基化二第4章

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第四章 化學與化工
4-1 生活化學與先進科技
4-2 化學工業與永續發展
4-1 生活化學與先進科技
一、生活的化學
1. 衣料纖維
2. 變色鏡片
3. 食的方面
4. 住的方面
5. 能源與行的方面 6. 藥物方面
二、化學與先進科技
1. 奈米材料
2. 電子及材料上的先進科技
一、生活的化學
衣料纖維:分為天然和人造纖維。
(1) 天然纖維:可分為植物和動物纖維。
植物:成分為纖維素,常見有棉和麻。
動物:成分為蛋白質,常見有蠶絲和羊毛。
(2) 人造纖維:耐綸、達克綸、奧綸等。
耐綸:己二酸與己二胺等單體所形成聚合物
達克綸:對苯二甲酸與乙二醇等單體所形成
的聚合物。
變色鏡片
照光
AgCl+CuCl ──→
←── Ag+CuCl2
不照光
利用鏡片中的奈米級
氯化銀與氯化亞銅粒子,
在陽光照射下反應產生銀
粒子及銅離子,其中銅離
子會吸收光,進而使得鏡
片呈黑褐色。
住的方面
2008年北京奧運水立方場館最大的特色
即是在場館外披著以聚四氟乙烯(PTFE)為
原料的薄膜。而在薄膜內安裝燈管,便可使
整座場館外觀呈現五彩繽紛。
白天
夜晚
住的方面
嶄新的門窗材料也有些採用了可隨溫度、電
場的變化而改變其透光度的玻璃。因此化
學在材料上的發展,使得我們的居住品質
更加方便和舒適。
不透明
透明
能源與行的方面
(1) 尋找並開發兼具環保及永續經營的新能源。
(2) 多使用質地堅硬且輕的碳纖維複合材料。
藥物方面
人工方法合成各種有機化合物,並將其重組而
改良成更有效力的藥物。所以化學的進步對於增進
人類健康及延長壽命提供了莫大的進步。
例:最近治療流行性感冒用的「克流感」
(Tamiflu)便是由八角的果實萃取出
莽草酸(Shikimic acid,C7H10O5),
再將莽草酸經過一系列的化學反應而
製得。
範例 4-1.1
下列有關常用衣料的敘述哪些正確?
(甲)天然纖維和合成纖維都是含碳有機高分子化
合物;(乙)棉花纖維主要成分屬於醣類,含碳、
氫、氧三種元素;(丙)羊毛纖維主要成分屬於酯
類,除了含碳、氫、氧三種元素外還有硫和氮;
(丁)蠶絲和耐綸都是由胺基酸分子組成的高分子
化合物。以上關於常用衣料的敘述,哪些正確?
(A) (甲)(乙)(丙)(丁) (B) (甲)(乙)(丙)
(C) (甲)(乙) (D) (丙)(丁)
範例 4-1.1
[答] (C)
[解]
(丙)羊毛成分為蛋白質;(丁)耐綸不是由胺
基酸所組成。
二、化學與先進科技
1. 奈米材料
定義:當物件長、寬或高至少有一個長度
介於1~100 nm大小的尺度時,此種
原子集團形成的材料就稱為奈米材
料,而一般傳統材料稱為塊材。
尺寸(nm)
材料尺度
例
子
0.1~0.5
原子
氦、氫、氧
0.5~1.0
分子
小分子、沸石內的小孔
1.0~100
奈米
蛋白質、DNA、無機奈米粒子
100~10000
微米
毛髮直徑、電晶體、細胞
>10000
塊材
石墨、碳粉、鑽石
奈米材料
特性與應用:
(1)小到奈米的尺度時,具有相當高的「表面積
/體積」比;使得其活性也隨之增大。
(a) 衣物具殺菌效果:
就是將常見布料與奈米銀粒子混紡而成。
(b) 奈米光觸媒
其原料為奈米級的二氧化鈦(TiO2)粒子,
受陽光照射會分解出電子及TiO2+而具有殺菌
效果。
奈米光觸媒
奈米材料顏色
奈米材料會由於顆粒尺寸的變化而造成
顏色的差異。
8nm
4nm
不同粒徑奈米磷化銦(InP),其顏色可從綠到紅色
奈米材料顏色
奈米製程可使金屬外殼在不同角度呈現
不同的色澤,可以想像具有此種金屬外殼
的車子由遠方駛來靠近你時,將可像變色
龍般變色。
奈米碳管
奈米碳管不僅具有金屬與半導體的性質,而
且其彈性及張力強度極高,甚至比鋼絲強
上百倍,由於重量極輕,故應用範圍極廣,
目前已廣泛應用於電路中的導線、電路開
關、平面顯示器等。
電子及材料上的先進科技
(1) 超導材料:美籍華人科學家朱經武博士等人,
研發了著名的高溫超導材料─釔鋇銅氧化合
物(YBa2Cu3O7-x)。超導材料目前可應用於
高速電腦的零件、磁浮列車及醫療器材(如
MRI)。
92K以下有超導性
液晶
定義:具有固態晶體光學特性及液體流動性
的有機材料稱為液晶。
特性:液晶分子的形狀大多為柱狀體,其長
度不超過3奈米。
影響:在特定度範圍內,當液晶分子受外界
因素(電場或磁場)的影響時,
其分子的排列模式將產生改變。
對氧化偶氮苯甲醚(PAA)
液晶與固態、液態和氣態的
比較
液晶
當光線穿透液晶分子時,
光所折射出的角度就不同,
我們便可以看到光線
的明暗變化。
液晶顯示器與偏光顯微鏡下的液晶
有機發光二極體OLED
特性:具有自發光性、低耗電、亮度鮮明、
可曲折的特性 。
範例 4-1.2
下列有關二氧化鈦性質的敘述,何者正確?
(A)修正液的成分為二氧化鈦,故修正液也具有
殺菌、除臭的光觸媒特性 (B)早期使用的修正
液會對人體產生傷害是因為二氧化鈦的毒性高所
致 (C)當二氧化鈦的微粒大小達到奈米級時性
質會變得更為安定 (D)奈米等級的二氧化鈦能
將有機物分解,產生二氧化碳和水,因而有淨化、
[答] (D)
抗菌、防汙等效果
[解] (A)奈米等級之TiO2才可;(B)因有機溶劑
的毒性;(C)催化效果更佳。
4-1 結束
4-2 化學工業與永續發展
一、空氣的汙染與防治
二、水源的汙染與防治
三、土壤的汙染與防治
四、化學與化工對環境永續發展的重要
空氣的汙染與防治
種類 汙染物 主要來源
碳的
氧化
物
CO2
CO
影
響
防治方法
(1) CO2是溫室
(1) 減少使用
氣體,造
化石燃料,
成地球的
改用低汙染
化石燃料燃
溫室效應
能源
燒、內燃機 (2) CO有毒性
(2) 汽機車加
的廢氣
,會使血
裝觸媒轉化
液失去運
器,使CO
送氧氣的
轉變為CO2
能力
空氣的汙染與防治
種類 汙染物
SO2
硫的
SO3
氧化
H2SO3
物
H2SO4
主要來源
影
響
防治方法
(1) 大型煉油
化石燃料含有
廠、火力
硫化物,燃燒
生成有毒氣
發電廠等
時產生SO2,
體、酸雨,
排氣前先
再氧化生成
對人體有害, 做脫硫處
SO3,若分別
使森林枯萎、 理
溶於水則生成
建材腐蝕
(2) 使用含硫
H2SO3及
量低的燃
H2SO4
料
空氣的汙染與防治
種類 汙染物
氮的
氧化
物
NO
NO2
主要來源
內燃機高溫
時,使空氣
中的氮氣和
氧氣反應所
產生
影
響
(1) NO有毒,亦會
與血紅素結合
(2) 氮的氧化物會
加速臭氧層被
破壞
(3) 形成酸雨
(4) 與光化學煙霧
有關
防治方法
汽機車加裝
觸媒轉化器,
將氮的氧化
物還原為氮
氣
空氣的汙染與防治
種類
汙染物
主要來源
影
響
防治方法
工廠煙囪排
烴類化
烴類
放的微小顆
合物、
(1) 對呼吸系統
化合
粒,其表面
以集塵器收
10-7~
傷害甚大
物及
附著有害的
集後再集中
-2
(2) 產生光化學
10
懸浮
化合物(如
處理
cm的
煙霧
微粒
SO2、NOx及
塵埃
烴類)
空氣的汙染與防治
種類
汙染物
氟氯
CF2Cl2
碳化
CFCl3
物
主要來源
噴霧劑和
冷媒
影
響
破壞臭氧層
防治方法
使用替代品,
如使用HFC134a
(CH2FCF3)
的冷媒
範例 4-2.1
下列有關大氣環境的敘述,何者錯誤?
(A)汽車排放的廢氣中不含「含氮化合物」
(B)大氣中SO2的主要來源是石油和煤的燃燒,以及
硫酸製造廠的廢氣
(C)大氣中氮的氧化物主要來源是空氣在內燃機中的
反應
(D)汽車所排放的廢氣,通常包含碳、氮和硫的氧化
物及烴類
(E)空氣中過多的一氧化碳,因吸收太陽光中的紅外
線產生溫室效應
範例 4-2.1
[答] (A)(E)
[解]
(A)汽車的廢氣中含有NOx;(E)空氣中的CO
含量,平均而言並未超過標準值,反而是
CO2超過標準值。
類題 4-2.1
氮的氧化物(包括NO、N2O、NO2等)是主要的
大氣汙染物之一,下列有關氮的氧化物之敘述何者
正確?
【92.學測】
(A) NO2遇水形成鹼性物質
(B)光化學煙霧中常含有氮的氧化物
(C) NO之電子點式表示法,氮和氧可同時符合鈍氣
之電子排列
(D)汽、機車排放的廢氣常含有NO,是汽油燃燒不
完全所產生的
(E)汽、機車淨化廢氣所安裝的觸媒轉化器是要將
氮的氧化物轉為N2
類題 4-2.1
[答] (B)(E)
[解]
(A) NO2
H2O
─→ HNO3;
(C) NO 之電子點式為:
,氮不符合八隅體;
(D) NO 為內燃機內的 N2 與 O2 反應生成。
水汙染的種類及影響
種
類
來
源
廢熱
工廠和核能電廠所使用的
冷卻水
需氧廢料
動物廢料、腐敗植物與工
廠有機廢水
影
響
使得水溫升高、溶氧
減少,進而改變生態
如珊瑚白化
溶氧減少,使汙水呈
現髒臭的現象,並使
水中生物缺氧
水汙染的種類及影響
種
類
來
源
清潔劑與農藥、生活廢水、工廠、肥料
註
■:
清潔劑
及
影
響
(1) 清潔劑的碳鏈為直鏈
時,稱為軟性清潔
劑,可被細菌分解,
直鏈的易被分解(軟性清潔劑)
但易降低溶氧量
(2) 清潔劑的碳鏈為支鏈
分枝的不易被分解(硬性清潔劑)
時,稱為硬性清潔
劑,難被細菌分解,
且易造成泡沫汙染
(3) 含有磷酸鹽,為植物
養料,導致水質優養
植物營養素
化
種
類
來
源
影
響
(1) 砷(As)——來自地下水。
鎘——痛痛病;
(2) 鉛(Pb)——來自油漆及鉛製器皿。
鉛——腦損害;
重金屬 (3) 鎘(Cd)——電鍍工廠、電池。
砷——烏腳病;
(4) 汞(Hg)——日光燈,含汞農藥、
汞——水俣病
電池。
水質不良、惡
懸浮物質 草木及垃圾
臭。
水汙染的防治
(1) 防治:
減少製造或使用過程中所產生的廢水量,
同時各類廢水均應加以分類收集,經適當
處理後才能排放。
(2) 廢水處理:
程 序
一級處理
二級處理
三級處理
目
的
方
法
除去固態物質
以過濾的方法除去固態物質
除去需氧物質
採用活性汙泥法,藉由通入氧氣及微生物來去除
(如有機物)
需氧物質
除去特殊汙染物
選擇特定的方法
範例 4-2.2
下列關於水汙染的敘述,何者正確?
(A) BOD值愈大即表示水中需氧廢料汙染愈嚴重
(B)含磷的洗衣粉其缺點是會使水中溶氧減少
(C)清潔劑的烷基碳數愈少,去汙力愈佳
(D)若水中含有機廢料,將引起細菌繁殖,用掉
水中溶氧,以致水生動物死亡
(E)臺灣南部南灣海域之珊瑚白化,是因需氧廢
料汙染而形成的廢熱
範例 4-2.2
[答] (A)(B)(D)
[解]
(C)烷基碳數愈少去汙力會下降;(E)為核電廠
產生的廢熱引起的。
土壤的汙染與防治
隨意拋棄廢棄物或排放工業廢水,均會造成土壤汙染,其中以重金屬及有毒
汙 染
的有機物汙染最為嚴重。
防 治
(1) 避免廢棄物汙染土壤及水源的方法為回收再加以利用,或以掩埋法、焚
化法等適當方法處理,以免造成危害。
(2) 對於特殊成分的廢棄物,如重金屬,則須由專業人員處理,集中儲存。
(3) 加強民眾有關減量使用( reduction)、重複使用(reuse),回收再製
( recycling)及再生(regeneration)等環保 4R 意識,使地球資源得以
永續使用。
範例 4-2.3
在酸性土壤中添加足量的下列何種物質,可
以降低土壤的酸性?
(A)硫酸鉀 (B)硝酸鈉
(C)硫酸鈣 (D)碳酸鈣
[答] (D)
[解] A、B、C為中性,D為鹼性。
化學與化工對環境永續發展的重要
綠色化學(或稱永續化學)
定義:「發明、設計和利用化學產品與化學
製程,以減少或消除有害物質之使用
與生產。」
主要產物的質量
原子效率(%)=
× 100%
所有產物的質量總和
綠色化學
1. 設計合成方法時,應盡可能將所有反應物
質轉變為生成物,以減少廢棄物的產生 。
即使用原子效率高製程來生產。
例如壓克力的製造有二種方式:
(1)
Pd(觸媒)
CH3-C=CH+CO+CH3OH ────→
原子效率100%
綠色化學
(2) 使用有危險性的反應物氰化氫及硫酸:
CH3COCH3+HCN+CH3OH+H2SO4 → CH2=C(CH3)CO2CH3+NH4HSO4
原子效率47%
2.設計毒害性減低但
維持功效的產品:新型染料
• 巴斯夫公司研發新型染料
• 優點:
– 染棉時反應快,固色效果好,重染率低,使用
的鹽類與水均少,得以節省能量50%。
– 染色時間減半,BOD及COD均降低。
3.使用再生原料:漆料、咖
啡紗
• 以亞麻油提煉出的漆料,其品質和從石油
提煉出來的一樣,但前者只須花費1/10的成
本。
• 咖啡渣能製成咖啡紗,再織成衣服,具有
除臭、速乾、抗UV的性質。
綠色化學
4. 優先考慮以觸媒進行反應。
例:
近年來很熱門的奈米金粒子,即可應用其
觸媒的特性,在低溫下,利用氧氣將有毒
的一氧化碳氧化成二氧化碳。
範例 4-2.4
製備順丁烯二酸酐(C4H2O3)有下列二種不同的製程:
2 C6H6(l)+9 O2(g) → 2 C4H2O3(l)+4 H2O(l)+4 CO2(g) (式 A)
2 C4H10(g)+7 O2(g) → 2 C4H2O3(l)+8 H2O(l) (式 B)
若反應物均完全反應完畢,試問何者較合乎綠色化學的要求?
[解] 式B
[答]
主要產物的質量
式 A 的原子效率(%)=
×100%
所有產物的質量總和
=
式 B 的原子效率(%)=
98×2
×100%=44%
98×2+18×4+44×4
4-2 結束
98×2
×100%=58%
98×2+18×8
式 B 較合乎永續化學的要求,因為其原子效率為 58%顯然高於式 A 的 44%。
而且式 A 使用具有毒性的苯做為反應物,並產生溫室氣體 CO2。