第四章 化學與能源

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第四章 化學與能源

4-1 化石燃料 4-1.1 煤

1. 煤是古代的植物長時間埋藏於地底下，經過生物及化學作用，在高溫、高壓下逐漸碳化所形成 的固態物質。

2. 其主要成分為碳，並含有少量的氫、氧、氮、硫及其他元素。

3. 煤除了直接當作燃料之外，也可隔絕空氣加熱使之分解，此過程稱為 。

：主要成分為氫氣(H₂)與甲烷(CH₄)，並含有少量的一氧化碳(CO)及低沸點的烴類，

是重要的氣體燃料。

：主要成分為芳香烴，經分餾可得苯、甲苯、二甲苯、萘、酚等重要的化學原料 ：近乎純碳，俗稱焦炭，是冶鐵煉鋼的還原劑、製造水煤氣及乙炔的重要原料。

4. 煤的種類：依含碳比例由高至低分為________、________、_________、_________

碳化程度越高，供應能量也較大。

範例 1 煤的性質 【課堂講義】

下列有關煤及其乾餾的敘述，哪些正確？（應選 2 項）

(A)煤在高溫中通入水蒸氣，可生成水煤氣 (B)煤乾餾後得到的煤焦不具可燃性 (C)煤的乾餾原理與蒸餾相同，都是物理反應 (D)煤溚經分餾可得苯、甲苯等芳香烴 (E)煤氣的主要成分為氫氣及一氧化碳，可作為燃料

4-2 4-1.2 石油

1. 石油是古代的動、植物遺骸堆積在地底下，於高溫、高壓的環境中，經複雜的生物及化學作用轉 化而成，為深色黏稠狀液體。從油田開採而得的石油稱為原油，需經提煉才能使用。

2. 石油是複雜的碳氫化合物的混合物，其主要成分是烷類，另含不同比例的氧、氮、硫。

依沸點高低，經由加熱、蒸發、凝結而將石油中的各種成分分離的過程，稱為 。

碳數越高的烷類，分子量越大，分子間作用力越____，沸點越____，揮發性越____，黏稠度越____。

4-3 3. 石油經分餾後，在不同的沸點範圍可得數種分餾產物。

4. 石油工業運用加熱及催化劑作用，將分子量較大的烷類裂解及重組，以提高汽油的產量及品質，

此方法稱為 。

5. 辛烷值

(1) 當汽油和空氣所形成的油氣在汽缸內壓縮時，如果火星塞尚未點火之前，油氣即自燃，汽缸內之 壓力會突然增高並形成震波，碰擊四周機件而產生類似金屬的敲擊聲，有如爆炸，

稱為 ，會損害引擎，降低引擎的動力。

補充：四行程引擎

進氣 壓縮 點火 排氣

4-4 (2) 實驗顯示，烴類的震爆程度與其化學結構有關，支鏈烷烴、烯烴及芳香烴具有較佳的抗震爆。

(3) 美國於 1927 年建立了評定燃料抗震爆程度的指標，以 ( ) 來表示燃料的抗震爆性；辛烷值愈高者，其抗震爆的能力愈好。

 (結構式： )：震爆情形嚴重，定其辛烷值為 0；

 (結構式： )：震爆情形輕微，定其辛烷值為 100，

系統命名為 2,2,4-三甲基戊烷。(見高二介紹)

 常見有機化合物的辛烷值

(4) 將正庚烷和異辛烷之混合物與某汽油樣品，分別在引擎裡燃燒，如兩者的抗震爆性相同，則前 述混合物中所含異辛烷的 就稱為該汽油的常見有機化合物的辛烷值。

 例如某種汽油之抗震爆程度與體積百分率 92％異辛烷及 8％正庚烷之混合物相當，則該汽油的 辛烷值為 92。

 由原油分餾出的汽油，辛烷值約為 40∼60，在汽缸內燃燒時，震爆情形極為嚴重。

正常燃燒

震爆發生

4-5 (5) 早期為提高辛烷值，通常會在汽油中添加四乙基鉛，稱為 ，

其辛烷值可達 90 以上，

但因燃燒後會產生鉛化物，造成鉛汙染，同時也會毒化汽、機車的觸媒轉化器，

許多國家已不再販售含鉛汽油。

(6) 無鉛汽油是在汽油中添加醇類、芳香烴或甲基三級丁基醚等，以提升汽油的辛烷值。

範例 2 原油分餾 【課堂講義】ACDEG

右圖為提煉石油的分餾塔，下列有關敘述哪些正確？（應選 5 項）

(A)提煉時是利用各物質的沸點不同來分離石油 (B)愈高層的物質沸點愈高

(C)第一層收集到的包括家庭用燃料的天然氣（甲烷、乙烷）及液化 瓦斯（丙烷、丁烷）

(D)從最上方收集到的物質，分子量較小 (E)最下方收集到的是瀝青

(F)每一層收集到的皆為純物質

(G)第二層成分經過處理後可做為汽車燃料 —— 汽油

範例 3 辛烷值 【課堂講義】BDE

下列有關汽油及辛烷值的敘述，哪些正確？（應選 3 項）

(A)正辛烷的辛烷值為 100、正庚烷的辛烷值為 0

(B)與體積 10％的正戊烷（O.N.＝60）和 90％的異辛烷（O.N.＝100）之混合物震爆性相當的汽 油，其辛烷值為 96

(C) 92 無鉛汽油中代表的是民國 92 年生產的汽油 (D)汽油的辛烷值可藉著加入苯而提高

(E)加氧汽油是指汽油中含有甲醇或甲基三級丁基醚 (F)含鉛汽油是指汽油中含有氧化鉛

4-6 4-1.3 天然氣(Natural Gas)

1. 天然氣的形成和石油相同，常與石油共存，主要存在於油田和天然氣田中，也有少量存在煤層裡。

另外美國也開發出水力壓裂法開採蘊藏在頁岩中的天然氣，稱頁岩氣。

2. 其成分隨產地不同而略有不同，

主要成分為甲烷(CH₄，約含 48∼90％)，

其次是乙烷(C₂H₆，約含 6∼18％)，

還有少量的丙烷和丁烷。

3. 天然氣無臭、無毒，燃燒時放出大量的熱，是一種優良的燃料。

4. 天然氣也可用來製備氫氣(H₂)、氨(NH₃)、甲醇(CH₃OH)、尿素(NH₂CONH₂)等，

同時也是製造許多化學產品的重要原料。

5. ★熱值：單位______燃料所產生的_______，單位：______或______。

範例 5 1054 kJ 水煤氣的燃燒反應式：

CO(g)＋ 2

1O2(g) → CO2(g)，ΔH＝－284 千焦 H2(g)＋ 2

1O2(g) → H2O(g)，ΔH＝－243 千焦

求以 24 克焦炭通入 H2O(g) 中所產生水煤氣，完全燃燒放出熱量若干千焦？

範例 4

已知乙烯（C2H4）之莫耳燃燒熱－337.2 千卡；乙炔（C2H2）之莫耳燃燒熱－310.6。500 克的乙烯 和 1 公斤乙炔，何者燃燒放出熱量較多？

4-7 4-2 化學電池

4-2.1 化學電池的原理

1. 原理：化學電池主要是經過氧化還原反應將化學能轉為電能，

而電解槽則是利用電能轉為化學能。

2. 電池的架構與性質：以鋅銅電池為例

(1) 電極

電極 定義 反應

陽極 陰極 正極 負極 複習：

定義 狹義 廣義

氧化反應 與氧原子______ ______電子 還原反應 與氧原子______ ______電子

定義

氧化劑 使他者_______，本身_______

還原劑 使他者_______，本身_______

EX

Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu

4-8 電極的性質

○¹ 陽極多為__________的金屬擔任。

○² 惰性電極：只負責傳遞電子，本身並未發生氧化或還原反應，常見為石墨或鉑 Pt ○³ 可否更換成惰性電極？需視原電極是否會參與氧化還原反應。

例如：鋅銅電池中的鋅電極可否換成石墨？___________________________

銅電極可否換為石墨？___________________________

(2) 電解液：導電功能，多具有和金屬電極相同元素的陽離子。

(3) U 形管：

○1 稱為 ，管內的鹽類需不能與電極或電解液反應，常使用 KNO3或 NH4NO3。

○² 陽極有鋅離子生成，使溶液中的正電荷數增加，

○³ 陰極有銅離子消耗，使溶液中的正電荷數減少；

○4 鹽橋中的 移向陰極， 移向陽極。

○5 功能： 並使溶液 。

(3) 導線：又稱外電路(內電路為溶液部分)，電池負極接到電器的____極，電池正極接到 電器____極。

★電解槽：電解槽本身不供應電能，非電源而需視為電器！須留意電解槽中正、負極的定義！

★統整：電池 VS 電解槽

定義 電池 電解槽

陽極 發生氧化處 發生______處 陰極 發生還原處 發生______處 正極

負極

判斷陰陽極或正負極的小訣竅

★不管是電池或是電解槽，請都先找到電子流的供應源頭(_________電極或是 電源的_____極)，電子便從此流出到，接著可以知道另一半的電子流動方向。

然後再分析各極發生的氧化還原反應，便可知是陰、陽極。

金屬在水溶液中失去電子(離子化)的傾向(或氧化電位大小(高三介紹))：

4-9 範例 6 南一講毅例題 C

下列有關化學電池原理的敘述，哪一個錯誤？

(A)電池放電時，化學能變成電能 (B)化學電池是利用氧化還原反應產生電子流的裝置 (C)化學電池充電時，電能變成化學能 (D)電池是一非自發反應，反應時要吸熱

(E) Zn＋CuSO4 → ZnSO4＋Cu 反應，可用來設計化學電池

範例 7 南一講毅例題 C

下列有關鋅－銅電池的實驗及性質，何者敘述錯誤？

(A)總反應方程式為 Zn(s)＋Cu^2＋(aq) → Zn^2＋(aq)＋Cu(s) (B)經放電後，銅半電池燒杯內的溶液藍色 變淡 (C)鋅－銅電池的電壓大於鋅－銀電池的電壓 (D)鹽橋內的溶液為易解離鹽類水溶液，如：

NH4NO3、NH4Cl (E)鋅－銅電池中，以銅棒為電極的一極是正極

範例 8 南一講義類題 BC

將鋁棒置於裝有 1 M 硝酸鋁水溶液的燒杯中，將銅棒置於裝有 1 M 硝酸銅水溶液的燒杯中，

U 型玻璃管裝有硝酸鉀飽和水溶液作為鹽橋，利用上述裝置組成電池，則下列選項哪些正確？

（應選 2 項）

(A)陽極為銅棒，發生還原反應 (B)電池的淨反應式：2 Al(s)＋3 Cu^2＋(aq) → 2 Al^3＋(aq)＋3 Cu(s) (C)電子由鋁棒經外電路流向銅棒 (D)溶液中 NO3－陰離子經鹽橋流向銅極溶液

(E)溶液中的藍色愈來愈深

4-10 4-2.2 常見的電池

電池依能否反覆充電使用，可分為一次電池及二次電池。

(1) 一次電池：指用完後不能再充電使用的電池，如 及 等。

(2) 二次電池：用完後，可再充電使用的電池，如 及 等。

(3) 燃料電池則是一種特殊型態的電池。

一、乾電池：課本 P.152

 乾電池又稱勒克朗社電池(Leclanché cell)、鋅錳電池或碳鋅電池。

陽極(－)材料：

陰極(＋)材料：

電 解 質 ： ________ 、 ________ 、 ________ 、 ________、澱粉糊狀物

陽極反應：Zn(s) → Zn^2＋(aq)＋2 e^－ 陰極反應：

全反應：2 MnO2(s)＋2 NH4Cl(aq)＋Zn(s) → Zn(NH3)2Cl2(aq)＋Mn2O3(s)＋H2O(l)

電壓：______V

放電時，石墨棒附近因_________接收電子產生不導電的________和_______，使電壓下降，此稱 ________現象。故利用________與氫氣反應，將氫氣轉為水。利用__________吸收氨氣，因此二 氧化錳和氯化銨作為_________。

優點：便宜 缺點：電壓不穩、漏液、壽命短。

不能充電的原因：

範例 9 【95.學測】CE

右圖是碳鋅乾電池的剖面圖。當這種乾電池放電時，下列何者物質獲得電子？

(A)鋅 (B)碳棒 (C)氯化銨 (D)氯化鋅 (E)二氧化錳

Georges Leclanché 1839~1882(拿破崙時期)

4-11 二、鹼性乾電池(alkaline battery)：

陽極(－)材料：

陰極(＋)材料：

電解質：________膠狀物

陽極：Zn(s) + 2OH^－(aq) → ZnO(s) + H2O(l) + 2e^－

陰極：2 MnO2(s)＋H2O(l)＋2 e^－ → Mn2O3(s)＋2 OH^－(aq)

全反應：Zn(s) + 2MnO2(s) → ZnO(s) + Mn2O3(s)

電壓：______V

和乾電池的差異：

優點：電壓供應穩定、電流較乾電池大 三、鉛蓄電池

 鉛蓄電池又稱鉛酸電池，是一種二次電池。

陽極材料：____________

陰極材料：____________

電解質；_____________

單一鉛蓄電池電壓約為 伏特

4-12 放電過程：

全反應：

陽極變_____，陰極變_____

硫酸濃度變______

充電過程：

陽極變_____，陰極變_____

硫酸濃度變______

改良：將鉛板加入鈣，鉛鈣合金可使充電過程中，不產生________的反應，因此新型鉛蓄電 池可不必加水，並且可以密封，

例題 10 BCD

有關鉛蓄電池的敘述，何者正確？ (Ａ)放電時，陽極重量減輕，陰極重量增加 (Ｂ)充電時，

Pb 極要接直流電流的負極 (Ｃ)放電時，電解液的密度漸減 (Ｄ)充電時，電解液中硫酸濃度 漸增 (Ｅ)放電時，負極的鉛獲得電子生成硫酸鉛。

例題 11 B

有一鉛蓄電池以 0.40 安培的電流放電 5 小時，總共消耗了多少克鉛？（原子量：Pb＝207）

(Ａ) 0.128 (Ｂ) 7.72 (Ｃ) 14.0 (Ｄ) 15.4。

4-13 四、鋰離子電池：

1. 鋰離子電池：

可分為鋰離子電池及高分子鋰離子電池。

(1) 鋰離子電池：

材料

陽極(－)材料：

陰極(＋)材料：

電解液亦為溶於_____溶劑的過氯酸鋰 反應

陽極 LixC6(s) → x Li^＋(aq)＋C6(s)＋x e^－

陰極 LixC6(s)＋Li1－xCoO2(s) → C6(s)＋LiCoO2(s)

電壓：約 。 無記憶效應、重量輕 五、燃料電池：

 是一種將燃料的化學能直接轉換成電能的裝置。

 能量轉換效率：

傳統的火力發電最高約為 55％，燃料電池則是利用催化劑，使氫氣、甲烷、乙醇或汽油等 燃料與氧反應，直接產生電能，其能量轉換效率可達 80％以上。

 對環境的汙染也較火力發電為低。 例如：氫氧燃料電池的產物為水，乾淨無汙染。

 氫燃料電池：

陰、陽極材料：鉑(做催化劑) 陽極：

陰極：

全反應：

電壓：約 。

優點：低汙染，能量轉換效率高 缺點：

4-14 補充：

甲醇燃料電池：將甲醇化學能轉為電能 總反應：CH3OH(l)＋ 3

2 O^2(g) → CO2(g)＋2 H2O(l)

優點：

缺點：

例題 12 DE

燃料電池是太空飛行的重要能量來源，右圖的燃料電池是以氫與氧為 反應物，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，氫氧化鉀水溶液為電解液。根據化學電 池的原理，下列有關此電池的敘述，何者正確？（應選 2 項）

(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)電子在外電路的導線中，從氧化鎳極向鎳極移動 (D)電池放電時，氫氧化鉀水溶液中的 pH 值會逐漸下降 (E)只要持續提供氫氣與氧氣即可持續放電

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4-3 常見能源

4-3.1 火力發電

 主要燃燒化石燃料：煤、石油或天然氣。

 能量轉換：化學能 → 熱能 → 動能 → 電能

 台灣最主要的發電方式，約占 70%。

4-3.2 核能發電

 核能是潛藏在原子核內的能量，目前可透過 與 兩種核反應使其釋放出來。

 能量轉換方式：核能 → 熱能 → 動能 → 電能 一. 核分裂：(主要)

 反應：1

0n＋235

92U → 141

56Ba＋92

36Kr＋3 1

0n＋2×10¹³ J／mol

 鏈鎖反應：每次核分裂產生的中子可再撞擊其他鈾核，產生一連串反應。因此核反應會越來越 劇烈。為了吸收過多的中子，會使用鎘做控制棒，以控制核分裂反應。

二. 核融合：

 太陽內部不斷進行此種反應，

 目前核融合反應的研究是將氘( )和氚( )核融合成氦( )。

反應： T D → He n + 能量

 產物為氦，沒有核分裂產生核廢料的問題

 由於核融合反應需要極高的溫度及壓力，因此核融合技術目前仍致力於商業化的研究上。

4-16 三. 質能互換

在 1905 年提出理論－核反應時質量轉換成能量：

E 為能量(單位為焦耳)，m 為質量(單位為公斤)，c 為光速( 3×10⁸公尺/秒)。

四. 優缺點

優點： 缺點：

4-3.3 再生能源的利用

 再生能源係指可由大自然自行產生或補充的天然能源，例如：

、 、 、 、 、 。 例題 13 南一講義範例 (1) C；(2) B；(3) A

美國核化學家 Kenneth E. Gregorich 宣布，在勞倫斯－柏克萊國家實驗室的 88 英吋迴旋加速器上，

研究者用高能 86

36 Kr 離子轟擊 208

82 Pb 靶，氪核與鉛核融合，放出 1 個中子，形成了一種新元素 A；

120 微秒後，該 A 元素的原子核分裂出 1 個α粒子，蛻變成另一種新元素 B；600 微秒又釋放出 1 個α粒子，形成另一種新元素 C。

(1) 人們發現的新元素 A 的原子序為：

(A) 114 (B) 116 (C) 118 (D) 120 (E) 122 (2) 新元素 C 的原子核內的中子數為：

(A) 169 (B) 171 (C) 173 (D) 175 (E) 177 (3) 下列有關核能發電過程的敘述，何者錯誤？

(A)以慢中子撞擊約 3％的 238

92 U 而產生核分裂，放出熱能

(B)為了避免核分裂的連鎖反應過於迅速，所以要用控制棒吸收過剩中子 (C)藉著核分裂產生的熱能，而獲得高溫高壓的水蒸氣，帶動蒸汽機運轉 (D)蒸汽機的運轉，帶動發電機的轉動，產生電能

(E)核能發電產生的核廢料具有輻射性 例題 14 南一講義範例 C

核四廠興建與否的問題，對臺灣社會造成極大的衝擊。今有甲、乙、丙、丁四人分別提出以下看法，

試問哪些敘述正確？(甲)核能電廠具有高度危險性，最好蓋在人煙罕見的深山中；(乙)一般而言能量 變化大小為：核反應＞化學反應＞物理變化；(丙)核電廠使用核熔合反應，和原子彈相同；(丁)核電 廠以 235

92 U 為原料。

(A)甲乙 (B)乙丙丁 (C)乙丁 (D)甲乙丁 (E)甲乙丙 例題 15 南一講義範例 2.68×10⁸

若235

92 U 經慢中子撞擊分裂後，約有 0.1％質量損失，則 1 公斤的鈾 -235 產生核分裂反應後所放出 的能量可熔化 0 ℃的冰若干公斤？（已知冰的熔化熱＝80 cal／g）