民國115年 普通考試 化學工程 工業化學概要考古題
民國115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 5 題可線上瀏覽，考選部未公告本科目答案。
題目與答案
苯胺（aniline）為合成發泡材料、塗料及人造皮革之重要原料，試以苯為
進料，分別列出生成硝基苯中間物，再接續製備苯胺之化學反應式，並
說明使用之商業觸媒。（20 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、製程架構：苯先經硝化（nitration）生成硝基苯（nitrobenzene），再還原為苯胺（aniline）。此路線以硝基苯為關鍵中間體，工業上歷史悠久、原料便宜；硝化屬親電芳香取代（electrophilic aromatic substitution），還原則可採 Bechamp 鐵酸法或氣相催化氫化。製程須處理混酸腐蝕、廢酸及還原副產物等問題。
- 二、硝化反應式：C6H6 + HNO3 → C6H5NO2 + H2O。實際使用濃硝酸與濃硫酸之混酸（mixed acid），硫酸兼具催化劑與脫水劑功能，使硝酸生成硝基陽離子（NO2+）並吸收反應水。商業硝化條件約 50–60°C，採苯過量或連續硝化，以抑制二硝基苯（dinitrobenzene）等副反應。
- 三、催化氫化還原：C6H5NO2 + 3H2 → C6H5NH2 + 2H2O。現代商業製程多採固定床氣相氫化，觸媒為銅/二氧化矽（Cu/SiO2），並可添加鉻、鋅等助劑，操作約 200–300°C、常壓至數十 atm；亦可使用鎳（Ni）或鈀/碳（Pd/C）進行液相氫化。此法選擇率高、廢棄物較少。
- 四、Bechamp 鐵酸法：4 C6H5NO2 + 9 Fe + 4 H2O → 4 C6H5NH2 + 3 Fe3O4；若加鹽酸，則 C6H5NO2 + 3 Fe + 6 HCl → C6H5NH2 + 3 FeCl2 + 2 H2O。鐵粉與鹽酸為還原劑，並非嚴格觸媒；此法成本低，但會產生大量鐵泥（iron sludge），目前多用於中小規模或特定情況。
- 五、製程要點與限制：硝化需嚴格控溫、回收廢酸；氫化需控制氫氣純度，避免過度氫化生成環己胺（cyclohexylamine）。產品經蒸餾純化。商業觸媒選擇須兼顧活性、選擇率、壽命與再生，銅系觸媒對硫敏感。答題時應區分硝化所用硫酸與還原所用 Cu/SiO2 或 Ni 觸媒。
合成氣（synthesis gas）為CO 及H2 之混合氣體，試分別列出以煤炭製
備合成氣及其伴隨發生副反應之化學反應式。（20 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、煤炭氣化之意義：合成氣（synthesis gas）主要為 CO 與 H2，可將煤中之碳經氣化（gasification）轉為可燃氣。氣化不同於完全燃燒，須控制氧量使部分氧化，並常通入蒸汽。常用爐型包括 Lurgi 移動床、Winkler 流體化床，以及 Shell、GE（Texaco）、Koppers-Totzek 等氣流床（entrained flow）。
- 二、主要氣化反應：C + H2O → CO + H2（水蒸氣氣化，吸熱）；C + 1/2 O2 → CO（部分氧化，放熱）；C + O2 → CO2（完全燃燒，放熱）。前兩者生成合成氣，燃燒反應則提供爐內所需熱量。若以二氧化碳為氣化劑，另有一氧化碳生成反應：C + CO2 → 2CO。
- 三、水氣轉移與組成調整：CO + H2O ⇌ CO2 + H2（water-gas shift, WGS）。商業上高溫使用鐵鉻（Fe-Cr）觸媒，約 350–450°C；低溫使用銅鋅鋁（Cu-Zn-Al）觸媒，約 200–250°C。此反應可提高氫氣比例並調整 H2/CO 莫耳比，供費托合成（Fischer-Tropsch synthesis）、甲醇合成或製氫使用。
- 四、伴隨副反應：Boudouard 反應 C + CO2 → 2CO（吸熱，高溫有利）；甲烷化 C + 2H2 → CH4 及 CO + 3H2 → CH4 + H2O（放熱，會降低合成氣產率）；煤中硫生成 H2S、COS，氮則可能生成 NH3、HCN；灰分熔融形成爐渣。這些副反應影響氣體組成、熱效率與後續淨化負荷。
- 五、操作與淨化：氣化溫度約 700–1500°C，視爐型而定；壓力約 1–40 atm，需供給氧氣或空氣及蒸汽。粗氣經除塵、水洗、脫硫（如胺洗）、水氣轉移與脫碳後，可得合格合成氣。答題應區分主反應與副反應，並指出水氣轉移雖為副反應，卻是調整氣體組成之必要步驟。
化學肥料泛指人工合成之無機肥料，常見者例如尿素、硫酸鉀及過磷酸
鈣。試說明哈伯法（Haber process）製備尿素之生產原料及後續合成尿素
之程序及其操作條件。（20 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、名詞釐清與原料：哈伯法（Haber–Bosch process）本身是氨合成法，並不直接合成尿素；尿素工業是先以哈伯法製氨，再以氨與二氧化碳進行尿素合成（Bosch–Meiser process）。原料包括天然氣、石腦油或煤製得之氫，空氣分離所得之氮，以及蒸汽；二氧化碳則常由合成氨廠或燃燒尾氣回收。
- 二、哈伯法製氨：N2 + 3H2 ⇌ 2NH3，反應放熱且莫耳數減少。商業觸媒為熔融鐵觸媒（由 Fe3O4 還原所得 α-Fe），含 K2O、Al2O3、CaO 等助劑；操作約 400–500°C、150–300 atm，單程轉化率約 10–20%，未反應氣循環使用。氫氮比約 3:1，氣體須深度淨化以避免觸媒中毒。
- 三、尿素合成主反應：2NH3 + CO2 ⇌ NH2COONH4（氨基甲酸銨，ammonium carbamate，放熱）；NH2COONH4 ⇌ CO(NH2)2 + H2O（脫水，吸熱）。總反應為 2NH3 + CO2 ⇌ CO(NH2)2 + H2O。程序包括二氧化碳壓縮、氨化、氨基甲酸銨生成、加熱脫水、氣提回收、蒸發濃縮及造粒。
- 四、操作條件：尿素合成塔約 170–200°C、150–250 atm，氨與二氧化碳之莫耳比約 2.5–4（常採 3–4），停留時間約 20–40 分鐘，二氧化碳單程轉化率約 50–70%。高壓有利氨基甲酸銨生成；較高溫度有利脫水，但會增加腐蝕與副產物，操作上須取得平衡。
- 五、後續程序與品質控制：反應液經減壓閃蒸、加熱分解未反應之氨基甲酸銨，並回收氨與二氧化碳；尿素溶液再經真空蒸發、結晶或造粒得固體尿素。控制溫度與停留時間可減少縮二脲（biuret）生成，避免損害作物；設備常採尿素級不鏽鋼以防腐蝕。答題應明確指出哈伯法供氨，尿素另由氨與二氧化碳合成。
過氧化氫（H2O2）溶液可作為氧化劑、漂白劑及抗菌劑，經常以稀釋液
型態供消費者使用，較高濃度者則應用於工業界。試分別說明利用異丙
醇（isopropanol）或蒽醌（anthraquinone）製備過氧化氫之反應途徑及觸
媒。（20 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、製程概觀：過氧化氫（H2O2）工業上大規模以蒽醌法（anthraquinone process，AO process）生產；異丙醇法（isopropanol process）為較早期方法，因副產丙酮與經濟性問題，現已較少使用。兩法均以氧氣為氧源，但蒽醌法藉有機工作液循環，異丙醇法則直接氧化醇類。
- 二、異丙醇法反應： (CH3)2CHOH + O2 → (CH3)2CO + H2O2。異丙醇（isopropanol, IPA）在液相反應器中以空氣或氧氣氧化，生成丙酮（acetone）與過氧化氫。此反應通常不採傳統固體觸媒，而是以較高溫度及少量過氧化物或自由基起始劑啟動自由基鏈反應。
- 三、異丙醇法條件與限制：反應約 90–140°C、加壓操作；異丙醇轉化率不宜過高，以免 H2O2 分解。須控制 pH、金屬離子與停留時間，產品再以水萃取、蒸餾分離。此法副產大量丙酮、H2O2 濃度較低且能耗較高，為其逐漸被取代之原因。
- 四、蒽醌法氫化階段：以 2-乙基蒽醌（2-ethylanthraquinone, EAQ）溶於有機溶劑（如重芳烴與磷酸三辛酯混合溶劑）形成工作液；在鈀觸媒（Pd/Al2O3）上氫化生成 2-乙基蒽氫醌（EAHQ）：EAQ + H2 → EAHQ。須控制氫化程度，避免過度氫化生成四氫蒽醌等降解物。
- 五、蒽醌法氧化與萃取：EAHQ + O2 → EAQ + H2O2，此氧化再生步驟通常不需觸媒；再以純水逆流萃取 H2O2，經淨化、濃縮得 30–70% 產品。總反應為 H2 + O2 → H2O2。商業操作關鍵在氫化與氧化效率、工作液降解控制及添加穩定劑防止 H2O2 分解，此為現今主流製程。
混合氣含有50 mol%丙烷（C3H8）及50 mol%丁烷（C4H10），擬利用混
合氣燃燒（假設兩者混合均勻）生成之二氧化碳以製備462 kg 乾冰，只
有50 %二氧化碳可被轉換為乾冰。試分別計算丙烷及丁烷之燃燒重量
（kg）。（C = 12、O = 16、H = 1）（20 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、燃燒反應式：C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O；C4H10 + 13/2 O2 → 4CO2 + 5H2O。每莫耳丙烷生成 3 mol CO2，每莫耳丁烷生成 4 mol CO2。乾冰為固態二氧化碳，莫耳質量為 44 g/mol（即 44 kg/kmol）。
- 二、物料平衡：乾冰 462 kg = 462,000 g = 10,500 mol = 10.5 kmol CO2。因僅 50% 二氧化碳可轉換為乾冰，故燃燒實際生成之 CO2 總量為 10.5 ÷ 0.5 = 21 kmol，質量為 21 × 44 = 924 kg。混合氣中丙烷與丁烷各占 50 mol%，設各為 n kmol。
- 三、計算：CO2 總量 = 3n + 4n = 7n = 21 kmol，故 n = 3 kmol。丙烷燃燒重量 = 3 kmol × 44 kg/kmol = 132 kg；丁烷燃燒重量 = 3 kmol × 58 kg/kmol = 174 kg。兩者合計 306 kg 燃料。
- 四、驗算：丙烷 3 kmol 產生 9 kmol CO2（396 kg）；丁烷 3 kmol 產生 12 kmol CO2（528 kg）；合計 21 kmol（924 kg）。50% 轉化後得 10.5 kmol（462 kg）乾冰，與題目相符。丙烷與丁烷之莫耳比為 1:1，但質量比為 132:174，係因兩者莫耳質量不同。
- 五、答題提醒：若將「燃燒重量」誤解為所需氧氣或空氣重量，將得到不同結果；本題應解讀為丙烷及丁烷之燃料消耗量。計算時先由乾冰產量反推總 CO2，再除以轉化率，最後以莫耳平衡求解，並統一使用 kmol 與 kg 單位。