工業化學概要　申論題歷屆試題與參考架構

114 年（考試時間 90 分鐘）　原卷 PDF

1. 1

   煉鋼是將生鐵（pig iron）中的雜質（碳、矽、磷、硫等）氧化除去，得到所需成分與性能的鋼（steel）。請回答下列問題：

   （一）寫出轉爐煉鋼過程中去除碳、矽與磷的主要化學反應式。（13 分）

   （二）請提出一項減少煉鋼過程二氧化碳排放的可能策略。（12 分）

   （25 分）

   參考架構・破題

   轉爐煉鋼（如氧氣頂吹轉爐，BOF）是向熔融生鐵吹入高純氧，使碳、矽、磷等雜質氧化，矽、磷成為爐渣，碳成為 CO／CO2 氣體逸出。第（二）小題則從低碳製程切入。

   完整答題架構與關鍵字：到站內看全文

2. 2

   在半導體製造中，晶圓（silicon wafer）需要經過多道化學程序，如氧化、蝕刻、摻雜與化學氣相沉積（Chemical Vapor Deposition, CVD）等，以形成微米或奈米級電路結構。這些過程高度仰賴精密的化學反應與控制。在一台單片式化學氣相沉積 （CVD）反應器中，以 SiH₄為前驅物於 700℃、1 Torr 進行多晶矽沉積。假設：SiH₄進料流量=100 cm3/min（以標準狀況計，STP）反應器中 SiH₄轉化率=20%只考慮在晶圓上沉積（忽略腔體壁面損失）200 mm 晶圓面積 A=314 cm2反應：SiH4 Si+2H2矽密度 ρSi=2.33 g/cm3，矽摩爾質量 MSi=28.0855 g/mol

   （一）求晶圓上沉積速率（以 nm/min 表示）。 （13 分）

   （二）若欲沉積 300 nm 厚度，需時間多久？（12 分）

   （25 分）

3. 3

   尿素是全球產量最高的含氮化學品之一，主要用作氮肥。工業上可由氨氣（NH₃）與二氧化碳（CO₂）反應製得。此反應是化肥工業利用 CO₂的重要範例。主要反應分兩步進行：

   ⑴形成碳酸氨（中間產物） ：2NH3 + CO2  NH2COONH4

   ⑵脫水生成尿素：NH2COONH4  NH2CONH2 + H2O請回答下列問題：

   （一）寫出整體反應的化學方程式。（6 分）

   （二）若以 1 mol CO2 為原料且反應完全，理論上可生成多少 mol 尿素？（6 分）

   （三）若工廠每天捕集 88 kg CO2，請計算理論上可生產多少公斤尿素？（6 分）（已知尿素摩爾質量 = 60.06 g/mol）

   （四）試說明此製程在環境保護上的兩項意義。 （7 分）

   （25 分）

4. 4

   氫氣（H₂）是化學工業中常見的原料氣體，具有可燃性。在空氣中，氫氣濃度介於 4%～75%（體積比）時，遇到火源會發生爆炸。某儲氣室體積為 100 m3，若其中洩漏出 0.8 kg 氫氣，請判斷此時氫氣濃度是否達到爆炸下限（4%） 。已知條件：標準狀況下（STP）：1 mol 氣體體積=22.4 L氫氣摩爾質量=2.016 g/mol假設氣體在室內均勻混合，不洩漏到外界。請回答下列問題：

   （一）計算洩漏的氫氣物質的量（mol）。（8 分）

   （二）求出氫氣的體積（m3）。（8 分）

   （三）計算氫氣在室內空氣中的體積百分比，並判斷是否超過爆炸下限。 （9 分）

   （25 分）

113 年（考試時間 90 分鐘）　原卷 PDF

1. 1

   在淨零碳排的議題下，二氧化碳的捕捉、儲存與利用（carbon capture, utilization and storage）為重要的技術之一，請分別舉例說明此三項技術的涵義和方法。（25 分）

   （25 分）

   參考架構・破題

   CCUS 是淨零碳排的重要技術，分為捕捉（Capture）、儲存（Storage）與利用（Utilization）三部分。答題應先給定義，再各舉方法與實例，並說明彼此關係。

   完整答題架構與關鍵字：到站內看全文

2. 2

   聚對苯二甲酸乙烯酯（polyethylene terephthalate, PET）為重要的聚合物之一，廣泛使用於寶特瓶以及聚酯纖維之中，但面對淨零碳排的議題，PET 也面臨碳足跡的挑戰。請以 PET 為例，從其原料面說明高分子產品應對減少產品碳足跡的途徑。（25 分）

   （25 分）

   參考架構・破題

   PET 由對苯二甲酸（PTA）與乙二醇（MEG）縮合聚合而成，碳足跡主要來自石化原料與製程能耗。本題要求從「原料面」談降低產品碳足跡的途徑。

   完整答題架構與關鍵字：到站內看全文

3. 3

   超高純度的化學品因其價格高，為相關產品高值化的關鍵之一，請問：

   （一）所謂的純度 5 N，是指此一化學品的純度達多少以上？（5 分）

   （二）製造高純度電子級硫酸一般採用接觸法，請說明接觸法的製造程序以及應用接觸法生產高純度硫酸所需要特別留意的關鍵因子。 （20 分）

   （25 分）

   參考架構・破題

   高純度化學品是電子與半導體產業的關鍵材料。純度用 N 表示：N 代表純度中 9 的個數。第（二）小題需完整說明接觸法製程並強調高純度控制。

   完整答題架構與關鍵字：到站內看全文

4. 4

   石油裂煉將分子量較高的化學品轉換成分子量較低的分子，例如輕油裂解係以輕油為原料生產下游產品，請說明：

   （一）輕油裂解在石油化學工業中的上下游角色。（7 分）

   （二）列舉 3 種輕油裂解的產品及其用途。（18 分）

   （25 分）

   參考架構・破題

   輕油裂解（naphtha cracking）將石油煉製所得輕油（石油腦）在高溫、蒸汽存在下熱裂解，產出乙烯、丙烯、丁二烯與芳香烴等基本石化原料，是石化工業的上游核心。

   完整答題架構與關鍵字：到站內看全文

112 年（考試時間 90 分鐘）　原卷 PDF

1. 1

   惰化處理（Inerting）在工廠或儲油設施中，是一常會使用的程序。一般採用氮氣/空氣置換管線或儲槽原有的物質。請回答下列各子題：

   （一）此種處理使用的時機與目的。（10 分）

   （二）依原先用來儲存甲烷液體的儲槽準備做惰化處理。首先將儲槽降至常壓 1.01×105 pa，回溫到室溫 25℃，使槽內僅剩下常壓常溫的氣體甲烷。然後在槽內導入液氮至槽底，讓揮發上升的氮氣以柱狀流的方式將甲烷推出。假設揮發的氮氣可以很迅速的在槽內達到常溫常壓。儲槽的體積是 7000 m3，液氮的密度是 807 kg/m3。請問最少需要多少 kg 液氮？多少 m3 液氮？本題牽涉到的氣體均可視為理想氣體。氣體常數： R  8.314 pa  m3 /mol  K 。（15 分）

   （25 分）

2. 2

   丁苯橡膠（SBR）是一種用途廣泛的橡膠，請回答下列各子題：

   （一）製造丁苯橡膠的兩種單體的名稱與其化學結構。（5 分）

   （二）請寫出聚合體的化學式，包括可能之異構物。（5 分）

   （三）舉出丁苯橡膠的特性及主要用途。 （5 分）

   （四）橡膠製程中常加入硫或含硫化合物，其主要功能為何？請以化學式輔助說明。（10 分）

   （25 分）

   參考架構・破題

   丁苯橡膠（SBR）由 1,3-丁二烯與苯乙烯共聚合而成，是產量最大的通用合成橡膠。四小題依單體、聚合物式、特性用途、硫化依序回答。

   完整答題架構與關鍵字：到站內看全文

3. 3

   甲苯二異氰酸酯與多元醇可以製備聚氨基甲酸酯泡棉，請回答下列各子題：

   （一）請寫出甲苯二異氰酸酯之化學式。 （6 分）

   （二）請寫出多元醇（由環氧乙烷聚合之聚醚型二醇化合物）之化學式。（6 分）

   （三）請寫出聚氨基甲酸酯之聚合反應式。（10 分）

   （四）上述反應產生發泡之 CO2 的機制為何？（3 分）

   （25 分）

   參考架構・破題

   聚氨基甲酸酯（聚胺酯，PU）由二異氰酸酯與多元醇加成聚合而成，異氰酸酯基與羥基生成胺基甲酸酯鍵（-NH-CO-O-）；發泡則靠異氰酸酯與水反應放出 CO2。

   完整答題架構與關鍵字：到站內看全文

4. 4

   以葡萄糖為原料生產果糖須用酵素葡萄糖異構酶，請回答下列各子題：

   （一）酵素是以何種生化物質構成？（5 分）

   （二）酵素在此一轉化反應中扮演何種角色？（5 分）

   （三）試說明酵素的生產方式。（5 分）

   （四）請說明酵素固定化的方式及其相對於非固定化酵素之優點。（10 分）

   （25 分）

   參考架構・破題

   葡萄糖異構酶（glucose isomerase）催化葡萄糖轉變為果糖，是高果糖糖漿（HFCS）的關鍵。本題四小題涵蓋酵素本質、催化角色、生產與固定化。

   完整答題架構與關鍵字：到站內看全文

111 年（考試時間 90 分鐘）　原卷 PDF

1. 1

   何謂碳黑？碳黑的工業生產方法有那幾種？請舉出三項碳黑的應用。（25 分）

   （25 分）

   參考架構・破題

   碳黑（carbon black）是烴類不完全燃燒或熱裂解所得的近乎純碳之細微粒子，主要用途是橡膠補強。答題依定義、製法、應用三段。

   完整答題架構與關鍵字：到站內看全文

2. 2

   何謂薄膜分離技術？薄膜分離技術具有什麼特點？請舉出三種常見的薄膜分離應用範例。（25 分）

   （25 分）

   參考架構・破題

   薄膜分離技術是利用具選擇透過性的薄膜，在壓力差、濃度差、電位差等驅動力下，使混合物中不同成分透過速率不同而分離。答題依定義、特點、實例三段。

   完整答題架構與關鍵字：到站內看全文

3. 3

   何謂生物可降解高分子？生物可降解高分子應用在包裝材料為何比較環保？生物可降解高分子應用於生物支架有什麼優點？（25 分）

   （25 分）

   參考架構・破題

   生物可降解高分子是在自然環境中，經微生物（細菌、真菌）或酵素作用，最終分解為 CO2、水與生質的高分子。答題依定義、包裝環保性、生物支架優點三段。

   完整答題架構與關鍵字：到站內看全文

4. 4

   酵素是一種生物催化劑，請問酵素與一般無機催化劑的不同之處為何？酵素可以依照其催化反應分類，請舉出三種類型。酵素在工業中也被廣泛使用，請舉出三種應用。（25 分）

   （25 分）

   參考架構・破題

   酵素是生物體產生的蛋白質催化劑，能在溫和條件下高度專一地加速反應。本題三問：與無機催化劑的差異、依催化反應的分類、工業應用，各約占三分之一篇幅。

   完整答題架構與關鍵字：到站內看全文

110 年（考試時間 90 分鐘）　原卷 PDF

1. 1

   化學工業在生產過程中多以燃燒物質產生能源，並輔以汽電共生方式使用，請說明汽電共生之方法以及優點。（25 分）

   （25 分）

   參考架構・破題

   汽電共生（Cogeneration）是同一份燃料同時產生電力與熱能（蒸氣）的系統，把發電後的餘熱回收利用，提高整體能源效率。作答重點是方法（系統型態與流程）與優點。

   完整答題架構與關鍵字：到站內看全文

2. 2

   光阻劑是積體電路中微影製程的關鍵材料，其主要組成成分為何？光阻劑又可分為正型光阻劑和負型光阻劑，請問其差異為何？（25 分）

   （25 分）

   參考架構・破題

   光阻劑是微影製程中用來轉印電路圖案的感光材料，經曝光後溶解度改變，形成圖案供後續蝕刻或離子植入。本題要答主要組成與正、負型的差異。

   完整答題架構與關鍵字：到站內看全文

3. 3

   天然橡膠是一種有彈性的高分子聚合物，其主要成分為何？為何天然橡膠在聚合後還要再使用硫化方式加工？硫化後的橡膠具有什麼優點？（25 分）

   （25 分）

   參考架構・破題

   天然橡膠主要是順式-1,4-聚異戊二烯，未加工前分子鏈間只有弱作用力，強度、彈性與耐熱性均不足。硫化是以硫使高分子鏈間形成交聯，改善物性。本題依序答成分、硫化理由、硫化優點。

   完整答題架構與關鍵字：到站內看全文

4. 4

   PET（Polyethylene Terephthalate，聚對苯二甲酸乙二酯）是飲料與食品包材常見的塑料，也是廣泛回收的塑膠；PET 回收的方法可分為物理及化學法。

   （一）請描述物理回收步驟或程序。（12 分）

   （二）請列舉二種化學回收法。 （8 分）

   （三）化學回收法相較於物理回收法有何優越之處？（5 分）

   （25 分）

   參考架構・破題

   PET 是聚酯類熱塑性塑膠，回收分為物理回收（維持高分子鏈，只改變形態）與化學回收（解聚成單體或低聚物再聚合）。本題分三小問，依配分分配篇幅。

   完整答題架構與關鍵字：到站內看全文

107 年（考試時間 90 分鐘）　原卷 PDF

1. 1

   PE、PP、PS 和 PVC 塑膠的主要單體各為何？又 PU 是指何聚合物？（15 分）

   （15 分）

   參考架構・破題

   本題考常見泛用塑膠的單體來源與命名，先逐一寫出單體名稱與結構式（或化學式），再說明 PU 屬縮合（加成聚合）型的聚胺酯，並點出其鍵結特徵。

   完整答題架構與關鍵字：到站內看全文

2. 2

   肥料之三要素為何？又何謂單肥及複肥？（10 分）

   （10 分）

   參考架構・破題

   肥料三要素指植物需求量大、土壤常不足而須以肥料補充的氮、磷、鉀；單肥與複肥則依所含主要養分種類數區分。

   完整答題架構與關鍵字：到站內看全文

3. 3

   請寫出電解食鹽水的化學反應方程式。又陰極產生的產物為何？陽極產生的產物為何？（20 分）

   （20 分）

   參考架構・破題

   電解食鹽水（氯鹼工業）同時生產氯氣、氫氣與氫氧化鈉，答題要寫出總反應式、陰陽兩極半反應，並說明各極產物。

   完整答題架構與關鍵字：到站內看全文

4. 4

   二甲苯（Xylene）有那三種同分異構物？又其結構式分別為何？（15 分）

   （15 分）

   參考架構・破題

   二甲苯為苯環上接兩個甲基的 C8H10 芳香烴，依兩甲基在環上的相對位置分為鄰、間、對三種位置異構物，答題重點在名稱與結構式正確。

   完整答題架構與關鍵字：到站內看全文

5. 5

   油脂之碘價（Iodine value）的定義為何？又碘價愈高表示油脂的不飽和鍵愈少或愈多？（10 分）

   （10 分）

   參考架構・破題

   碘價是衡量油脂不飽和程度的指標，碘會加成到碳碳雙鍵上，故碘價愈高表示不飽和鍵愈多。

   完整答題架構與關鍵字：到站內看全文

6. 6

   原油分餾是基於物質那一種物理性質的差異？又萃取是基於物質那一種物理性質的差異？（10 分）

   （10 分）

   參考架構・破題

   兩種分離操作各依賴不同的物理性質：原油分餾利用各成分沸點（揮發度）不同；萃取利用物質在兩不互溶溶劑中溶解度（分配係數）不同。

   完整答題架構與關鍵字：到站內看全文

7. 7

   塗料通常是由那些成份所組成的？（10 分）

   （10 分）

   參考架構・破題

   塗料是能在物體表面形成連續保護與裝飾膜的材料，基本由成膜物質（樹脂）、顏料、溶劑與添加劑四大成分組成，答題要寫出各成分的功能與例子。

   完整答題架構與關鍵字：到站內看全文

8. 8

   工業上廢水處理的方法，依操作原理的不同，可分為那三大類？（10 分）

   （10 分）

   參考架構・破題

   廢水處理依操作原理分為物理處理、化學處理與生物處理三大類，答題要寫出各類原理、代表單元與去除對象。

   完整答題架構與關鍵字：到站內看全文

106 年（考試時間 120 分鐘）　原卷 PDF

1. 1

   一個鍋爐以甲烷及 20%過量空氣燃燒來運作，進料氣體皆處於 25℃。°甲烷 + 氧 Æ 二氧化碳 + 水， Δ H 298 = -191760 cal/g-mol CH4假設甲烷完全反應：

   （一）寫出化學反應式。 （5 分）

   （二）求出口氣體組成。 （10 分）

   （三）求理論上最高可達到之火焰溫度。（10 分）相關氣體之莫耳熱容量(CP)估算方法如下：CP = α + βT，其中 T 的單位：oK，CP 的單位：cal/(g-mol)( oK)各成分的α , β值如下表：化學成分名稱 α β CH4 3.381 18.044 × 10-3 O2 7.16 1.00 × 10-3 N2 6.83 0.90 × 10-3 H2 O 7.30 2.46 × 10-3 CO2 10.57 2.10 × 10-3

   （25 分）

   本題含圖表或公式，請對照原卷 PDF。

2. 2

   說明下列以乙烯為起始原料之乙烯系列石油化學工業相關的問題：

   （一）說明氯乙烯製程。（8 分）

   （二）說明醋酸製程。（8 分）

   （三）說明乙醇製程。（9 分）

   （25 分）

   參考架構・破題

   乙烯是石化工業最重要的基礎原料，本題要依小題分別說明由乙烯出發製氯乙烯、醋酸、乙醇的反應路徑、觸媒與條件特點，每段以反應式為主軸。

   完整答題架構與關鍵字：到站內看全文

3. 3

   製備氨氣之反應式如下：N2 + 3 H2 ↔2 NH3 ΔHo = -45.8 kJ/mol NH3

   （一）要得到較高的氨氣平衡濃度，反應溫度應該高還是低？反應之壓力應該高還是低？（5 分）

   （二）要得到較高的反應速率，反應溫度應該高還是低？反應之壓力應該高還是低？（5 分）

   （10 分）

   參考架構・破題

   本題考勒沙特列原理（平衡）與動力學（速率）在哈柏法合成氨的應用，兩者對溫度的要求互相矛盾，這是答題亮點。

   完整答題架構與關鍵字：到站內看全文

4. 4

   氯氣的生產常用電解食鹽水的方式，回答下列與此工業有關之問題：

   （一）寫出薄膜法之陰陽極之半反應式。（10 分）

   （二）薄膜之材質為何？對比於石綿隔膜的優點為何？（10 分）

   （20 分）

   參考架構・破題

   離子交換膜法是現行氯鹼工業主流，答題先寫陰陽極半反應與總反應，再說明全氟離子交換膜的材質、選擇性透過原理，以及相較石綿隔膜的優點。

   完整答題架構與關鍵字：到站內看全文

5. 5

   將鋼鐵廠排放之二氧化碳回收，是現今減少溫室氣體排放之重要課題。

   （一）說明減少溫室氣體排放的重要性。（10 分）

   （二）列舉工業應用中，兩種常見用來吸收二氧化碳的溶液。（10 分）

   （20 分）

   參考架構・破題

   鋼鐵業是工業部門主要二氧化碳排放源之一，本題前半說明減碳的環境與國際政策重要性，後半列舉化學吸收法常用的吸收液並寫出吸收反應。

   完整答題架構與關鍵字：到站內看全文

其他等別的「工業化學概要」

• 工業化學概要（普通考試）（62 題）