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高中基礎化學(二)全第三章

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人類很早就學會使用能源,最初以薪柴為主,但到 工業革命後,煤、石油、天然氣等陸續被開發利用,化石 能源已成為人類社會現代化最主要的動力。但是隨著科 技的日新月異,再加上全球經濟的蓬勃發展和人口不斷 增加等因素,使我們對能源的需求更為殷切;且不斷消 耗的結果,使有限的化石能源日漸枯竭。以目前對化石 能源的依賴程度來評估,全球在未來 40 年內將可能面 臨另一波能源危機。因此,開發新能源及再生能源並節 約能源,以延長能源使用期限及減少對環境的衝擊,乃 成為刻不容緩的議題。 由古代生物殘骸埋藏在地底下經地溫及地壓作用而 轉化生成的能源稱為化石燃料(fossil fuel),包括煤、石 油、天然氣等。目前全世界取自於化石燃料的能源約占能 源總需求量的 90%以上,但是大量使用化石燃料的結果, 讓處在新世紀的我們也面臨了環境汙染、地球暖化等嚴 峻的問題。

3-1.1 煤、石油、天然氣

(coal)是植物的遺骸經微生物分解重組形成黑褐 色的腐植質,由於沉積及地殼的變動,層層的腐植質被 埋入地下與空氣隔絕,再經千萬年長時間高溫高壓的作 用下,逐漸碳化而形成的黑色固體(圖 3-1)。煤的主 要成分元素為碳,並含有氫、氧、氮、硫等元素;依含 碳量的不同,可分為泥煤、褐煤、煙煤和無煙煤等(表 3-1),其中泥煤在地底時間較短,受熱程度最小,含碳 量最少,而無煙煤受熱最久、碳化的程度最深,含 有 90%以上的碳,是最高級的煤礦。 煤是許多重要的化學原料來源,也是火力發電

3-1 化石燃料

表3-1 各種媒的含碳量比較 種類 含碳比例 泥媒 50%以下 褐媒 60~75% 煙媒 75~90% 無煙媒 90%以上

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廠的主要燃料。將煤隔絕空氣以強熱分解的過程稱 為煤的乾餾(dry distillation),可餾出煤氣、煤溚 (coal tar)等揮發性物質,最後殘留的固體為煤焦,如 圖 3-2。 煤氣主要成分為甲烷、氫氣及少量一氧化碳,是 重要的氣體燃料;煤溚又稱為煤焦油,為黑色黏稠的 液 體 , 成 分 複 雜 , 主 要 含 有 苯 (C6H6)、 甲 苯 (C7H8)、(C10H8)等芳香族化合物,是重要的有機溶 劑及化學工業原料。煤焦又稱焦碳,近乎純碳,主要 作為冶煉金屬的還原劑及燃料。紅熱的煤焦和高溫的 水蒸氣可進行氣化反應(gasification)(式 3-1),產生 一 氧 化 碳 和 氫 氣 的 混 合 氣 體 , 俗 稱 水 煤 氣 (water gas),通常加壓灌裝入鋼瓶內分送作為工業燃料。 C(s)+H2O(g)     CO(g)+H2(g) ΔH=133kJ  [3-1] 固體的煤在高溫高壓下亦可轉變成類似石油的液 體燃料。 石油(fossil oil)大部分是源自於藻類、細菌及浮游生 物的遺骸,中東及其他地區大型油田的來源均為此一類 型;僅有少部分的石油是源自於陸生植物,如臺灣新 竹、苗栗地區蘊藏的石油屬之。一般而言,生物體遺骸 火力發電廠的燃料 煤可作為火力發電廠的燃 料 , 其 發 電 成 本 低 且 安 全,但燃燒時除了二氧化 碳外,還會產生煙灰、氮與 硫的氧化物,造成空氣汙 染及酸雨的危害,因此漸 被石油或天然氣所替代。 媒的乾餾是否包含化學變 化? 高溫

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歷經千萬年在沉積的過程中,長期受到地底高溫、高壓 的作用下,產生複雜的化學反應,才能逐漸分解轉化成 石油,最後移棲排入儲油層匯集成油田(圖 3-3),這是 石化能源珍貴而不能再生的原因。 從油田或油井開採出來之未加提煉的石油稱為原油 (crude oil),通常為帶有異臭的黑褐色黏稠液體,成分相 當複雜,主要是飽和烴、芳香烴及一些含有硫(可能達 到 8%)、氧(可能達到 2%)、氮(可能達到 1.7%)等 元素的化合物,其成分隨產地而異。原油除燃燒外,直 接使用的價值性不高,但如經過一連串的加工製造過 程,稱為石油精煉(refining),即可得到非常多元化的產 品,是許多化學工業產品的主要原料來源。 天然氣(natural gas)是蘊藏在地層下的一種可燃氣 體,存在於油田或天然氣田,也有少量出自於煤層。其 主要成分為甲烷,其次為乙烷及少量的二氧化碳、硫化 氫等,組成比例隨產地而異。純化後的天然氣大部分為 甲烷是一無色、無臭、無毒的氣體,在空氣充足的情況 下燃燒,產物為二氧化碳和水(式 3-2),汙染性低,是 一種供家庭及工業使用的優良燃料。 CH4(g)+2O2(g)→CO2(g)+2H2O(l)  ΔH=-890 kJ [3-2] 臺灣各地區的天然氣均以配管的方式輸送,所以天然 氣又稱為「天然瓦斯」或「自來瓦斯」。為了安全的因素 自來瓦斯會添加硫醇類臭味劑,一旦外洩即可察覺。天然 氣近年來也被用為汽車燃料,以降低廢氣量。天然氣同 時也是工業上製造氫的重要原料之一。 燃料的熱值(heat value)是指每單位質量或單位體積 液化天然氣 國 內 天 然 氣 均 仰 賴 進 口 , 為 了 便 於 貯 存 與 運 送 ( 圖 3-4),通常先將天然氣冷 卻 到-162℃而成液化天然氣, 體積也縮減為氣態的 1 600左 右 , 且 在 液 化 過 程 , 已 將 硫、二氧化碳、水等除去, 因此燃燒時,不會產生硫的 氧化物,而造成空氣汙染, 是一種潔淨、高品質的能源。

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的燃料燃燒時所產生的熱量。固態及液態燃料的熱值常 以「kJ/kg」表示,而氣態燃料則以「kJ/m3」表示。表 3-2列出一些常見燃料的熱值。一般而言,熱值愈大的 燃料,其經濟價值愈高。液態氫的熱值為 127000 千焦 /千克,約為汽油的三倍,且不會造成汙染,常用於火 箭的燃料(圖 3-5),但因易爆炸而具危險性,故不為 家庭所使用的燃料。 表3-2 不同燃料的熱值 固態燃料的熱值 (kJ/kg) 液態燃料的熱值 (kJ/kg) 氣態燃料的熱值 (kJ/m3) 泥煤 7022 乙醇 29848 煤氣 20900 褐煤 14580 汽油 47000 天然氣 37202 煙煤 31103 柴油 43000 石油氣 53295 無煙煤 32115 液態氫 127000 氫 12856 下列關於化石燃料的各項敘述,哪些正確?  (A)煤經乾餾得到的煤氣,為一種純物質 (B)煤經乾餾 後剩餘的是非揮發性的煤焦 (C)大多數的原油為黑而 黏稠的液體,其成分隨產地而異 (D)石油主要是烯烴 混合物 (E)天然氣的主要成分為甲烷。 (B)(C)(E) (A)煤乾餾得到煤氣,煤氣主要成分為 CH4、H2、CO,為混合物。 (D)石油主要是烷烴混合物。 3-1 下列各種燃料的敘述,何者正確? (A)熱值最高的煤為煙煤  (B)水煤氣的主要成分為 CO、H2 (C)天然氣含有一氧化碳,故易中毒 (D)石油 使用煤、石油、天然氣時, 會造成哪些汙染? 3-1

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煤、天然氣均為混合物  (E)液態氫的熱值(kJ/kg)很大, 故適於作為一般家庭用燃料。

3-1.2 石油分餾及其主要產物

石油主要是由碳氫化合物和一些含有硫、氧、氮的 化合物所組成,內含有數千種化合物,成分非常複雜。 將原油加熱,利用所含成分沸點的差異,在不同的溫 度 範 圍 內 蒸 餾 出 不 同 的 產 物 , 此 一 過 程 稱 為 分 餾 (fractional distillation),其分餾出來的主要產物稱為 餾分(圖 3-6)。 使用天然瓦斯與液化瓦斯的 爐具比較 使用「天然瓦斯」與「液化瓦 斯」的爐具噴嘴孔不同,因 為天然氣壓力比液化瓦斯小, 故其瓦斯器具噴嘴孔比較大, 兩者不能通用。

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  分餾塔最上層分離出來的石油氣,經加壓液化儲存 於 鋼 筒 中 , 即 為 市 售 的 液 化 石 油 氣 (liquefied petroleum gas),簡稱 LPG,俗稱液化瓦斯或桶裝瓦 斯,主要成分為丙烷(C3H8)與丁烷(C4H10)的混合物,家 庭使用之液化石油氣皆有添加硫醇類臭味劑,一有漏氣 即可察覺。而汽油的市場需求量最大,是汽、機車燃料 及重要的工業用溶劑,其主要成分為己烷(C6H14)、庚烷 (C7H16)和辛烷(C8H18)。   原油分餾是屬於利用物理方法分離的方式,在石化 工業上也會利用化學方法來精煉石油,例如使用催化劑 在高溫強熱下,將分子量較大的烷類裂解(cracking)成 經濟價值較高的小分子,或將辛烷值較低的輕油重組 (reforming)成辛烷值較高的分子。利用裂解、重組等化學 方法將分餾塔的產品加工,再送往相關的下游工廠作為 原料,生產各種石油產品如人造纖維、人造橡膠、塑膠、 肥料及農藥等,為新一代煉油廠運轉的模式。 石油是由烴類化合物組成的混合物,附圖是精煉石油的 分餾塔簡圖,碳數約為 13~19 的產物由丙出口流出。 (1)甲 出 口 與 丙 出 口 的 餾 分 相 比 , 下 列 敘 述 何 者 正 確 ? (A)兩者 的沸點 一樣  (B)甲 出口的餾分的平均分子量比   丙 的 大 (C)丙 出 口 的 餾 分 的 平 均 分 子 量 比 甲 的 大 (D) 兩 者 的 平 均 分 子 量 一   樣 , 但 化 學 結 構 不 同 (E) 丙出口的餾分是純物質。 (2)有關各出口餾分的性質與用途,下列敘述何者正確? (A)甲出口餾分是氣體,冷凝收集後,多用作飛機燃 油(B)乙出口餾分的碳數超過 30,多用作工業溶劑 3-2 輕油裂解工廠 輕油裂解工廠(圖3-7) 是將石油分餾所得的輕 油(沸點高於汽油而低 於煤油的分餾混合物) 裂解成乙烯(C2H4)、丙烯 (C3H6 )、丁二烯(C4H6) 等 化學工業原料,再經重 組成合成汽油。 在 我 們 日 常 生 活 中 所 需 要 的 東西,有哪些產品是由石油 直接或間接製造出來的呢?

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(C)丙出口餾分為汽油,多用作汽車燃料 (D)丁出口  餾分是分子量非常大的殘餘物,如瀝青或蒸餘油 (E)原油加活性碳處理後可得乙出口的餾分。 (1)(C)  (2)(D) (1)分餾塔愈下層的餾分,其沸點愈高,平均分子量 愈大,故丙出口之餾分的沸點與平均分子量皆大 於甲出口之餾分,且丙出口餾分為混合物。 (2)(A)甲出口餾分多用作燃料。 (B)乙出口餾分碳數應小於丙的碳數 13~19 個。 (C)汽油的碳數為 6~12,應為乙出口餾分。 (E)原油可利用活性碳脫色,但無法代替蒸餾的 過程,故無法得到乙出口的餾分。 3-2 下列有關石油的敘述,何者正確?  (A)原油的成分不因產地的不同而有差異 (B)石油是一 種混合物 (C)石油分餾後的產物為純物質 (D)在分餾 塔中愈高層所得的產物,沸點愈高 (E)石油可直接作為 飛機燃料。

3-1.3 烴的燃燒與汽油辛烷值

烴(CxHy)在氧氣充足的情況下能完全燃燒,生成二 氧化碳和水,並放出熱量。反應式如式 3-3:   CxHy+(x+ 4 y ) O2→x CO2+ 2 y H2O     [3-3] 在通風不良、氧氣不足時,烴燃燒會產生有毒但無 色、無味的一氧化碳,使用者很難察覺而釀成災害,因 此在密閉空間使用瓦斯時應特別小心通風的條件。 汽油為烴類混合物,常用於汽車燃料,當汽油與 空氣在汽缸內混合燃燒時,一部分的油氣在火星塞點 火前即因壓縮而產生自燃,與火星塞點燃的火焰互相 衝擊,產生不正常的燃爆而造成引擎震動的現象,稱 為震爆(knocking)(圖 3-8)。震爆不但會損害引擎,

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而且會大幅降低引擎的動力。

辛烷值(octane number,簡稱 O.N.)是表示汽 油抗震爆程度的重要指標,辛烷值愈高,表示燃料的 抗震爆性能愈好。正庚烷(圖 3-9)抗震爆性低,其辛 烷值定為零;異辛烷(學名為 2,2,4-三甲基戊烷,圖 3-10)的抗震爆性高,其辛烷值定為 100,將這兩種烷烴 以適當比例混合成標準油,可以標示出市售各種汽油 的辛烷值,例如某種油品的抗震爆性與體積百分率 98%異辛烷及 2%正庚烷的標準油相當,則其辛烷值為 98,稱為 98 汽油。有機物的辛烷值與其結構有密切的 關係,例如支鏈烷烴、烯烴及芳香烴相較於直鏈烷烴 有較高的辛烷值如表 3-3。  表 3-3 一些有機物的辛烷值 有機物 辛烷值 有機物 辛烷值 正辛烷 -10 苯 106 正庚烷 0 甲醇 107 正戊烷 62 乙醇 108 1-戊烯 91 甲基三級丁基醚 116 異辛烷 100 甲苯 118 直接由原油分餾所得的汽油,辛烷值約為 40~ 60,必需添加一些物質以提高辛烷值。早期所使用的 高級汽油是在汽油中添加少量的抗震劑如四乙基鉛 ((C2H5)4Pb),但含鉛汽油燃燒後產生鉛化物的微粒, 會

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造成鉛汙染,也會使汽車的觸媒轉化器失效,所以高級 汽油已於民國 89 年停止供應,改以無鉛汽油取代。市 售的 92、95 及 98 無鉛汽油(圖 3-11),即在汽油中加 入甲醇、乙醇、三級丁醇或甲基三級丁基醚(圖 3-12) 等,來提高辛烷值,又稱為加氧汽油。汽、機車須依照 製造廠的建議,選用合適的汽油。 下列有關辛烷值的敘述,哪一項是正確的? (A)正庚烷的辛烷值訂為 100、異辛烷的辛烷值訂為 0  (B)辛烷值可超過 100,辛烷值愈高,震爆的情況愈嚴重 (C)92無鉛汽油中的 92 是指汽油的平均分子量 (D)95  無鉛汽油中,異辛烷的體積占 95  % (E)市售汽油的辛 烷值,較直接由原油分餾得到的汽油高。 (E) (A)正庚烷的辛烷值為 0、異辛烷的辛烷值為 100。 (B)辛烷值愈高,抗震爆性愈佳。 (C)92 無鉛汽油中的 92 表辛烷值,為抗震爆程度的指 標。 (D)95 無鉛汽油是指其抗震爆性,與體積比為 95%異 辛烷和 5%正庚烷的標準油相當,故 95 無鉛汽油 與標準油成分可能不同。 3-3 下列有關汽油及辛烷值的敘述,何者正確? (A)正辛烷的辛烷值為100  (B)汽油的主要成分是烷烴的   混合物 (C)重量比為92%異辛烷和8%正庚烷之混合物, 其辛烷值為92  (D)95無鉛汽油抗震爆性優於92無鉛汽油 (E)無鉛汽油中添加甲基三級丁基醚可提高辛烷值。 3-3 甲基三級丁基醚 甲基三級丁基醚(MTBE) 係 汽油的重要摻配原料,約占 汽油7~11%,除了可增加辛 烷值外,因其組成含有氧, 故可促進汽油在引擎燃燒完 全。

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電池是應用最廣泛且最方便的可攜帶式能源,手 錶、手機、隨身聽、筆記型電腦、汽機車、甚至一些醫 療器材等都離不開電池。隨著電子相關產品蓬勃的發 展,電池在材料與技術上也不斷創新突破,新一代電池 除了力求體積小、電壓穩定、供電時間長外,更注重安 全和環保。

3-2.1 化學電池原理

化學電池(chemical battery)簡稱電池,是利用氧 化還原反應的原理將化學能轉換為電能的裝置。以組裝 鋅銅電池(圖 3-14)為例: 取兩個燒杯,一杯置入硫酸鋅溶液(ZnSO4,1M)並 插入鋅片;另一杯置入硫酸銅溶液(CuSO4,1 M)並插 入銅片,鋅片與銅片分別以導線連接於伏特計兩端, 另取一 U 形管盛滿溶解度大的強電解 質飽和水溶液 ( 如 KNO3(aq)) , 兩 端 並 塞 以 棉 花 做 為 鹽 橋 (salt

bridge),將鹽橋兩端分別插入兩燒杯中,此時可觀察 到伏特計指針偏轉或有讀數出現,表示電池開始放電。 由於鋅失去電子的趨勢較銅大,故鋅極釋出電子 氧化成鋅離子,所釋出的電子經外電路(導線)流至 電池的發明 1800 年,伏打採用不同金屬 片,中間夾著浸潤濃鹽水的 卡紙或布料,組合成「伏打 堆」(voltaic pile),是電池最 早的雛型(圖 3-13)。直到 1 836 年,在玻璃容器中以一 個多孔的素瓷片,隔開硫酸 鋅與硫酸銅溶液,再分別置 入鋅片與銅片,組成鋅銅電 池,是第一個實用的電池, 又稱丹尼耳電池。

3-2 電池

電池的電極名稱 以電位高低來區分,電位高 者為正極,電位低者為負極。 正極:電子流入或電流流出 的電極,化學電池的 陰極為正極。 負極:電子流出或電流流入 的電極,化學電池的 陽極為負極。 伏打 A. Volta(1745-1827) 義大利人 丹尼耳 J. F. Daniell(1790-1845) 英國人

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銅極,硫酸銅溶液中的銅離子則在銅極上得到電子還 原而析出金屬銅,故藍色硫酸銅溶液的顏色逐漸變淡 , 而銅極的重量逐漸增加。其化學反應式如式 3-4

 Zn(s)+Cu2+(aq)→ Zn2+(aq)+Cu(s)    [3-4]

每一個電池可視為由兩個「半電池」所組成,每一 個半電池都含有一個電極和電解質溶液。化學電池中與 電解液直接接觸的導體稱為電極,發生氧化半反應 (失去電子)的電極稱為陽極(anode),如鋅銅電池的 鋅片。發生還原半反應(得到電子)的電極稱為陰極 (cathode),如鋅銅電池的銅片。電子由鋅片流往銅片, 所以鋅片為負極,銅片為正極;而電流的方向與電子 流相反。鹽橋內的陽離子(如 K+ (aq))游向含有硫酸銅的 燒杯(陰極);陰離子(如 NO3-(aq))則游向含有硫酸 鋅的燒杯(陽極),藉由鹽橋內離子的游動來溝通電 路並維持溶液的電中性。 下列關於鋅銅電池放電過程的敘述,何者正確?  (A)電子由鋅極流向銅極 (B)鋅極為陽極,其質量漸減 (C)銅極為正極,溶液中銅離子濃度漸增 (D)鹽橋內的 強電解質溶液不與兩燒杯中的溶液反應 (E)電路接通 時,鹽橋溶液中的陽離子會游向陽極。 (A)(B)(D) (A)鋅失去電子的趨勢較銅大,故電子由鋅極流向銅 極。 (B)鋅極為陽極(負極),釋出電子被氧化成 Zn2+,故 其質量漸減。 (C)銅極為陰極(正極),Cu2+得到電子還原成 Cu,故 3-4 為什麼鹽橋內的鉀離子會游向 含銅極的燒杯,而硝酸根離子 會游向含鋅極的燒杯?

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銅離子濃度逐漸降低。 (D)鹽橋的功用為溝通電路並維持溶液的電中性,故不 能與兩燒杯中的溶液發生反應,而影響電池的放電。 (E)電路接通時,鹽橋溶液中的陽離子會游向電池的陰 (正)極。 3-4 下列關於化學電池的敘述,何者正確?  (A)利用氧化還原反應將化學能轉換成電能 (B)一定包含 正極與負極 (C)放電時,負極產生的電子經由外電路傳 至正極 (D)電池的陽極發生還原反應 (E)正極產生的陽 離子經由外電路傳至負極。

3-2.2 常見的電池

市售電池有多樣的類型,以供應各種不同用途的需求。 大部分的電池可分為一次電池(primary cell)及二次電池 (secondary cell)。使用後不能充電而必須回收的電池, 稱為一次電池,又稱為原電池,如碳鋅電池、鹼性乾電池 等;二次電池利用化學反應的可逆性,可重複充電使用, 因此又稱為可充電電池(rechargeable cell),如鉛蓄電池、鋰 電池等。有些電池不屬於一次或二次電池,例如燃料電池 則是一種兼具環保與節能的特殊型態電池,也是世界各國 競相研發的重點科技。以下分別介紹幾種常見的電池。 碳鋅電池(carbon-zinc cell)(圖 3-16),又稱勒克 朗社電池(Leclanché cell),為酸性乾電池,屬於一次 電池,以鋅殼為容器兼陽極(負極)、碳棒(石墨)為 陰極(正極),由二氧化錳、氯化銨、氯化鋅、澱粉、水等 組成的糊狀物為電解液。 勒克朗社電池 1866 年,勒克朗社(圖3-1 5)製出第一顆商業化的「溼 電池」;後來經不斷的改良, 直到1881 年, 改成以鋅罐 為外殼,內部的電解液變為 糊狀,即為碳鋅電池,又稱 為勒克朗社電池。 一般電池規格大小的分類 俗稱 規格(美) 1號 D 2號 C 3號 AA 4號 AAA 5號 N 6號 AAAA 勒克朗杜 G. Leclanché(1839-1882) 法國人

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碳鋅電池的放電反應如式 3-5:

Zn(s)+2 NH4Cl(aq)+2 MnO2(s)→Zn(NH3)2Cl2(aq)+Mn2O3(s)+H2O(l)    [3-5]

主要是二氧化錳將鋅氧化,而碳棒沒有參與反應, 僅作為傳遞電子的導體,稱為惰性電極。電池電壓為 1.5 伏特,具有價格便宜、攜帶方便等優點,所以被廣泛應 用於遙控器、手電筒、玩具等功率不大的電器設備。但缺 點為放電時電壓不穩定,且隨著電能的釋出而電壓逐漸 下降;又電解液為酸性,會使鋅殼慢慢溶解,造成電解 液滲漏的現象。 為 什 麼 乾 電 池 使 用 的 是 糊 狀 電 解 液 而 不 是 乾 燥 的電解質?

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鹼性乾電池(alkaline battery)俗稱鹼性電池(圖 3-17),電解液為鹼性的氫氧化鉀溶液,陽極(負極)為 膠態的鋅粉,陰極(正極)為二氧化錳與石墨的混合物, 電壓與碳鋅電池大約相等,為 1.54 伏特,但其電壓較穩 定,供電時間較長,且耐寒性甚佳。 鉛蓄電池(圖 3-18)係由法國科學家普藍特於 1859 年所發明的可充電式電池,是至今仍然普遍使用於汽車 的二次電池,鉛蓄電池的陽極(負極)為鉛,陰極(正 極)為二氧化鉛,電解液為約 38%的硫酸溶液,故又名 鉛酸電池(lead-acid battery),電池電壓為 2.0 伏特,汽 車用的 12 伏特電池是由 6 個鉛蓄電池串聯而成。 鉛蓄電池放電及充電的化學反應式如式 3-6: Pb(s)+PbO2(s)+2 H2SO4(aq) 2 PbSO4(s)+2 H2O(l) [3-6]

放電時(圖 3-19(a)),兩電極均生成硫酸鉛,因此 兩電極質量皆增加,而硫酸溶液的濃度、密度逐漸降低,

普藍特

G. Planté(1834-1889) 法國人

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電壓也會逐漸下降,此時需要充電才能恢復功能。充電 時(圖 3-19(b)),必須將鉛極(負極)接到直流電源 的負極、二氧化鉛(正極)則接到直流電源的正極,使 其進行放電的逆反應。當電池充電完成時,其溶液密度 約為 1.25~1.30 g/cm3 鋰電池可分為一次鋰電池及二次鋰電池,在此介紹 常見的鋰離子電池(lithium ion battery,圖 3-21),

為二次鋰電池的一種,陽極(負極)材料為含鋰金屬的 石墨,陰極(正極)材料為鋰鈷氧化物(LiCoO2),電解 質為過氯酸鋰(LiClO4),以有機物為溶劑,電壓約為 3.7 伏特。 此種電池電壓高且穩定,能量密度高,幾乎沒有記 憶效應,廣用於行動電話、筆記型電腦、數位相機等攜帶 型電子產品。 免加水的鉛蓄電池 一般傳統鉛蓄電池的陽極材 質是鉛銻錫合金,電池充電 時,無可避免的是部分水將 因熱而蒸發,或因水電解而 耗 損 , 因 此 仍 須 添 加 水 分 (圖3-20(a)),新型鉛蓄電 池的陽極改用鉛鈣合金,可 製成不需補充水的密封型鉛 酸電池(圖3-20(b))。

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燃料電池(fuel cell)是一種將燃料的化學能直接轉 換成電能的裝置,只要不斷地供應氧氣及燃料(如氫氣 甲醇、天然氣或汽油等),就可以持續地輸出電力。圖 3-22 所示即是以氫氧燃料電池為動力的汽車。 燃料電池的種類繁多,以鹼性氫氧燃料電池(圖 3-23)為例,電池的兩電極均為覆蓋催化劑(如鉑或 鎳)的多孔性碳板,電解液為高濃度的氫氧化鉀溶液 , 能量密度 電池的平均單位體積或單位 質量所釋放出的電能,通常 以瓦特•小時/升(Wh/L) 或 瓦 特 • 小 時 / 公 斤(Wh/kg) 為單位。 電池的記憶效應 在電池存有殘餘電量時, 進行充電或過度充電,結 果可能導致電池內生成結 晶,而阻礙充電反應,使 電容量減少,造成可使用 時間縮短,此即記憶效應 (memory effect)。

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陽極通入氫氣,陰極通入氧氣,將氫及氧結合產生水 , 並在過程中釋放出電子而發電。電壓約 1 伏特,若需提 高輸出電壓,則將多組燃料電池串連成電池組即可。 氫氧燃料電池的產物為水,潔淨而無汙染性,美 國阿波羅太空船即利用此種燃料電池(圖 3-24)作為 供電系統,產生的水並可供給太空人飲用。氫氧燃料電 池將化學能直接轉換成電能的效率可達 75%以上,較 火力發電廠將化學能轉變為熱能,再推動發電機產生 電能的方式高出約 40%,具有低汙染、高效能、低噪音 用途廣等優點,但是三相(氣態燃料、液態電解液、固 態電極)有效接觸困難、電極成本高及電解液的腐蝕性 等都是有待克服的問題。燃料電池是目前最具發展前景 的新能源之一,已有不同型式的燃料電池被開發出來 , 不但提升了燃料電池的發電性能,也拓展了燃料電池 的應用領域。 鹼性氫氧燃料電池的反應 陽極:H2(g)+2 OH-( aq)    → 2 H2O(l)+ 2e- 陰極:O2(g)+2 H2O(l)+4e-    → 4OH- (aq) 全反應:2 H2 (g)+O2 (g)     → 2 H2O(l) 燃料電池的發電效率可達 75 % , 剩 餘 25 % 的 能 量 以 何 種形式消失?

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下列關於電池的敘述,何者正確? (A)乾電池以鋅為正極,碳棒為負極 (B)鹼性電池的電 解液為氫氧化鉀糊狀物,鋅極為陽極放出電子 (C)鉛 蓄電池以鉛為負極,二氧化鉛為正極,硫酸溶液為電 解液(D)鋰離子電池的電解液為氫氧化鉀水溶液 (E)氫 氧燃料電池放電時,氫氣在陰極被還原,氧氣在陽極 被氧化,反應後生成水。 (B)(C) (A)乾電池的負極為鋅,正極為碳棒。 (D)鋰離子二次電池的電解液為非水溶液。 (E)氫氧燃料電池放電時,氫氣在陽極被氧化,氧氣 在陰極被還原。 3-5 下列關於常用電池的敘述,何者正確?  (A)乾電池放電後,電池內水分減少,故稱為乾電池 (B)鹼性乾電池以鋅粉為正極,二氧化錳為負極,以氫 氧化鉀的糊狀物為電解液 (C)鉛蓄電池放電時,電子 由鉛經導線流向二氧化鉛,兩電極的重量及稀硫酸的 濃度皆增加 (D)依環保觀念,鉛蓄電池必須回收,以 防止鉛的汙染 (E)燃料電池可重複充電,為二次電池 的一種。 能源可依其使用的永續性分為再生能源與非再生 能源。非再生能源主要為化石燃料與核能,在地球上的 蘊藏有限,經開採利用後將漸漸枯竭;而再生能源包 含太陽能、生質能、風力、水力、海洋能與地熱等,多數 來源不虞匱乏,在使用的過程中具低汙染性的優點。 3-5

3-3 常用的能源與替代能源

電池的汙染 有些電池內含重金屬與腐蝕 性電解質(表3-5),故廢 棄時須回收,以免造成環境 汙染。 3-5  電池內含的有害成 分 電池種類 有害成分 碳鋅電池 鋅、錳 鹼性乾電池 鋅、錳 鉛蓄電池 鉛、硫酸 水銀電池 鋅、汞 鎳鎘電池 鎳、鎘

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目前化石燃料仍為人類主要的能源,為因應全球對 CO2減量的要求以及石油枯竭將引發的高油價衝擊,各 國莫不致力開發永續性的替代能源。而臺灣當前所面臨 的問題更為嚴峻,高度能源密集的工業以及過度依賴化 石燃料的結果,使臺灣 CO2的排放量約占全球的 1%, 而每人平均排放量更高於全球平均值近二倍,為全球的 前二十大。替代能源有其因地制宜的特性,本節除了介 紹常用的能源之外,也將簡介適合臺灣地理環境的替代 能源。

3-3.1 常用的能源

根據國際能源總署 (IEA) 的統計資料(圖 3-25), 化石燃料、核能、水力與其他可燃性的能源等為人類常 用的能源,其中以化石燃料占最大的比例,約有八成之 多。這些能源多用於發電、交通運輸、工業與民生用熱 ……等。 溫室氣體 因應氣候變遷,156 個國家 於1997 年通過「聯合國氣候 變 化 綱 要 公 約 的 京 都 議 定 書」簡稱「京都議定書」,明 訂針對CO2、CH4、N2O、HFCs (氫氟碳化物)、PFCs(全 氟碳化物)及SF6等6種溫室 氣體的排放進行減量。其中S F6、HFCs 及PFCs 為較強的 溫室氣體,但由於CO2的含 量較多,降低CO2排放,成 為阻止全球暖化的首要之務。 臺灣的目標是逐年減碳,以 期能在2025年使碳排放量回 到2000年的標準。

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  利用適當的轉換技術,可將各式能源所蘊藏 的能量轉換成電、熱及動力以供使用。例如汽車若以 汽油為動力來源,是藉汽油燃燒而將蘊含的化學能轉 變為熱能,再經由引擎將熱能轉變為一連串的動能以 趨動汽車。而將能源轉換成電力,往往是更便利的, 以常用的渦輪發電裝置為例,須先將各種不同形式的 能 源轉 換成 動能 ,然 後 推 動渦 輪機 而發 電( 圖 3-27)。 若統計不同形式的能源用於發電所占總發電量的 百分比分布(圖 3-28),可發現火力發電(燃煤、燃 氣或燃油)、核能發電和水力發電是全球主要的電力 來源,而臺灣也有類似分布。 國內的能源使用概況 國內的能源供給,進口者占 99% 以上,圖3-26 為臺灣能 源供給的分布。值得注意的 是,化石能源所占的總比重 超過九成,而再生能源的比 例則非常小。

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目前臺灣的火力發電(圖 3-30)是以燃煤及燃油為 主,燃氣為輔。煤炭是火力發電主要的燃料,其能源轉換 效率約為 40%,其他以熱的形式廢棄了。煤碳燃燒後除了 產生大量的二氧化碳之外,其他如硫氧化物、氮氧化物以 及飛灰等,經排放後將有造成空氣汙染之虞,所以發電 廠須備脫硫、去硝以及除塵的設備,以降低汙染程度。另 外,除了廢熱再利用外,改良發電機組,也可以提高能 源轉換效率。 近年來,針對煤炭發展出煤的氣化與液化的技術, 將煤炭轉化生成多樣性且便於運送的物質,例如甲烷、一 氧化碳、氫氣等氣體產物,或液體產物如汽油的代用品等 通常轉化後的產物除具有更潔淨且用途更多元的優點之 外,用於發電時,其能源的轉換率往往較原來燃煤為高。 核能是原子核發生分裂或熔合時所伴隨的巨大能量 變化,是另一種常用的能源。依據愛因斯坦的質能互換原 理,核能是在核反應發生時由新舊原子轉換時所發生的 質虧轉換而得,下式表示質能互換的關係: E = mc2      [3-8] 火力發電的副產品 煤炭燃燒後產生的飛灰可取 代混凝土中的部分水泥,降 低水泥用量,同時也可增加 混凝土的強度。而硫氧化物 可以製成石膏。

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其中 m 為核反應發生時的質量虧損(公斤);c 為 光速(3×108公尺/秒);E 則為核反應所釋放的核能 (焦耳)。核反應所釋放的能量是非常巨大的,例如 1 克的質量虧損所釋放的能量相當於 16 萬公噸黃色炸藥 的爆炸威力,大約可點亮 100 瓦的燈泡達三萬年之 久。 已知碳的莫耳燃燒熱為-393 kJ,核反應時,1.0 克的 質量虧損所釋放的能量相當於多少公斤的碳完全燃燒 時所釋放出的熱量? 碳 12 克完全燃燒放出的熱量為-393 kJ 3-6 據估計,太陽釋放的能量來自於核熔合,約為每秒 5×1026 焦耳,則太陽進行核熔合時,相關的質量的損 失約為每秒多少公斤? 核能多用於發電以及動力來源(圖 3-31)。目前商 用核能發電廠以核分裂反應為主,利用中子撞擊鈾-235 原子核(235U),使之分裂成更小的原子核,並釋放出數個 中子,而這些中子再繼續撞擊其他的鈾原子核,造成鏈 鎖反應(chain reaction,圖 3-32),可能的反應式如下: 3-6

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相較於火力發電,核能發電的優點在於可避免 空氣汙染,運轉過程中,也不會有碳排放的問題。 但核能發電也並非完美無缺,核分裂所產生的高輻 射性核廢料,含有半生期很長的放射物種,必須與 環境隔絕達數世紀之久,其輻射值才能降至安全範 圍。另外,發電時反應爐的冷卻水排放後,對環境 造成熱汙染,再加上地球上核能原料的含量有限, 故核分裂所產生的核能並不屬於永續的能源。但因 為核能發電沒有碳排放的問題,目前已有許多國家 增建核電廠,或重新評估建置核電廠的可能性。 期待新能源—核熔合 核熔合為另一種形式的核反應,在原子核熔合的過程中釋放 出巨大的能量,例如由太陽所發出的光和熱即來自於氫核熔 合成氦核所致。核熔合需在很高的溫度下發生,又稱為熱核 反應。與核分裂相比,核熔合沒有放射性廢料的問題,且其 原料氫元素可由海水取得,因此是理想的能源。一旦高溫熔 合的問題獲得解決,核熔合將會是解決能源問題的最佳選項 之一。(圖3-33)

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3-3.2 替代能源 尋找替代能源的目的是為了降低人類對非再生能源 如化石燃料的依賴。再生能源具有低碳排放量,潔淨且可 重複使用的優點,故成為替代能源的發展重點。臺灣地處 亞熱帶且位於板塊交接處,四面環海,故有豐富的太陽 能、風力、海洋能與地熱的蘊藏,極具有開發潛力。 水力發電是利用水從高處往低處流時,其原本的位 能轉換動能而得以發電,在水力充沛的地區如挪威,甚 至是發電的主力,除了提供電能之外,還有防洪、灌溉和 提供自來水等附加功能。水力發電雖是目前常用的能源之 一,也屬於再生能源,相較於化石燃料,是相當潔淨的 能源,但水力發電的硬體建設,例如大壩的建造等,也 有破壞環境的缺點,建置時須審慎評估。 太陽能包含太陽熱能與太陽光能兩種形式(圖 3-34)。太陽熱能多應用於加熱水溫以及提供室內暖氣,在 臺灣,太陽熱能的主要應用為太陽能熱水器,利用集熱 器收集太陽輻射將水加熱,是目前技術最成熟的太陽熱 能應用商品,可用於家用熱水、泳池熱水以及工業用水的 加熱等。 有機太陽能光電池 有機太陽能光電池是矽晶太陽 光電技術之外,另一個深具潛 力的光電產業。將有機高分子 像印報紙一樣印刷在塑膠板或 其他基板上,製成太陽能光電 板,可以順利結合一般民生物 品與隨身電子產品,不僅隨處 可充電,透明可撓的特性依物 品形狀來改變,應用更廣。塗 布於大表面上則可供大面積發 電,如於建築物表面,有發電 與內部節能的效用。雖然目前 光電轉換效率尚不如傳統太陽 能電池,但深具研發價值。

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  太陽光能的利用主要是以太陽能電池捕捉太陽 光能並將之轉換為電能,多由半導體元件組成,其主要 材料為矽或其他半導體材質,受光線照射而產生電流。發 電規模可大可小,視光電板的面積而定,可應用於區域 發電系統、建築物發電(圖 3-35),或應用小型的發電系 統,如照明設備、車船動力來源、或其他消費性產品,如 3C 電子設備……等(圖 3-36)。目前量產的太陽能發電 技術其光電轉換效率約有 15%以上,由於具有電力來源 零成本、不需大型廠房、潔淨的優點,相信在提高光電轉 換效率,以及降低成本後將有相當好的發展遠景,是非 常適合處於低緯度的臺灣大力推廣的替代能源。 生質能(biomass energy)是指利用部分生物直接吸收 太陽能、水分和二氧化碳所產生有機物質(稱為生質物, biomass),經轉換所得的可用能源,所以使用生質能 源即是間接使用太陽能。目前生質能在應用上可分多種 層面:直接燃燒生質物,利用其產生的熱能;或是以觸 媒或其他化學技術將生質物轉換成方便使用的生質燃料, 如將大豆油轉換成生質柴油、將醣類轉換成酒精等。惟耕 種能源作物需要大量土地面積,會導致與糧食作物相互 排 擠 , 影 響 糧 食 價 格 的 穩 定 , 造 成 民 生 問 題 。

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為避免這個問題發生,可開發新的技術,改用生質廢棄 物如麥莖、木材、稻草或芒草等取代傳統能源作物。另外 也可利用藻類或微生物生產甲烷、乙醇或生質柴油…… 等。 臺灣在應用生質能這方面尚在起步階段,臺灣生質 物的主要來源為能源作物及生質廢棄物,其中生質廢棄 物每年約產生 600 萬噸以上,若將生質廢棄物經加工製 成固態衍生性燃料便可用以發電,這種發電方式在國外 已可商業化,而目前臺灣在花蓮建立示範廠,正進入量 產階段。此外,垃圾焚化爐產生的熱能以及垃圾掩埋場 所產生的沼氣(甲烷)也可用以於發電,臺灣在這方面 已有不錯的規模。而食用油或回收油可轉化成生質柴油, 也可以提供車輛、機具的動力來源(圖 3-37)。其他如利 用化學轉換或微生物作用生產生質燃料如酒精、丁醇、生 質柴油、氫氣或其他燃氣、燃油等也是發展的重點,特別 是臺灣四面環海,日照充足,養殖微生物如藻類來產油 或產氫,可避免如化學方法提煉時衍生的耗能或汙染的 問題,是深具潛力的生質物來源。 微生物在生質能源所扮演的 角色 在生質能源生產的過程中, 引入微生物的幫助,可降低 以化學方法將生質物提煉為 燃料時耗能過大的缺點,已 然成為生質能發展的重要趨 勢之一。例如利用厭氧細菌 分解垃圾掩埋場、家庭或畜 牧汙水中的有機物產生沼氣、 利用細菌發酵產氫等。臺灣 西南部適合藻類養殖,例如 養殖高油脂藻類,採收後製 成生質柴油,並有固定CO2 及處理廢水的附加功能。

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生質物所含的碳來自於大氣,經由植物吸收固定, 故使用生質燃料的過程中,二氧化碳好比在一個獨立的 循環系統,並不會增加碳排放量,因此生質能具有再生 性、且使用過程中具有近乎無汙染的特點。生質能的技術 可行性高,若生質物於加工改質的過程中不致耗能太多, 應是相當有發展性的再生能源。目前生質能的使用約占 世界再生能源應用的三分之二。 生質物的來源 除了大豆、玉米等可以提煉 成燃料的能源作物之外,其 他尚有生活廢棄物如廚餘、 垃圾等,工業廢棄物、畜牧 廢棄物,或是其他植物體如 稻穀、蔗渣等,均可作為生 質物。

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風力被人類使用已有悠久的歷史,例如帆船、風車等 (圖 3-38)。風力發電顧名思義是藉著風力來轉動發電機 而發電,風力發電裝置可建置於陸地或是海上,在風力資 源豐富的地區,風力發電的成本已經接近傳統的發電方式 若風力不穩定,風力發電僅能做為輔助性能源。目前臺灣 已在西部沿海以及離島地區布有風力發電系統(圖 3-39)。 地熱來自於地底下岩漿以及放射性物質的衰變,具有 不受天候影響的特性,故可作為基礎能源 之用(圖 3-40)。

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溫泉即為地熱最普遍的應用,可用來沐浴、治療疾病、收集 礦物等,在工業、農業上也可發展出多樣的熱能應用方式 (圖 3-41)。 另外,將地熱轉換為電能是更為便利的利用方式。地 熱發電裝置是以水通入地下,收集地熱用以發電,目前已 有多國採用(圖 3-42)。臺灣地處板塊交接處,蘊藏豐富 的地熱資源(圖 3-43),目前多為溫泉觀光用途,地熱發 電尚未達商業化的要求。 海洋蘊藏豐富能源,可再生且無汙染。海洋能包含潮汐 溫差、洋流以及波浪等的能量,都是深具發電潛力的再生

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能源。其中潮汐能是使降落的潮水推動發電機發電,將潮 汐漲落的位能差轉換為電力(圖 3-44);利用洋流推動渦 輪發電裝置發電,可將洋流動能轉換成電能(圖 3-45); 海浪 發電是利用往復的波浪運動,驅動發電裝置內的空 氣,來帶動渦輪機而發電(圖 3-46),是目前較成

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熟的海洋能利用技術;溫差發電的原理是利用深層 與表層海水的溫差使液體氣化,帶動渦輪機而發電 (圖 3-47)。目前海洋能的開發較風力、地熱、太陽 能緩慢,多數仍處於試驗階段。但不論是何種海洋 能發電的利用,都需審慎評估發電裝置對海洋環境 如洋流方式等的影響。 對四面環海的臺灣而言,海洋能更值得開發。 例如臺灣東部海域地形陡峭,許多地方的表層和深 層海水溫差超過 20℃,適合溫差發電的開發;另外 臺灣東岸有黑潮流過,黑潮發電也已進入研發階段。

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能源問題正考驗著各國政府的應變能力同時也悄 悄的改變人類的生活方式。替代能源有因地制宜的特性 可作為輔助性能源,甚至達到自給自足,提高能源的 自主性。但須特別注意的是,著眼於能源的可再生性, 或是使用過程中的低碳排放等是不夠的!如果替代能 源的提取或建置過程反而消耗過多能量,將使替代能 源變成高耗能產業而適得其反。因此發展低耗能的製程 搭配其他相關產業聚集,多元使用,配合適當的補助 及剩餘電力的收購政策,都可提高使用效率,降低建 置成本,真正達到「替代」的效果。而在發展替代能源的 過程中,我們能做的並非只是等待,科學家們仍致力 於改善現有的能源使用方式,尋求更高效率的能源使 用率、降低碳排放量例如碳封存技術的開發等,尋求能 源科技的永續發展。 用 哪 些 替 代 能 源 呢 ? 為 什 麼?

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3-1 化石燃料 1.化石燃料包括煤、石油、天然氣,是目前人類最依賴的能源。 2.煤的主要成分是碳,且含有少量的氫、氧、氮、硫等元素。 3.煤經隔絕空氣強熱分解(乾餾)可以得到煤氣、煤溚、煤焦等。 4.石油是複雜的烴類的混合物,主要成分為烷類,利用各成分的沸點不同, 可分餾出各種不同用途的產物。 5.煤氣的主要成分為氫氣及甲烷。水煤氣為一氧化碳和氫氣的混合氣體。 液化石油氣的主要成分為丙烷與丁烷。天然氣的主要成分為甲烷與乙烷。 6.辛烷值(octane number,簡稱 O.N.)是燃料抗震爆性的指標,定正庚烷

的辛烷值為零、異辛烷(2,2,4-三甲基戊烷)的辛烷值為 100。 7.若汽油的抗震爆性與體積百分率 92%異辛烷及 8%正庚烷的混合物相當, 則此汽油的辛烷值為 92;辛烷值愈高,抗震爆性愈佳。 3-2 電池 1.化學電池是一種利用氧化還原反應原理,將化學能轉換成電能的裝置, 氧化及還原反應分別在不同電極上發生,中間以鹽橋相連形成通路。 2.一次電池使用後不能充電必須回收,如碳鋅電池、鹼性乾電池等。二次 電池能重複充電使用,如鉛蓄電池、二次鋰離子電池等。燃料電池為連 續電池,具有低汙染、高效率、低噪音、用途廣等特色,是未來的重要能 源之一。 3.碳鋅電池以鋅為陽極(負極),碳棒為陰極(正極),電解液為氯化銨、 氯化鋅、二氧化錳、澱粉及水的糊狀混合物。鹼性乾電池改以氫氧化鉀溶 液為電解液。 4.鉛蓄電池以鉛(Pb)為陽極(負極)、二氧化鉛(PbO2)為陰極(正極),電 解液為硫酸溶液。 5.氫氧燃料電池的陰、陽極均為覆蓋催化劑(如鉑或鎳)的多孔性碳板, 氫氣通入陽極,氧氣通入陰極,常以氫氧化鉀溶液為電解液。

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3-3 常用的能源與替代能源 1.能源可依其使用的永續性分為再生能源與非再生能源。非再生能源主要 由化石燃料以及核能所提供,將漸漸枯竭。而再生能源包含太陽能、生 質能、風力、水力、海洋能與地熱等,多數來源不虞匱乏,具有低汙染性 的優點。 2.化石燃料有用盡的一天,且產生的氮氧化物、硫氧化物造成空氣汙染, 而 CO2造成全球暖化,故須積極尋找替代能源。 3.核能來自於有核分裂或核熔合過程中發生的質量虧損所致,其質量虧損 與產生的能量具有以下關係:E=mc2。目前核能發電採用核分裂方式。 4.再生能源使用上具有低汙染的優點,故如能降低提取及建置過程中的能 耗,輔以適當的政策,降低成本,將是非常有潛力的替代能源。

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基本題       題號前“*”代表複選題 1.下列有關煤、石油、天然氣的各項敘述中,何者正確? (A)煤的乾餾產物中,液態物質稱為煤溚,仍可提煉其他物質 (B)石油多 為三酸甘油酯的混合物 (C)原油加活性碳過濾後所獲得之無色液體是汽 油 (D)天然氣的主要成分為丙烷與丁烷 (E)煤、石油、天然氣均可以重 複使用和再生。 * 2.甲烷(CH4)是天然瓦斯的主要成分,下列有關甲烷的敘述何者正確? (A)在甲烷分子中,氫所占的質量百分比為 25% (B)甲烷具有臭味,因此 瓦斯外洩時容易被察覺 (C)1 克的甲烷完全燃燒須消耗 2 克的氧氣 (D) 甲烷燃燒時,若空氣供應不足,會產生有毒的一氧化碳  (E)甲烷燃燒屬 於氧化還原反應。 3.原油的提煉過程是利用沸點的不同而分離出各種不同的產物,這過程稱為?  (A)乾餾 (B)分餾 (C)萃取 (D)層析 (E)裂解。 * 4.下列關於汽油抗震爆能力和辛烷值的敘述,下列何者正確? (A)抗震爆能力:98 無鉛汽油優於 95 無鉛汽油 (B)汽油的辛烷值是表示 汽油分子的分子量大小 (C)辛烷值愈高的汽油,其抗震爆能力愈低 (D)92 無鉛汽油中,異辛烷的體積占 92% (E)異辛烷的辛烷值為 100。 * 5.下列有關碳鋅乾電池的敘述,何者正確? (A)碳棒為正極,鋅殼為負極 (B)碳棒為氧化劑,鋅殼為還原劑 (C)電解 液為 MnO2、NH4Cl 和 ZnCl2的乾燥混合物 (D)MnO2為催化劑 (E)電壓會

隨著電能的釋出而逐漸下降。 * 6.下列有關鉛蓄電池的敘述,何者正確? (A)放電時,電解液硫酸的濃度漸減 (B)放電時,溶液的密度增大 (C)放 電時,正極和負極的重量都增加,且均生成硫酸鉛固體 (D)充電時,鉛 極需連接到直流電源的負極上 (E)可直接使用交流電充電,充電過程是 將化學能轉變成電能。 * 7.下列何種電池屬於二次電池? (A)碳鋅電池 (B)鹼性乾電池 (C)氫氧燃料電池 (D)鉛蓄電池 (E)鋰離 子電池。   8.下列關於常用能源與再生能源的敘述,何者正確? (A)核能為再生能源,核燃料取之不竭 (B)核熔合發電較核分裂發電無輻

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射汙染 (C)臺灣目前以水力發電為主要電力來源 (D)太陽能電池是利用 太陽光能產生電流,所以為零汙染的電池 (E)稻穀、麥莖為生質物,但燃 燒後生成二氧化碳,依然會造成大氣中二氧化碳增加。 * 9.下列選項所列的能源種類中,何者非再生能源? (A)風力 (B)太陽能 (C)核能 (D)生質能 (E)天然氣 。 *10.以臺灣的地理環境而言,適合發展下列何種再生能源? (A)風力發電 (B)潮汐發電 (C)洋流發電 (D)太陽能 (E)地熱。 11.下列關於能源使用時的能量轉換過程,何者正確? (A)風力發電為將風的動能轉換為電能 (B)乙醇作為汽車燃料為將乙醇的 化學能轉換為動能 (C)太陽能熱水器為將太陽光能轉換為熱能的裝置 (D)火力發電為將煤炭的熱能轉為電能 (E)燃燒生質物以提供家庭暖氣為 將生質物的化學能轉為熱能。 進階題 * 1. 在無鉛汽油中可以選擇何種物質做為抗震爆劑,以提高辛烷值? (A)甲基三級丁基醚 (B)甲醇 (C)乙醇 (D)正庚烷 (E)三級丁醇。 2. 地球上的化石燃料日趨枯竭,因此積極開發新能源也就十分迫切,氫氣 是一種高效無汙染的理想能源,如果將來人類廣泛使用氫氣作為能源, 則下列六種製備氫氣的方法中,你認為哪些具有發展前途且為可行的方 法?並說明理由。 (1)電解法:2 H2O 電解 2H2+O2 (2)水煤氣法:C+H2O1000℃ CO+H2 (3)設法將太陽光聚集產生高溫使水分解法:2 H2O高溫2H2+O2 (4)碳氫化合物裂解法:CH4高溫C+2H2 (5)甲烷轉化法:CH4+H2O催化劑 CO+3 H2 (6)尋找高效催化劑使水分解產生氫氣:2 H2O高效催化劑 2 H2+O2

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3. 有些國家為了有效控制二氧化碳的排放量,研擬以開徵碳排放稅之方式 因應之。今有一液化瓦斯鋼桶,每桶平均用掉 13.2kg 的液化丙烷(C3H8), 已 知 丙 烷 完 全 燃 燒 的 反 應 式 : C3H8(g)+ 5O2(g)→3CO2(g)+ 4H2O 。 若 在 25℃、1 atm 下,排放每 1 m3(1000 升)的 CO 2課稅 1 元,則在購買此桶 瓦斯時,將需附帶繳交多少元的碳稅(不滿 1 元,四捨五入)? (C3H8 =44,25℃、1 atm 下,1 mol 氣體體積 24.5 升) (A)5 (B)13 (C)22 (D)34 (E)52 元。 4. 燃料的莫耳燃燒熱為每莫耳燃料完全燃燒時所放出的熱量。下表為一些常 見的莫耳燃燒熱,試依表中資料回答下列問題。 燃料 分子量 (克/莫耳) 莫耳燃燒熱 (千卡/莫耳) 氫氣 2 -68 甲烷 16 -208 丙烷 44 -526 乙醇 46 -328 柴油 226 -2545 (1) 完全燃燒 1 克的甲烷會放出多少千卡的熱量?  (A)13 (B)16 (C)68 (D)104 (E)208。 (2) 下列何種燃料因其單位重量所放出的熱量最大,所以最適合用來當作推 進火箭的燃料? (A)液態氫 (B)甲烷 (C)丙烷 (D)乙醇 (E)柴油。 5. 試比較碳鋅電池與鹼性乾電池之放電原理有何異同? * 6. 已知銅金屬失去電子的傾向較銀金屬強。將銅棒置於裝有 1.0M 硝酸銅水 溶液的燒杯中,將銀棒置於裝有 1.0 M 硝酸銀水溶液的燒杯中,U 形管裝 有飽和硝酸鉀水溶液作為鹽橋,利用上述裝置組成電池,下列哪些正確?  (A)銅棒為陽極,產生氧化反應 (B)銀棒是負極,產生還原反應 (C) 電子由銅棒經外電路流向銀棒 (D)電池的反應式:Cu(s)+2Ag+(aq)→Cu2+ (aq)+2Ag(s) (E)鹽橋中之 K+會游向銅極溶液。

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物,電解液為氫氧化鉀的水溶液,氫氣在鎳(Ni)極與 OH-反應,氧氣在 氧化鎳(NiO)極與水反應,反應的淨產物是水。根據化學電池的原理,下 列有關此電池的敘述,何者正確? (A)氧氣是被 H2O 還原,氫氣是被 OH-氧化 (B)氧氣在陽極被還原,氫氣在陰極被氧化 (C)全反應為 2H 2 +O2→2H2O (D)電子在外電路的導線中,從氧化鎳極向鎳極移動 (E) 電池放電時,氫氧化鉀水溶液中的 pH 值會逐漸升高。 8. 科學家積極開發可以永續經營的生物能源,作為替代能源的方案之一。生 物能源有沼氣、生物製氫、生物柴油和燃料乙醇等,其中燃料乙醇是目前 世界上生產規模最大者。生質燃料的生產以微生物及綠色植物為主,其生 產需考慮材料的培養與製備、燃料的生產、分離與儲存、製備成本與效應 等因素,技術層次需注意能源的加入與釋放量,方能為功。例如為了供應 汽車燃料所需,有些國家配合其國情積極開發合適的生質燃料,其中以 巴西開發酒精做為汽車燃料最成功。下列所敘述的特性,哪些是作為生物 能源材料所應具備的條件?(甲)能源零消耗 (乙)能永續經營 (丙)整體的能源成本低 (丁)零汙染 (戊)利用基因改造生物 (A)乙丙 (B)甲丁 (C)乙丙戊 (D)甲乙丁 (E)甲丁戊。 9. 氫能為乾淨的能源,可藉由太陽能發電將水電解而得到氫氣,再利用氫 氧燃料電池發電得到氫能。試比較直接取用太陽能發電與上述氫氧燃料電 池發電的優缺點。

參考文獻

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