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普考申論題 112年 [化學工程] 工業化學概要

第 一 題

📖 題組:
二、矽為半導體產業的重要材料,工業上通常在電爐中以高純度碳還原二氧化矽而製得矽: SiO2 + 2C → Si + 2CO
📝 此題為申論題,共 4 小題

小題 (一)

試問如何減少副產物碳化矽的產生?(10分)

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看到副產物生成的問題,應從「熱力學(溫度條件)」與「反應物計量(進料比例與混合)」兩個工業製程控制的核心面向切入。在工業矽的製備中,碳化矽(SiC)往往是反應的中間產物,思考如何透過高溫與化學計量促使其進一步轉化為矽(Si)是解題關鍵。

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【破題】在電爐中以碳還原二氧化矽製備工業矽的製程中,碳化矽(SiC)實際上是無可避免的反應中間產物。要減少最終產品中 SiC 的殘留與生成,主要須藉由精準控制反應物的化學計量比例以及熱力學操作條件,促使 SiC 進一步轉化為目標產物矽(Si)。 【論述】 一、 精確控制進料化學計量(碳/矽比)

小題 (二)

若碳完全反應,試問要生產1 kg的純矽,至少要進料多少高純度碳與二氧化矽?(原子量(g/mole):C = 12,O = 16,Si = 28)(15分)

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看到計量化學題目,首先確認化學反應方程式是否已平衡。接著計算目標產物(1 kg 矽)的莫耳數,並利用反應式中的係數比(即莫耳數比)推算出所需各反應物(C 與 SiO2)的莫耳數,最後再乘上各自的分子量轉換回質量即可求得進料量。

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【解題關鍵】利用平衡化學反應式中各物質的莫耳數係數比(化學計量比)進行質量與莫耳數的相互換算。 【解答】 計算:

小題 (三)

舉出丁苯橡膠的特性及主要用途。(5 分)

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看到丁苯橡膠(SBR),應立即聯想到它是產量最大的通用型合成橡膠,主要作為天然橡膠的替代品。解題時請採「條列式」分別列出其優缺點(如耐磨抗老佳、耐油較差)以及最大宗的工業用途(如汽車輪胎),以確保踩中閱卷者的給分關鍵字。

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【破題】丁苯橡膠(Styrene-Butadiene Rubber, SBR)由苯乙烯與丁二烯共聚而成,是目前產量最大、應用最廣的通用型合成橡膠。 【論述】 一、丁苯橡膠的特性

小題 (四)

橡膠製程中常加入硫或含硫化合物,其主要功能為何?請以化學式輔助說明。(10 分)

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看到橡膠加硫,直覺聯想「硫化作用(Vulcanization)」。解題時應先點出硫化能將線性高分子轉變為三維網狀交聯結構,接著條列式說明其對物理性質(如彈性、抗拉強度、耐溫性)的具體提升,最後務必以化學示意圖展示聚合物鏈中的碳碳雙鍵如何與硫發生反應形成「硫橋」的交聯結構。

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【破題】 橡膠製程中加入硫或含硫化合物的程序稱為「硫化作用(Vulcanization)」,其核心目的在於使線性高分子鏈間產生交聯(Cross-linking),形成三維立體的網狀結構。 【論述】

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