (2) 液 晶 態 , 分 子 依 某 種 方 向 呈 規 則 排 列 。

3. 液 晶 顯 示 器 , 英 文 通 稱 為 LC D (Li quid Cr yst al Di spl a y), 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 。

二 、 有 機 發 光 二 極 體 ( Organic Light Emitting Diode, 簡 稱 OLED) 1. 發 現 的 歷 史 (1) 西 元 197 9年 , 柯 達 公 司 的 鄧 青 雲 博 士 ( D r. C hin g W Tan g)發 現 , 在 黑 暗 中 一 塊 實 驗 用 的 有 機 蓄 電 池 在 閃 閃 發 光 , 從 而 開 始 了 對 OLED的 研 究 。 (2) 西 元 1 987 年 , 同 屬 柯 達 公 司 的 汪 根 樣 博 士 和 同 事 St even 成 功 地 使 用 類 似 PN半 導 體 的 雙 層 有 機 結 構 , 第 一 次 做 出 了 低 電 壓 、 高 效 率 的 光 發 射 器 。 2. N型 和 P 型 半 導 體 (1) N型 半 導 體 : 在 半 導 體 材 料 中 摻 雜 價 電 子 更 多 的 元 素 , 如 在 矽 中 ( 4 A族 ) 摻 雜 砷 ( 5A族 )。 (2) P型 半 導 體 : 摻 雜 價 電 子 數 較 少 的 元 素 , 如 在 矽 中 摻 雜 鎵 ( 3 A族 )。 3. 二 極 體 (dio d e): 將 N型 和 P 型 半 導 體 相 接 , 施 以 順 向 電 壓 , 電 子 可 從 N型 往 P 型 移 動 , 因 而 發 光 ; 電 壓 方 向 相 反 則 沒 有 電 流 產 生 。 4. 發 光 二 極 體:主 要 是 由 N型 和 P型 半 導 體 所 組 成,在 電 壓 的 作 用 之 下 而 發 光 , 化 學 家 尋 找 不 同 的 半 導 體 材 質 , 於 其 中 摻 雜 不 同 種 類 的 元 素 , 使 二 極 體 在 通 電 後 發 出 不 同 顏 色 的 光 線 。 5. 有 機 發 光 二 極 體 : 若 是 在 半 導 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 。

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《 講 解 13》 下 列 有 關 電 子 科 技 的 敘 述 , 何 者 正 確 ? (A) 液 晶 (li quid cr ys tal)分 子 為 有 機 分 子

(B) 液 晶 為 介 於 液 態 與 氣 態 物 質 之 間 的 狀 態 (C) 液 晶 在 特 定 條 件 ( 光 、 熱 、 電 場 或 磁 場 ) 下 , 會 出 現 晶 體 才 有 的 分 子 規 則 排 列 的 現 象 (D) 在 矽 半 導 體 材 料 中 摻 雜 砷 , 即 為 P 型 半 導 體 (E) 若 是 在 半 導 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 答 案 : (A)(C)(E) 解 說 : (B) 液 晶 為 介 於 液 態 與 固 態 物 質 之 間 的 狀 態 。 (D) 在 矽 半 導 體 材 料 中 摻 雜 砷 ( 5A族 元 素 ), 即 為 N型 半 導 體 。 【 範 例 14】 下 列 有 關 電 子 科 技 的 敘 述 , 何 者 正 確 ? ( 多 選 ) (A) 液 晶 (li quid cr ys tal)分 子 為 有 機 分 子

(B) 液 晶 為 介 於 液 態 與 氣 態 物 質 之 間 的 狀 態 (C) 液 晶 在 特 定 條 件 ( 光 、 熱 、 電 場 或 磁 場 ) 下 , 會 出 現 晶 體 才 有 的 分 子 規 則 排 列 的 現 象 (D) 在 矽 半 導 體 材 料 中 摻 雜 砷 , 即 為 P 型 半 導 體 (E) 若 是 在 半 導 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 答 案 : (ACE) =================================================================================== 【 範 例 15】 下 列 有 關 液 晶 材 料 的 敘 述 , 何 者 正 確 ? ( 多 選 ) (A) 液 晶 材 料 屬 於 有 機 物 (B) 液 晶 螢 幕 中 所 含 的 液 晶 分 子 是 處 於 散 亂 、 無 規 則 性 排 列 的 液 體 狀 態 (C) 液 晶 分 子 的 形 狀 為 球 形 (D) 液 晶 分 子 具 有 極 性 (E) 液 晶 分 子 具 有 流 動 性,外 加 電 場 時,可 以 改 變 分 子 的 排 列,改 變 其 光 學 性 質 , 此 性 質 可 用 來 製 造 顯 示 器 註 : 液 晶 為 線 形 的 棒 狀 分 子 有 機 物 答 案 : (ADE)

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練 習 題 : 1. 奈 米 到 100 奈 米 的 長 度 , 稱 為 奈 米 尺 度 。 換 言 之 , 奈 米 尺 度 須 小 於 若 干 公 尺 ? (A) 10− 11 (B) 10− 9 (C) 10− 7 (D) 10− 5 ( E ) 10− 3 2. 關 於 二 氧 化 鈦 光 觸 媒 的 敘 述 , 何 項 正 確 ? (A) 二 氧 化 鈦 是 導 體 , 所 以 可 進 行 氧 化 還 原 反 應 (B) 二 氧 化 鈦 光 觸 媒 的 作 用 原 理 主 要 是 吸 附 作 用 (C) 二 氧 化 鈦 製 成 奈 米 顆 粒 可 以 有 效 增 大 表 面 積 (D) 二 氧 化 鈦 可 用 作 汽 車 觸 媒 轉 化 器 的 主 要 材 料 (E) 修 正 液 的 成 分 也 是 二 氧 化 鈦 , 故 修 正 液 也 具 殺 菌 、 除 臭 的 光 觸 媒 特 性 3. 在 高 純 度 矽 中 , 摻 加 少 量 下 列 何 種 元 素 , 可 以 形 成 N型 半 導 體 ? (A) 硼 ( 原 子 序 5) (B) 鋁 ( 原 子 序 13) (C) 銅 ( 原 子 序 29) (D) 鍺 ( 原 子 序 32 ) (E) 砷 ( 原 子 序 33) 4. 下 列 何 種 光 源 , 最 適 於 激 發 奈 米 二 氧 化 鈦 光 觸 媒 ? (A) 紫 外 光 (B) 可 見 光 (C) 紅 外 光 (D) X光 (E) 微 波 5. 液 晶 是 介 於 物 質 的 哪 兩 種 狀 態 之 間 ? (A) 固 態 與 液 態 (B) 固 態 與 氣 態 (C) 液 態 與 氣 態 (D) 以 上 皆 是 (E) 以 上 皆 非 6. 單 層 奈 米 碳 管 是 一 個 由 單 層 石 墨 所 形 成 的 中 空 圓 柱 型 分 子 。 右 圖 為 無 限 奈 米 碳 管 的 一 部 分 , 若 按 右 圖 所 示 的 方 式 將 單 層 石 墨 捲 曲 成 一 直 徑 為 1.4奈 米 ( 或 1400皮 米 ) 的 奈 米 碳 管 , 則 沿 圓 柱 型 的 圓 周 繞 一 圈 , 需 要 多 少 個 六 圓 環 ? [ 已 知 石 墨 中 的 碳 — 碳 鍵 長 約 為 1.42 埃 ( 或 142 皮 米 )]( 96指 考 ) (A) 14 (B) 18 (C) 22 (D) 26 (E) 30 7. 目 前 記 憶 體 技 術 可 達 到 的 資 料 儲 存 密 度 最 高 為 10 8b yt e/ cm2( 1byte=1位 元 組 =8 位 元 ) , 但 奈 米 科 技 極 可 能 突 破 此 上 限 。 例 如 右 圖 所 示 的 設 計 , 鑽 石 表 面 上 的 氫 與 氟 原 子 , 可 分 別 代 表 0與 1位 元 , 若 奈 米 碳 管 探 針 頭 的 原 子 ( 如 氮 或 硼 ) , 對 氫 與 氟 原 子 分 別 具 有 吸 引 與 排 斥 作 用 力 , 則 可 據 以 區 別 0與 1 位 元 。 下 列 與 此 奈 米 科 技 有 關 的 敘 述 , 何 者 正 確 ? ( 98學 測 ) (A) 氫 原 子 的 直 徑 大 約 為 10奈 米 (B)奈 米 碳 管 探 針 頭 的 原 子 直 徑 愈 大 愈 有 利 於 區 別 0與 1位 元 (C)此 奈 米 科 技 預 期 可 使 資 料 儲 存 密 度 提 高 到 目 前 最 高 密 度 的 數 萬 倍 以 上 (D)位 於表面 上代表0與1位元的兩種原子,其直徑愈大愈有利於提高資料儲存密度

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8. P型 半 導 體 為 在 高 純 度 的 矽 晶 體 中 , 摻 雜 少 量 的 下 列 何 種 元 素 ? (A) 硼 (B) 磷 (C) 硫 (D) 碳 (E) 砷 9. 原 子 的 直 徑 約 為 0.1 奈 米 , 則 一 顆 粒 徑 為 1 毫 米 的 砂 中 所 含 的 原 子 總 數 , 最 接 近 下 列 哪 一 個 數 值 ? (A) 107 (B) 101 4 (C) 102 1 (D) 102 4 (E) 102 8 10. 一 邊 長 為 1毫 米 的 立 方 體 , 至 多 可 切 割 出 若 干 個 邊 長 為 10 奈 米 的 小 立 方 體 ? (A) 1×106 (B) 1×109 (C) 1×101 2 (D) 1×101 5 (E) 1×101 7 11. 下 列 何 者 為 奈 米 二 氧 化 鈦 光 觸 媒 的 功 用 ? ( 多 選 ) (A) 淨 化 空 氣 (B) 防 汙 (C) 除 臭 (D) 殺 菌 (E) 淨 水 12. 下 列 何 者 是 金 剛 石 的 同 素 異 形 體 ? ( 多 選 ) (A) 石 墨 (B) 二 氧 化 碳 (C) 富 勒 烯 -60 (D) 奈 米 碳 管 (E) 1 4C 13. 關 於 奈 米 碳 管 的 敘 述 , 何 者 正 確 ? ( 多 選 ) (A) 質 量 輕 、 彈 性 佳 , 且 化 學 性 穩 定 (B) 是 一 種 精 密 陶 瓷 , 可 耐 高 溫 (C) 結 構 與 鑽 石 相 似 , 質 地 堅 硬 (D) 鑽 石 、 石 墨 、 C6 0及 奈 米 碳 管 , 均 是 碳 的 同 素 異 形 體 (E) 奈 米 碳 管 與 聚 乙 烯 均 是 含 C 、 H的 聚 合 物 14. 半 導 體 製 程 中 , 氫 化 砷 是 摻 雜 矽 晶 的 重 要 原 料 之 一 , 若 不 慎 外 洩 , 會 汙 染 環 境 及 危 害 人 員 。 下 列 有 關 砷 及 其 化 合 物 的 敘 述 , 何 者 錯 誤 ? ( 多 選 ) (A) 砷 是 類 金 屬 元 素 (B) 氫 化 砷 是 離 子 化 合 物 (C) 氫 化 砷 分 子 的 砷 原 子 滿 足 八 隅 體 規 則 (D) 氫 化 砷 的 化 學 式 為 AsH3 (E) 矽 晶 中 摻 雜 砷 , 可 以 製 成 P 型 半 導 體

Ans1.C 2.C 3.E 4.A 5.A 6.B 7.C 8.A 9.C 10. D 11.ABC DE 12.AC D 13.AD 14.BE

數據

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參考文獻

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