民國114年 普通考試 化學工程 工業化學概要考古題
民國114年 普通考試 化學工程 工業化學概要收錄考選部官方試題，共 6 題可線上瀏覽，考選部未公告本科目答案。
題目與答案
請說明脂肪分解酵素（lipase）將污染物與被污染物分離的清洗原理。（10 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、定義與作用位置：脂肪分解酵素（lipase，三醯甘油酯水解酶）能在油水界面水解三酸甘油酯（triglyceride）的酯鍵，將油脂分解為雙酸甘油酯、單酸甘油酯、游離脂肪酸與甘油；清洗時並非把油「溶解」，而是把附著性強的大分子油脂切成較親水、較易被界面活性劑帶走的小分子。
- 二、清洗機制：lipase 先吸附於油污與水相接處，進行界面酵素催化；水解產物含羧基與羥基，具兩親性，可與配方中的界面活性劑共同乳化、增溶油污，降低油膜對基材的黏附，使油污在機械力與沖洗下剝離，達到「污染物與被污染物分離」的效果。
- 三、應用與操作條件：常用於洗衣精、洗碗精、蔬果清洗、隱形眼鏡清潔液、醫療器械與超過濾膜清洗；典型操作為中性至弱鹼性（pH 7～10）、中溫（約 20～60 ℃），並需與相容的界面活性劑、蛋白酶或澱粉酶複配，避免高溫、強酸強鹼及氧化劑使酵素變性。
- 四、限制與配方考量：lipase 主要針對三酸甘油酯，對礦物油、矽油、蛋白質或澱粉污垢效果有限；反應需足夠接觸時間，低溫或高油負荷時效率下降，且游離脂肪酸可能殘留。實務上須以酵素活性、基材相容性、儲存安定性與成本進行配方設計，並以沖洗水量與水質評估整體清洗效率。
請回答下列有關電子材料工業的問題。（每小題3 分，共12 分）
「電漿蝕刻（plasma etching）」是屬於「濕蝕刻（wet etching）」還是屬
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、電漿蝕刻（plasma etching）屬於乾蝕刻（dry etching）。其原理是在真空腔體中通入含氟或含氯氣體，以射頻電場游離氣體，產生電子、離子、自由基與激態分子；自由基與被蝕刻材料發生化學反應，離子則以動能撞擊表面，生成揮發性產物並由真空泵抽除，全程不以液態蝕刻液浸泡晶圓。
- 二、選擇性：一般而言，濕蝕刻對不同材料具有較高的選擇性。因濕蝕刻主要靠特定化學反應速率差異，可選用只溶解某種材料而不侵蝕遮罩或底層的蝕刻液；乾蝕刻若含物理濺射成分，離子轟擊對材料較不具化學選擇性，雖可藉氣體配方與製程參數調整，但通常選擇性較濕蝕刻低。
- 三、濕蝕刻的等向性：濕蝕刻通常屬於等向性（isotropic）蝕刻，蝕刻液會向各方向均勻侵蝕，除縱向深度外亦產生側向蝕刻（under-cut），使線寬失真；但單晶矽以 KOH、TMAH 等進行晶向選擇性蝕刻時，會因不同晶面原子密度與反應速率不同而呈現非等向性，這是重要例外。
- 四、乾蝕刻的等向性：乾蝕刻一般歸類為非等向性（anisotropic）蝕刻，尤其反應性離子蝕刻（reactive ion etching, RIE）藉垂直電場加速離子，使縱向蝕刻速率遠大於側向，可形成接近垂直的側壁；若以自由基為主的電漿蝕刻，化學反應仍可能造成等向性蝕刻，故須依氣體、壓力與偏壓判定。
於「乾蝕刻（dry etching）」？
「濕蝕刻」和「乾蝕刻」何者對不同材料會有較高的選擇性？
「濕蝕刻」是屬於「等向性（isotropic）蝕刻」還是屬於「非等向性
（anisotropic）蝕刻」？
「乾蝕刻」是屬於「等向性（isotropic）蝕刻」還是屬於「非等向性
（anisotropic）蝕刻」？
請回答下列有關染料的問題。（每小題6 分，共18 分）
直接染料的化學結構主要包含那些基團？
酸性染料和鹽基性染料的差異性。
何謂「氧化染料（oxidation dyestuff）」？
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、直接染料（direct dye）的結構基團：直接染料多為線性、平面且共軛的偶氮染料（azo dye），分子中含偶氮基（－N＝N－）、磺酸鈉基（－SO3Na）、羥基（－OH）、氨基（－NH2）或醯胺基；磺酸基提供水溶性與陰離子性，羥基與氨基則可與纖維素纖維形成氫鍵與凡得瓦力，故可不上媒染劑而直接染棉、紙張。
- 二、酸性染料（acid dye）：屬陰離子性染料，主要含磺酸基或羧酸基，於酸性染浴中解離為陰離子，與羊毛、蠶絲、尼龍等纖維上質子化的氨基（－NH3+）形成離子鍵；其色相鮮豔、染色方法簡單，常用於羊毛、皮革、紙張與尼龍，但對棉纖維親和力低，耐水洗性亦視結構而定。
- 三、鹽基性染料（basic dye）：屬陽離子性染料，分子含四級銨或可質子化的氨基，染色時帶正電的染料陽離子與纖維上的羧酸根、磺酸根等陰離子位置結合；對聚丙烯腈（acrylic）、羊毛、蠶絲、紙張及改性聚酯具親和力，色澤濃豔，但耐光與耐水洗性常較酸性染料差，且對鹼敏感。
- 四、氧化染料（oxidation dyestuff）：指染料前驅物（如苯胺、酚類、對苯二胺）本身無色或色淺，先滲入纖維或毛髮，再以空氣、過氧化氫或重鉻酸鹽等氧化劑在纖維內部原位氧化、偶合，生成不溶性有色色素而固著；毛髮染髮劑與苯胺黑（aniline black）為典型，優點是耐洗，缺點是氧化條件與安全控制較嚴格。
請回答下列有關塑膠工業的問題。
請寫出酚和甲醛反應生成2-羥基苄醇（2-（hydroxymethyl）phenol）的
加成反應化學反應式。（5 分）
請寫出2 個2-羥基苄醇分子進行縮合反應的化學反應式。（5 分）
由酚和甲醛聚合可得Novolak 樹脂、Resol 樹脂和cast 樹脂，請說明
三者的差異處。（10 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、加成反應：酚（C6H5OH）在鹼催化下形成酚氧負離子，對甲醛（HCHO）進行親核加成，於鄰位或對位生成羥甲基酚；題目所指 2-羥基苄醇（2-(hydroxymethyl)phenol）為鄰位產物，反應式可寫為 C6H5OH + HCHO → 2-HOCH2C6H4OH，常溫至約 60～80 ℃、鹼性條件下進行，並伴生對位異構物。
- 二、縮合反應：兩個 2-羥基苄醇分子可脫去一分子水，其中一個羥甲基與另一分子的苯環氫進行親電取代，形成亞甲基橋（－CH2－）而鏈增長，反應式可寫為 2 HOCH2C6H4OH → HOCH2C6H3(OH)-CH2-C6H4OH + H2O；若兩羥甲基直接脫水，亦可能生成二苄醚橋（－CH2－O－CH2－），加熱後可再轉為亞甲基橋。
- 三、Novolak（線性酚醛）樹脂：通常以酸催化、酚過量（甲醛／酚莫耳比小於 1）製得，分子鏈為線性或少支化的熱塑性預聚物，末端少有羥甲基，常溫下可溶可熔；因本身不會自交聯，成形時須加入六亞甲基四胺（hexamethylenetetramine, HMTA）等硬化劑，加熱後形成網狀結構，常用於模塑粉、砂輪黏結劑與摩擦材料。
- 四、Resol（甲階酚醛）樹脂：通常以鹼催化、甲醛過量（甲醛／酚莫耳比大於 1）製得，分子中含較多羥甲基與醚橋，屬可自交聯的熱固性預聚物；加熱或加酸即可進一步縮合硬化，未硬化前可溶於水或醇，常用於合板膠、塗料、層壓板與鑄造黏結劑，儲存安定性較 Novolak 差。
- 五、Cast（澆鑄）樹脂：cast resin 並非與前兩者完全並列的反應型態，而是將可流動的酚醛預聚物（多為 Resol 型或經調整的系統）澆鑄入模具，於較低溫度或觸媒作用下固化成型；因不含大量填料，成品常呈透明琥珀色，具良好電絕緣性與尺寸安定性，用於電器零件、把手、裝飾品與實驗檯面等。
請回答下列有關工業化學污染防治的問題。
請寫出形成酸雨的化學反應式。（12 分）
如何以旋風分離器控制粒狀污染物？（8 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、酸雨的形成與硫氧化物：化石燃料中的硫燃燒生成二氧化硫，S + O2 → SO2；SO2 在大氣中可被羥基自由基或臭氧氧化，亦可經催化氧化為 SO3，2 SO2 + O2 → 2 SO3；SO3 遇水生成硫酸，SO3 + H2O → H2SO4；SO2 溶於水先形成亞硫酸，SO2 + H2O → H2SO3，再氧化為硫酸，2 H2SO3 + O2 → 2 H2SO4。
- 二、氮氧化物的氧化：高溫燃燒使空氣中的氮與氧反應，N2 + O2 → 2 NO；NO 在大氣中迅速被氧化為 NO2，2 NO + O2 → 2 NO2；NO2 溶於水生成硝酸與亞硝酸，3 NO2 + H2O → 2 HNO3 + NO，或 2 NO2 + H2O → HNO3 + HNO2。硫、氮氧化物經雲雨吸收後降下，使雨水 pH 值低於約 5.6，即為酸雨。
- 三、酸雨的環境意義：酸雨主要由硫酸與硝酸貢獻，會使土壤與湖泊酸化、溶出鋁離子而危害魚類，亦腐蝕建築石材、金屬與古蹟，並影響森林生長；其前驅物可長距離傳輸，故防治須採低硫燃料、排煙脫硫（flue gas desulfurization, FGD）、低氮燃燒與選擇性觸媒還原（selective catalytic reduction, SCR）等區域性與跨國策略。
- 四、旋風分離器（cyclone separator）的構造與原理：含塵氣體由圓筒上部切線方向進入，形成高速旋轉之外渦流；粒狀污染物受離心力作用被甩向筒壁，與氣流分離後沿壁面落下，經錐形底部進入集塵斗；淨化氣體則在中心形成上升之內渦流，由頂部排氣管排出。其分離動力主要為離心力，而非重力或濾材。
- 五、操作影響與限制：旋風分離器的效率隨粒徑、密度、入口風速與筒體直徑而變；粒徑愈大、密度愈高、風速愈大者愈易分離，但風速過高會增加壓降與磨損，且細顆粒（約小於 5～10 μm）效率明顯下降。實務上常作為預除塵器，再串接袋式集塵器或靜電集塵器，以兼顧效率與能耗。
請回答下列有關冶金工業的問題。
在鋼的冶煉方面，煉鋼的目的是什麼？（5 分）
何謂碳鋼？（5 分）
在鐵的冶煉過程中，加入石灰石的目的是什麼？請寫出加入石灰石煉
鐵所牽涉的化學反應式。（10 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、煉鋼的目的：煉鋼是將生鐵中的碳含量降低並去除雜質，經氧化吹煉使碳、矽、錳、磷、硫等元素氧化進入爐渣或氣相，再以鋁、矽、錳等脫氧，調整合金成分與溫度，除去氣體與非金屬夾雜物，使鋼材獲得適當的強度、韌性、加工性與潔淨度。
- 二、碳鋼的定義：碳鋼（carbon steel）係以鐵為基材、以碳為主要合金元素，碳含量約 0.02～2.0%（實用上多低於 1.7%），除少量錳、矽、磷、硫等常存元素外，不刻意添加鉻、鎳、鉬等合金元素；依碳量可分低碳鋼、中碳鋼與高碳鋼，碳量愈高強度與硬度愈高，延性與焊接性則下降。
- 三、石灰石的作用：石灰石（CaCO3）在鼓風爐（blast furnace）高溫區分解為生石灰與二氧化碳，CaCO3 → CaO + CO2；CaO 作為助熔劑（flux），與鐵礦中的二氧化矽、氧化鋁等酸性脈石反應生成低熔點爐渣，CaO + SiO2 → CaSiO3、CaO + Al2O3 → CaO·Al2O3，使爐渣易流動、易與鐵水分離。
- 四、脫硫與爐渣控制：石灰石可提高爐渣鹼度、促進脫硫，CaO + FeS → CaS + FeO，使硫進入爐渣而減少鐵水含硫；若在煉鋼爐中，石灰另可與磷氧化物結合，3 CaO + P2O5 → Ca3(PO4)2，形成安定磷酸鈣爐渣。加入量須依礦石成分與爐渣鹼度調整，過多會使爐渣黏稠、增加渣量與能耗。