Transcript 第四章

第 4 章 化學與化工
4－1 化學、化工與社會
4－2 化學與永續發展
4－3 化學與先進科技
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4－1 化學、化工與社會
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1. 化學：研究物質的性質、組成、結構及反應的科學。
2. 化工：即化學工程的簡稱，將化學實驗室的研究成
果帶到工廠，以工業化的規模，製造成產品。
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一、科學、技術與社會 （配合翰版課本 P.131、P.132；講義 P.127）
1. 科學、技術對社會的影響：
2. STS（Science, Technology and Society）：
(1)意義：即「科學、技術與社會」，為 1960 年後新
興的學術領域。
(2)目標：促進人類對其所塑造的世界，能有更深的
了解與體會。
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(3) 模式：
① 經由親近並觀察大自然，學到科學知識及技能。
② 以生活及社會上所發生與科技相關的議題，設
計解決問題的方法與策略。
例
■
酸值：中和 1 克油脂中游離脂肪酸所需
之氫氧化鈉的毫克數。油脂加熱愈久，
游離脂肪酸愈多，酸值愈高，油脂的品
質愈差。
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範例 1 STS
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下列哪一選項不屬於 STS 的範疇？
(A)颱風從巴士海峽北上，其外圍環流遇上宜蘭的東北
季風，在宜蘭及花蓮降下暴雨，造成嚴重災情 (B)美
元疲弱，造成日幣持續升值，衝擊日本的出口業 (C)
業者以真空包裝食品，卻未殺菌，消費者食用後，造
成數起肉毒桿菌中毒事件 (D)液晶電視的發明，使得
客廳的可用空間變大，並減少輻射線對人體的傷害。
解：
■
(B) 屬於經濟議題。
答 ： (B)
■
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二、化學與化工的關係 （配合翰版課本 P.133、P.134；講義 P.128）
比
較
化
學
化
地
點
實驗室
工廠
產
物
少量
大量
器
材
小，例如溶液在燒杯中加熱 大，例如溶液在鍋爐中加熱
哈柏在實驗室合成氨
實
例
N2＋3H2
Fe
  
2NH3
（500 ℃、350 atm）
關
係
工
波希利用哈柏製氨的方法，
發展成工業化的量產規模
化學與化工關係密切，相輔相成，埃特爾發現哈柏-波希
法製氨的反應機構，推動「表面化學」的發展
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註 ：表面化學：
■
1. 定義：研究發生在物質表面上各種現象的化學，
稱為表面化學。
2. 實例：汽車排放出的 CO、NOx 及烴類，在鉑、
銠合金表面（觸媒轉化器）進行氧化及還原反
應，轉換成對人體無害的 CO2、N2 及 H2O。
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範例 2 化學與化工
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下列有關氨的敘述，何者不正確？
(A)尿液含有氨 (B)蛋白質分解會產生氨
(C)以哈柏
法製氨，氮與氫氣在鐵粉的表面反應 (D)哈柏法製氨
是在高溫、高壓下進行，無法在實驗室製造，只能在
工廠生產。
解：
■
(D) 在實驗室中亦可。
答 ： (D)
■
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三、生活中的化學
（配合翰版課本 P.135 ～ P.137；講義 P.129）
1. 將化學知識融入生活中。
例 ：(1) 煎魚時加醋去腥。
■
酸鹼中和的原理，腥味來自鹼性的甲胺，
而醋含乙酸
(2) 食品添加維生素 C 或 E 作為抗氧化劑
氧化還原的原理
(3) 利用油脂與鹼製造肥皂
皂化反應的原理
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2. 科技對生活的影響：
實
例
優
點
缺
點
瓶裝水
方便、安全
保特瓶不易分解
化肥、農業
增產糧食
土壤、水汙染
沒有空氣汙染，
核能發電
降低對化石燃料
廢熱水、放射線
汙染
的依賴
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範例 3 生活中的化學
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料理魚時，最適合使用下列哪一種物質去除其腥味？
(A)醋
(B)小蘇打水 (C)糖
(D)食鹽。
解 ： 魚腥味來自鹼性的甲胺，可用酸中和。
■
(B) 鹼性。
(C)(D) 中性。
答 ： (A)
■
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4－2 化學與永續發展
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為降低化學製品對環境的傷害，環保署提出廢棄物
管理的「4R」原則，以塑膠製品為例：
1. 減量（Reduce）：減少塑膠袋用量、研發可分解
塑膠袋。
2. 再使用（Reuse）：重複使用塑膠袋。
3. 回收（Recovery）：分類、回收塑膠製品。
4. 再利用（Recycle）：將回收的塑膠製品，製造成
其他製品。例如：把廢棄輪胎磨成粉狀，可添加
於柏油中來鋪馬路。
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一、綠色化學
（配合翰版課本 P.140 ～ P.142；講義 P.131）
1. 意義：依據化學原理，以原子經濟（見重點二）為
原則，充分利用原料，使之盡可能完全反應成所欲
製造的產物，而沒有廢棄物；且在整個製程中，能
降低對環境的傷害。
2. 目的：同時兼顧環保、有效利用資源，符合永續發
展的要求。
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3. 特色：
(1) 使用無毒、無害、可再生的原料。
(2) 儘量於常溫、常壓、溫和的條件下反應。
(3) 使用催化劑。
(4) 使用較無害的溶劑，例如：水、超臨界二氧化
碳、離子液體。
(5) 提高能源效率，例如使用微波爐、超音波等加熱
器，以取代化石燃料。
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■
註 ：(1) 超臨界流體：
① 物質的溫度及壓力超過其臨界溫度及臨界
壓力時，會呈現液、氣相不分的狀態，稱
為超臨界流體。
② 超臨界二氧化碳無毒性、無爆炸性、價格
便宜，廣泛應用於材料的清洗及天然物的
萃取等。
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(2) 離子液體：熔點低於 100 ℃的熔融態鹽類稱為
離子液體，具有低蒸氣壓、低熔點、高極性、
不可燃性、耐強酸、高熱穩定性、高導電度及
較廣的液體溫度範圍（－96 ～ 400 ℃），可代
替一般揮發性有機溶劑，降低其對環境的汙染。
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範例 1 綠色化學
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下列何者符合綠色化學的理念？
(A)採用無害的物質為反應物
(B)使用高揮發性有機
溶劑，以便使產物快速乾燥 (C)使用本生燈為加熱器
(D)在高溫下反應，加快反應速率。
答 ： (B)
■
許多有機溶劑有毒性。
(C) 使用含有火焰的加熱器，會產生二氧化碳溫室
氣體，而且許多熱量會被浪費掉。
(D) 應避免高溫、高壓的環境，若可以，儘量使用
催化劑。
答 ： (A)
■
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二、原子經濟
（配合翰版課本 P.143、P.144；講義 P.132）
1. 定義：原子經濟又稱為原子效率
原子經濟＝
目標產物的物質總質量
所有原料反應物的物質總質量
× 100％
例 ：製造乙烯的方法：
■
(1) CH≡CH＋H2  Ni
 CH2＝CH2
（分子量：26）
（分子量：28）
原子經濟＝
28
26 ＋ 2
× 100％＝100％
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500  C
20/41
， 2O 3
(2) H3C－CH3    
   H2C＝CH2＋H2
Cr
（分子量：30）
28
原子經濟＝
30
× 100％＝93％
2. 原子經濟大小的意義：
(1) 原子經濟百分之百的反應，表示不產生副產物。
(2) 原子經濟愈高，表示愈能充分利用反應原料中的
原子，提升轉換成目標產物的效率，實現零排放
的理想，降低對環境的汙染，愈能符合綠色化學
的精神。
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3. 原子經濟非百分之百的反應，若其副產物可重複使
用，亦符合綠色化學的精神。例如工業上以奧士華
法製造硝酸的反應，副產物 NO 可重複使用。
NO 可供第二步反應
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範例 2 原子經濟
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下列哪一個反應的原子經濟最高？
(A)製備 H2O：2H2(g)＋O2(g)→ 2H2O()
(B)製備 NH3：
2NH4Cl(s)＋Ca (OH)2(s)  △
  CaCl2(aq)＋2H2O()＋
2NH3(g)
(C)製備 CO2：CaCO3(s)  △
  CaO(s)＋CO2(g)
(D)製造 N2：NaNO2(s)＋NH4Cl(s)  △
  N2(g)＋NaCl(s)
＋2H2O()。
解 ： 只有(A)沒有副產物，原子經濟為百分之百。
■
答 ： (A)
■
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三、微型化學實驗
（配合翰版課本 P.145；講義 P.133）
1. 意義：儘可能運用少量的試劑，獲取所需化學資訊
的實驗。其亦符合綠色化學的精神。
2. 特色：試劑用量約為常規用量的
1
1000
～
1
，可減
10
少 90％ 以上的藥品用量。
3. 實例：電解稀硫酸的實驗，
可簡化成右圖
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4. 優點：試劑用量少、實驗費用低、排廢量少、汙染
物低、實驗時間短、占用空間小、安全性高。
5. 局限：
(1) 對於需要大量處理的物料，例如自天然物中萃取
出微量的成分時，就不能用此法。
(2) 此法所使用的儀器，大都不能用於高溫加熱的反
應。
(3) 需要較高的操作技巧。
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範例 3 微型化學實驗
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下列哪一個反應不屬於微型化學實驗？
(A)以鋁箔紙包牙籤做乾餾實驗 (B)在紅色石蕊試紙
上置放芝麻大小的鈉，用滴管滴一滴水在鈉上，觀察
鈉的變化
(C)以有機溶劑萃取紅豆杉中微量的紫杉醇，
收集 1 克，另做其他實驗 (D)依下圖裝置收集二氧化
氮。
解：
■
(C) 需要大量的紅豆杉及溶劑。
答 ： (C)
■
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4－3 化學與先進科技
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1. 化學是創造性的中心科學：
有機化學
無機化學
物理化學
分析化學
計算機化
研發實用的 學、催化
技術與材料 劑、生技
製藥……
量子化學
2. 先進科技：
(1) 意義：技術密集的科技產業。
(2) 實例：材料科學、奈米技術、
生物技術、太陽能電池等。
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一、材料科學
（配合翰版課本 P.147 ～ P.149；講義 P.136）
1. 光電化學電池：
(1) 意義：將太陽能轉為電能，同時進行電解反應
的電池。
(2) 原理：
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① 陽極（TiO2）：
陽光
＋




半導體
（產生電洞）＋
TiO
h
❶
2
－
e （電子），電子移動至陰極，形成電子流。
＋
1
＋
❷ H2O()＋2h → 2 O2(g)＋2H (aq)
＋
－
陰極（
）：
＋
Pt
2H
2e
→ H2(g)
②
(aq)
陽光
③ 淨反應
太陽能→電能  TiO2    h＋＋e－
電能→化學能  H2O()→
1
＋H2(g)
O
2(g)
2
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(3) 特色：
環
功
過
境
能
有陽光時
產生電流、氫氣、
氧氣
程
無陽光時
取氫氣、氧氣作為
燃料電池的燃料，
繼續發電
水→氫氣＋氧氣→水，極為環保
2. 導電聚合物：
(1) 結構：主鏈上含有 C－C 單鍵與 C＝C 雙鍵交替
的塑膠，例如聚乙炔。
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(2) 性質：具半導體或導體的導電度、發光性。
(3) 特色：能大量、快速製造，成本低廉，可捲曲、
薄。未來可能取代矽，作為積體電路的原料。
(4) 應用：抗靜電材料、防電磁輻射罩、太陽能電
池、薄型螢幕。
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3. 精密陶瓷：
(1) 材料：氮化矽、氧化矽、碳化矽。
(2) 性質：高強度、比金屬輕、耐受 1400 ℃以上的
高溫。
(3) 應用：
① 汽、機車陶瓷引擎。
② 太空梭腹部耐熱磚。
③ 複合材料。
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(4) 複合材料：結合兩種以上材質的材料，稱為複合
材料。
① 太空梭推進系統中的超音速衝壓發動機：
❶ 燃燒室內壁：為精密陶瓷，
以承受高溫
❷ 燃燒室外壁：為機械強度佳
兩種材料間
沒有界面
的金屬，以承受極大的溫差
（外壁溫度低）
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② 貝殼結構。如下圖
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③ 生物陶瓷：科學家應用貝殼耐撞擊的原理，將帶
有治療功能的羥基磷灰石（Ca10(PO4)6(OH)2），
與人體骨骼成分相同的陶瓷、奈米象牙質製成複
合材料，用於製造牙科植入物及人造骨骼等。
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範例 1 材料科學
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下列有關先進材料的敘述，何者正確？
(A)製造花瓶的陶瓷土，因耐高溫，亦可作為機車引擎
的材料 (B)聚乙烯可作為導電塑膠，成本低廉，具有
可捲曲的特性 (C)光電化學電池的陽極為鈦，陰極為
鉑
(D)光電化學電池利用電洞導電 (E)光電化學電池
在放電時，水分解成氫氣與氧氣。
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範例 1 材料科學
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解 ： (A)
■
一般的陶瓷土必須再處理，才能作為精密陶瓷
的材料。
(B) 聚乙炔或聚苯乙炔。
(C) 陽極為半導體，例如二氧化鈦。
(D) 利用電子導電。
答 ： (E)
■
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二、奈米技術
（配合翰版課本 P.149；講義 P.138）
1. 定義：奈米（nanometer，nm）是一種長度單位，
1 奈米等於 1 × 10－9 公尺。
2. 奈米材料定義：在長、寬、高三個方向中，至少有
一個方向的長度在 1 ～ 100 奈米之間的材料。
3. 奈米材料特性：
(1) 奈米材料的性質，如熔點、磁性、電性、化學活
性等，均與傳統塊材差異甚大。
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(2) 奈米材料表面原子的數目占材料總原子數的比
例，較塊材增加許多。
(3) 由於材料表面之原子的活性，一般都比材料內部
原子的活性大，使得奈米材料具有更高的化學反
應性。
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4. 奈米碳管（CNT）：
(1) 結構：奈米碳管可視為由石墨捲曲而成的中空管
狀結構，為自然界中已知最細的管子。
(2) 分類：可分為單層式與多層式兩大類。
(3) 特性：質量輕、彈性佳、機械強度大、熱傳導性
佳、化學反應性穩定、可吸附氣體。
(4) 用途：顯示器、化學感測器、奈米溫度計、燃料
電池的儲氫材料、高強度複合材料等。
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範例 2 奈米技術
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下列有關奈米碳管及奈米材料的敘述，何者正確？
(A)奈米碳管含有石墨的結構
(B)某些種類的奈米碳管
能導電 (C)荷葉不沾水的現象，與荷葉表面粒子的奈
米化有關 (D)物質表面的粒子活性大小，與物質內部
的粒子相同 (E)奈米材料的性質，與塊材差異甚大。
解：
■
(D) 表面粒子所受的束縛力較內部粒子弱，故活
性較大。
答 ： (A)(B)(C)(E)
■
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三、生物技術
（配合翰版課本 P.150；講義 P.139）
1. 定義：任何利用生物系統、死亡有機體或其衍生
物，來製作或改變產品或其製程，以供特定用途
的應用技術。
2. 發展：
(1) 1942 年，運用化工技術量產抗生素——盤尼西
林（青黴素）。
(2) 近年利用「基因轉殖」技術製藥。
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3. 聚合酶鏈鎖反應（PCR）：
(1) 為一種在生物體外增殖特定 DNA 片段的方法，
不再依賴大腸桿菌、酵母菌。
(2) PCR 自動化設備可判斷遺傳疾病、微量血跡查
驗、親子鑑定等。
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