民國114年 地方三等 化學工程 化學程序工業（包括質能均衡、分析化學、儀器分析）考古題
民國114年 地方三等 化學工程 化學程序工業（包括質能均衡、分析化學、儀器分析）收錄考選部官方試題，共 5 題可線上瀏覽，考選部未公告本科目答案。
題目與答案
某一硫酸工廠使用連續進料的攪拌槽將85（w/w%）溫度為60℉的硫酸
水溶液及溫度為100℉的水混合產生30（w/w%）溫度為140℉的稀硫酸
水溶液應用於金屬表面處理製程，請計算：
一磅重初始硫酸水溶液需多少磅重的純水與其混合？（6 分）
若每小時需產製5000 磅重的硫酸水溶液，則此混合之每小時反應熱
為何？（請利用下圖資訊計算）（14 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、質量平衡與稀釋比：85（w/w%）硫酸表示每磅溶液含0.85磅H2SO4。設每磅85%酸需加入W磅純水，由溶質守恆可得0.85×1＝0.30×(1＋W)，解得1＋W＝2.8333，因此W＝1.833磅水／磅初始酸液。
- 二、每小時物料量：欲產製5000磅／小時的30%產品，85%酸進料量為5000×0.30÷0.85＝1764.7磅／小時；純水進料量為5000－1764.7＝3235.3磅／小時，或1764.7×1.833＝3235.3磅／小時，兩者相符。
- 三、熱量衡算架構：穩態下Q＝Σout m_i h_i－Σin m_i h_i，其中h為各股物流之比焓（Btu/lb）。需由硫酸－水焓－濃度圖讀取85%、60℉酸液，純水100℉，以及30%、140℉產品之焓值，再乘上各股質量流率。
- 四、數值判定：題目所稱「下圖」未隨題提供，缺少各濃度與溫度之焓值，題目資料缺漏，無法得出唯一數值；考生應明確列出讀圖值後代入上式，不得自行捏造熱量數值。若算出Q為負值，表示混合放熱，即為每小時應移去之反應熱（稀釋熱）。
- 五、工程意義：濃硫酸加水稀釋會大量放熱，局部過熱可能造成酸液飛濺與設備腐蝕；連續攪拌槽應設置冷卻盤管、溫度控制與攪拌，並以線上濃度計監控30%產品。若Q為正值則需供熱保溫，實際設計仍須以完整焓圖與熱損失校正。
某光電科技公司致力於生產高效率矽晶太陽能電池，製程中涉及矽晶片
的蝕刻、清洗與薄膜沉積等步驟，並需使用到如氫氟酸（HF）等高腐蝕
性化學品。
請詳述矽晶太陽能電池製程中，化學蝕刻（Chemical Etching）的主要
目的及原理。（6 分）
製程中會用到氫氟酸（HF），從工業安全角度，請試述氫氟酸洩漏或
接觸對人體的危害機制與緊急應變措施，並從污染防治角度說明含氟
廢水處理程序與原理。（14 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、化學蝕刻目的：去除矽晶片切割、研磨造成之機械損傷層與表面金屬、有機污染；在單晶矽(100)面製作隨機金字塔絨面，增加光入射路徑與光捕捉、降低反射；並可移除邊緣漏電層或犧牲層，改善後續鈍化與薄膜附著。
- 二、蝕刻原理：鹼性蝕刻常用KOH或NaOH加IPA，Si被OH−氧化並以矽酸鹽溶解：Si＋2OH−＋H2O→SiO3^2−＋2H2；因(111)面原子鍵密度高、蝕刻速率慢，(100)面快，故形成非等向性金字塔。酸性HF/HNO3則以HNO3氧化Si、HF溶解SiO2，屬等向性蝕刻。
- 三、氫氟酸危害機制：HF雖為弱酸，但F−具高穿透性，接觸皮膚後可深入組織，與Ca2+、Mg2+結合形成CaF2、MgF2，造成細胞壞死、低血鈣、低血鎂、心律不整甚至死亡；吸入酸霧可致呼吸道灼傷與肺水腫，眼睛接觸可致角膜損傷，且疼痛可能延遲出現。
- 四、緊急應變：立即疏散人員、通風並穿戴防護具；皮膚或眼睛接觸以大量清水沖洗至少15分鐘，脫除污染衣物，皮膚塗2.5%葡萄糖酸鈣凝膠並立即就醫；吸入者給氧、必要時霧化鈣劑。洩漏以蛭石、砂或專用吸附棉圍堵，避免流入排水，以石灰或碳酸鈉中和後收集為有害廢棄物並通報。
- 五、含氟廢水處理：先將含氟廢水與其他廢水分流，加入石灰乳或CaCl2，使Ca2+與F−生成CaF2(s)沉澱，控制pH約8.5-9.5並維持鈣過量；再以PAC混凝、PAM助凝，經沉澱、砂濾去除懸浮固體。為達放流水標準，可串聯鋁鹽吸附、離子交換或逆滲透深度除氟；污泥脫水後依有害事業廢棄物規定處置。
某未知含氯固體樣品約0.2500 公克，將此樣品溶於水中後加入足量硝酸
銀（AgNO3，分子量169.9 公克/莫耳）溶液，使氯離子完全以AgCl(s)形
式沉澱。再經過濾、洗滌與烘乾後，得到純乾燥的AgCl 沉澱物0.3421
公克。已知原子量：Ag=107.9，Cl=35.5。
請寫出沉澱反應的離子反應式。（3 分）
請計算樣品中Cl⁻的重量百分比（w/w%）。（7 分）
若此未知樣品理論上應為純氯化鈉（NaCl；原子量Na=23.0），請計算
此樣品中「氯化鈉NaCl 的純度」（請以重量百分比表示）。（10 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、離子反應式：Ag+(aq)＋Cl−(aq)→AgCl(s)↓；若寫完整分子式為AgNO3(aq)＋Cl−(aq)→AgCl(s)＋NO3−(aq)。硝酸酸化可避免CO3^2−、OH−等與Ag+產生干擾沉澱。
- 二、AgCl莫耳數：M(AgCl)＝107.9＋35.5＝143.4 g/mol；n(AgCl)＝0.3421÷143.4＝2.386×10−3 mol。由反應計量可知n(Cl−)＝n(AgCl)。
- 三、氯重量與百分比：m(Cl)＝2.386×10−3×35.5＝0.08469 g；w/w%＝0.08469÷0.2500×100＝33.88%（約33.9%）。
- 四、NaCl純度：若氯全來自NaCl，n(NaCl)＝2.386×10−3 mol，M(NaCl)＝58.5 g/mol，m(NaCl)＝0.1396 g；純度＝0.1396÷0.2500×100＝55.82%。
- 五、結果判讀：樣品中氯含量33.88%，低於純NaCl的60.68%，故以NaCl計之純度僅55.82%，其餘44.18%可為惰性物、水分或其他不含氯成分；若含其他氯化物，則此值為「以NaCl表示」之表觀純度。
A廠商購買一批原料，只知原料中可能含有Na2CO3（分子量為106.0 g/mol）、
NaHCO3（分子量為84.0 g/mol）及NaOH（分子量為40.0 g/mol）。以雙指
示劑滴定法分析，使用0.10 M 的HCl 溶液為滴定液。取試樣1.0 g 溶於
25 mL 水中，當滴定達到酚酞（phenolphthalein）終點時須HCl 溶液18 mL。
另取試樣1.0 g 溶於25 mL 水中，當滴定達到溴甲酚綠（bromocresol green）
終點時須HCl 溶液41 mL。（指示劑變色範圍：酚酞pH 8.3-10.0，溴甲酚綠
pH 3.8-5.4）
請說明此藥品中的組成為何？（6 分）
請計算各成分的組成百分率為何？（10 分）
以溴甲酚綠為指示劑，溶液從藍色變成黃色而達到滴定終點。在到達
滴定終點前溶液呈現綠色時，須將溶液加熱至沸騰，待冷卻後再繼續
滴定至滴定終點。當溶液加熱至沸騰後呈現藍色，請說明溶液呈現藍
色的原因。（4 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、滴定原理：酚酞終點（pH約8.3-10.0）時，NaOH被中和，CO3^2−僅轉為HCO3−，故酚酞酸量P＝NaOH＋Na2CO3；溴甲酚綠終點（pH約3.8-5.4）時，HCO3−再轉為H2CO3／CO2，總酸量T＝NaOH＋2Na2CO3＋NaHCO3（均以mmol計）。
- 二、組成判定：P＝18×0.10＝1.8 mmol，T＝41×0.10＝4.1 mmol。T/2＝2.05 mmol＞P，符合Na2CO3＋NaHCO3組合；NaOH與NaHCO3在水溶液中會反應生成Na2CO3，不能共存，故不含NaOH。
- 三、各成分莫耳數：令Na2CO3為y、NaHCO3為z，則y＝P＝1.8 mmol，z＝T－2P＝4.1－3.6＝0.5 mmol。
- 四、質量與百分率：Na2CO3質量＝1.8×106＝190.8 mg；NaHCO3質量＝0.5×84＝42.0 mg；以1.0 g試樣計，分別為19.08%與4.20%，合計23.28%。其餘76.72%為惰性物或水分；若原題設定僅含三者，則取樣量或滴定體積數據需再確認。
- 五、加熱後變藍：滴定至綠色時尚有HCO3−與溶解CO2，加熱沸騰趕出CO2，使2HCO3−→CO3^2−＋CO2↑＋H2O平衡右移，CO3^2−水解產生OH−，pH升至5.4以上，溴甲酚綠由綠變藍。藍色並非終點，冷卻後應繼續以HCl滴定至黃色終點。
使用紫外光/可見光光譜儀分析KMnO4溶液，在波長為520 nm 時KMnO4
的莫耳吸光係數（molar absorptivity）為ε=1.8×104 Lmol-1cm-1，使用透光
路徑為1.0 公分的樣品槽，測得未知KMnO4 溶液之吸光度（absorbance）
為0.839。
請計算此KMnO4 溶液的濃度為何？（5 分）
請計算此KMnO4 溶液的穿透度（transmittance）為何？（5 分）
常見的樣品槽材質為玻璃及石英。紫外光區波長範圍為200-380 nm，
可見光區波長範圍為380-780 nm，請分別說明上述2 種樣品槽材質適
用的波長範圍。（6 分）
苯（C6H6）在紫外光範圍的最大吸收波長（λmax）為255 nm，苯胺
（C6H5NH2）的λmax 為280 nm，請說明苯胺λmax 往紅光位移的原因。
（4 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、比爾-朗伯定律（Beer-Lambert law）：A＝εbc，A為吸光度、ε為莫耳吸光係數、b為光徑、c為莫耳濃度；適用於單色光、稀薄溶液且無散射與螢光干擾之情況。
- 二、濃度計算：c＝A/(εb)＝0.839/(1.8×10^4×1.0)＝4.66×10−5 mol/L。若換算質量濃度，KMnO4莫耳質量158.0 g/mol，約為7.36 mg/L。
- 三、穿透度：A＝－logT，故T＝10^−A＝10^−0.839＝0.1449，即14.49%；吸光率約85.51%。此處T為透光比，若以百分穿透度表示則為14.5%。
- 四、樣品槽材質：玻璃可透可見光約380-780 nm，但在紫外光區（200-380 nm）會吸收，通常不適用；石英／熔融矽石可透約200 nm至可見光，適合紫外光區。520 nm屬可見光，玻璃與石英皆可用，但若同時測紫外光應選石英槽。
- 五、苯胺紅移原因：苯胺的－NH2為助色基（auxochrome），氮上孤對電子與苯環π系統形成p-π共軛，使基態HOMO能階升高、HOMO-LUMO能隙變小，吸收能量降低，λmax由苯的255 nm紅移至280 nm，稱為紅移（bathochromic shift）。