第四章 化學與化工 4-1 生活化學與先進科技

第四章 化學與化工 4-1 生活化學與先進科技

一、化學與化工

規模 運用的知識 工作 例子

化 學

小 (實驗室)

有機化學、無機化學、

物理化學、分析化學

研發新產品 哈柏法製氨：找出合適原料和條件製造出氨氣 N2＋3H2

─→ 2NHFe 3（500 °C、350 atm）

化 工

大 (工廠)

有機化學、輸送現象、

單元操作、流體力學 (運用較多的物理)

如何將新產 品大量量產

波希（德國）利用哈柏製氨的方法，發展成工 業化的量產規模

Fritz Haber Carl Bosch 克維拉纖維的聚合物結構 1918 年諾貝爾化學獎 1931 年諾貝爾化學獎

二、生活中的化學 1. 衣

(1) 天然纖維：植物纖維如__________________，主要組成：_______

動物纖維如__________________，主要組成：_______

(2) 合成纖維；亦為聚合物，例如_______(Nylon)(首先製造的人造纖維，1935 年杜邦公司) ○¹ 共同特性：絕緣、耐腐蝕、輕便以及可大量生產、價格低廉的特點。

○² 常見合成纖維：聚醯胺纖維(耐綸、尼龍)、聚酯纖維(達克綸 Dacron)、、GORE-TEX、

克維拉纖維(Kevlar)(防彈背心和頭盔、太空衣、飛機材料)

2. 食：肥料、農藥、除草劑、保鮮膜 3. 住：如電致變色玻璃(通電會變透明)

4. 行：電動汽機車(低碳排)、碳纖維(降低重量，減少碳排)

【補充】耐綸 66 的合成：

→

________ ________ 耐綸 66(有______基)

5. 醫藥：標靶藥物、抗生素、消炎止痛藥(阿斯匹靈

藥名：阿斯匹靈 藥名：普拿疼

化合物名稱；__________ 化合物名稱；____________

三、化學與先進科技 1. 奈米材料

(1) 奈米材料的尺度：__________ 塊材：一般傳統大小的材料 (2) 性質： ○¹ 顆粒小，高表面積，活性大

○² 顏色與塊材不同，且隨奈米顆粒大小不同，有不同顏色 (3) 例子：

○¹ 奈米光觸媒

組成：奈米級的二氧化鈦

應用：在有紫外光的照射下，可發揮除臭、滅菌、淨化空氣的功能。

○² 在衣料中織入奈米銀，可以滅菌

○³ 奈米碳管：具有金屬與半導體性質，高彈力與張力，應用於顯示器、導線

四、電子材料 朱經武 吳茂昆(曾任教育部長) 1. 高溫超導：釔鋇銅氧化合物 發展高溫超導的兩位台灣科學家

○¹ 超導體特性：超導溫度下通電時無電阻，可產生高電流、強磁場 高溫超導體特性：高於 77K(液態氮的沸點)仍保有超導特性 ○² 應用：磁浮列車、核磁共振造影(MRI)、核磁共振光譜儀(NMR)

2. 液晶(Liquid crystal)

(1) 定義：具有晶性(規則排列)的液體

(2) 組成：有機物

(3) 性質：受外加電場影響而改變排列方向，進而可控制光的穿透性。

(4) 應用：液晶顯示器、電致變色玻璃 液晶顯示器(LCD)的運作原理(補充)

利用電場控制液晶分子的排列方向，進而控制通過的光量，而有明暗的效果。

3. 發光二極體(LED)

(1) 組成：由 P 型(摻有___A 族的半導體)和 N 型(摻有___A 族的半導體)組合 (2) 運作：將電能轉為光能

(3) 優點：低耗電、高亮度

(4) 應用：照明、顯示器背光板、號誌燈

2014 年諾貝爾物理獎得主，主要貢獻在發展藍光 LED，使得白光(紅+綠+藍)LED 照明得以實現。

中村修二 赤崎勇 天野浩

發展實用級高效能藍光 LED(InGaN) 發明高亮度藍光 LED 材料(GaN 晶體)

4. 有機發光二極體(OLED)

(1) 組成：在發光二極體的半導體間加入一層有機分子薄膜 (2) 優點：自發光性、低耗電、亮度鮮明、可撓曲

(3) 應用：色彩更加鮮豔的顯示器

iPhone XS 圖片來自 Apple 官網

4-2 化學工業與永續發展

一、空氣的汙染與防治 1. 汙染源

種類 危害 來源 防治

硫的氧化物 如 SO2、SO3

酸雨、傷害呼吸道 燃煤 煤炭應脫硫

碳的氧化物 CO：中毒 CO2：溫室效應

燃燒石化燃料

利用觸媒轉換器

CxHy、CO、NOx

Pt、Rh、Pd

─────→ H2O、CO2、N2

氮的氧化物 破壞臭氧層 影響呼吸道 光煙霧、酸雨

高溫引擎

氟氯碳化物 CF2Cl2、CFCl3

破壞臭氧層 冷媒 改用氟氫碳化物，如 HFC-134a(CH2FCF3)

懸浮微粒 如 PM2.5、 PM10

懸浮微粒易吸附 重金屬、氮氧化物 或硫氧化物，造成 呼吸道傷害、視線 不清

沙塵暴、石化燃料 燃燒

靜電集塵法

補充：氟氯碳化物的編號法則推理 例子：

編號 分子式

CFC-(0)11 CCl3F

AAAA-#### dd

AAAA

CFC：ChloroFluoroCarbon 氟氯碳化物

HCFC：HydroChloroFluoroCarbon 含氫的氟氯碳化物 HFC：HydroFluoroCarbon 含氫的氟氯碳化物

dd：異構物種類辨識 CFC-(0)12 CCl2F2

HCFC-(0)22 CHClF2

HCFC-141b CH3CCl2F HFC-134a CH2FCF3

* (0)為省略

最右邊數字 右邊數來第二位 右邊數來第三位 右邊第四位

雙鍵數目 速算法：

二、酸雨

1. 來源：__________、__________溶於雨水

2. 危害：影響土壤和水質酸鹼性造成農作物或魚類的死亡、腐蝕金屬、大理石建築 三、水的汙染與防治

1. 水汙染種類與影響

分類 來源 影響

熱汙染 工廠冷卻廢水 珊瑚白化

水質優養化 含氮或含磷肥料、清潔劑、畜牧廢水 使水中藻類和微生物快速繁殖，消耗水中大量 氧氣，造成魚貝類死亡，並使水質發臭。

有毒物質

非金屬 有機物或無機離子

重金屬

鎘：電鍍工廠廢水 鉛：鉛管

汞：燈管 砷：地下水

範例 1 講義範例

有關空氣汙染的敘述，何項正確？（應選 3 項）

(A)氣態物質才會造成空氣汙染，液態物質與固態物質不會 (B)常見的汙染物有碳氧化物、氮氧化 物、硫氧化物、烴類、塵埃等 (C)空氣汙染物主要來自工廠及車輛排氣 (D)汙染物進入空氣可能 形成附近空氣瞬間高濃度汙染，導致地區生物劇烈傷害(E)城市中大量的汽機車排放汙染性廢氣，屬 局部區域的汙染，並不會對大氣環境造成危害性的影響

範例 2 講義範例

下列有關「酸雨」的敘述，何者正確？

(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 CO2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)酸雨是大自然界自古以來的現象，與人類人口增加無關

2. 需氧廢料汙染

(1) 來源：廢水中的有機物

(2) 危害：造成細菌繁殖，降低水中溶氧量，進而使水質發臭。

(3) 生化需氧量(Biochemical oxygen demand)與化學需氧量(Chemical oxygen demand)

分 類 生化需氧量（BOD） 化學需氧量（COD）

定 義 為於 20 ℃恆溫下五天中以______分解每 升汙水中需氧廢料，所需消耗的氧量(mg)

以人為化學方法(如加入氧化劑 K2Cr2O7)氧化 汙水中所有廢料所需要氧的總量

限 制 僅能被細菌分解的有機化合物 全部能被氧化的廢料

單 位

反應式 有機物質+氧氣 → CO2 + H2O (藉由平衡氧氣係數來判斷需氧量) 例如： C2H5OH＋3O2 → 2CO2＋3H2O

特 色 BOD 值或 COD 值愈大，表示水中有機化合物愈多，需用越多氧氣去氧化，汙染愈嚴重 3. 水汙染防治

(1) 防治：減少排放予適當處理 (2) 處理：

第一級：過濾去除固態物質。

第二級：通入氧氣，利用微生物去除需氧物質。

第三輯：針對其他特殊汙染物做處理。

範例 3 講義範例

一汙水中含有 16.2 ppm 的有機物 C6H10O5，它能被細菌分解，則此汙水之 BOD 為多少 ppm？（原 子量：C＝12，H＝1，O＝16）(A) 8.2 (B) 10.2 (C) 16.2 (D) 19.2 (E) 23.2

範例 4 【93 學測】

水中的微生物會使水中的有機物質（例如：C6H10O5）轉化為 CO2 與 H2O，在這過程中所需 O2 的 量，稱為生化需氧量（BOD）。試問要使水中的 1 個 C6H10O5 分子完全變成 CO2 與 H2O，需要 幾個氧分子？(A) 1 (B) 2 (C) 3 (D) 4 (E) 5 (F) 6。

範例 5 【98 學測】

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？(A)二氧化碳 (B)一氧化碳 (C)氯氣 (D)氧氣 (E)氫氣

四、土壤汙染與防治

1. 汙染源；廢棄物或廢水 2. 危害：影響農作物和地下水 3. 防治：

(1) 4R 原則：__________、__________、__________、__________

(2) 處理：重金屬廢料須集中儲存、適當掩埋或焚化、回收處理減少排放

五、永續發展 1. 綠色化學

(1) 基本精神：減少汙染、減少資源浪費、節約能源(使用觸媒或催化劑)、4R 原則 (2) 實際做法

○¹ 使用無毒、無害、可再生的原料。

○² 儘量於常溫、常壓、溫和的條件下反應。(減少加熱或冷卻時所需的能源)

○³ 使用催化劑(降低活化能，可減少能源的消耗)

○⁴ 使用較無害的溶劑，例如：水或二氧化碳(超臨界流體)。

2. 原子經濟(原子使用效率) (1) 定義：

原子經濟＝ 目標產物的物質總質量

所有原料反應物（或產物）的物質總質量×100％

範例 6 講義範例

下列關於無機物汙染的敘述，何者正確？（應選 3 項）

(A)重金屬汙染為水庫優養化的主因 (B)鹼氯工業所排放的鎘會引起水

俣

範例 7 講義範例

下列有關土壤的敘述，何者正確？（應選 3 項）

(A)土壤是生產糧食的基本資源，不應恣意汙染 (B)土壤的汙染以土壤中的微生物最為嚴重 (C)隨 意丟棄廢棄物與排放工業廢水，會造成嚴重的土壤汙染 (D)處理重金屬應先以焚化後再掩埋，最 為安全 (E)無毒性的塑膠如 PE，丟棄在土壤中仍會造成土壤的汙染

(2) 例

製程 反 應 原子效率

傳統

製程 47％

先進

製程 100％

(3) 原子經濟大小的意義：

○¹ 原子經濟百分之百的反應，表示不產生副產物。

○² 原子經濟愈高，表示愈能充分利用反應原料中的原子，不浪費原料及能源。

範例 8 講義範例

為達到環境保護及永續經營的目的，化學反應中，反應物的原子，應盡可能全部轉 化為產物中的原子。若要使下列反應：

（式中的係數 x , y , z 均為整數）

符合環境保護及永續經營的要求，則（x＋y＋z）的最小數值為何？

(A) 4 (B) 5 (C) 6 (D) 7 (E) 8

範例 9 講義範例

下列敘述何者與「綠色化學」觀念不符合？

(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