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高考申論題 114年 [化學工程] 化學程序工業(包括質能均衡)

第 一 題

📖 題組:
請回答下列有關石油化學工業之問題。
📝 此題為申論題,共 4 小題

小題 (一)

汽油辛烷值(octane number)之定義為何?(5 分)

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看到「辛烷值」請直接聯想「抗震爆能力」以及兩種標準參考物質:正庚烷(辛烷值0)與異辛烷(辛烷值100)。作答時除了寫出量化定義(體積百分比)外,務必點出其在內燃機引擎中防止爆震的實務意義。

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「汽油辛烷值(Octane Number)」係指評估汽油在內燃機引擎中燃燒時「抗震爆(Anti-knock)能力」的量化指標。 其定義基準為:將極易發生震爆的「正庚烷(n-heptane)」之辛烷值定為 0,而抗震爆能力極佳的「異辛烷(Iso-octane,即 2,2,4-三甲基戊烷)」之辛烷值定為 100。當某特定汽油在標準測試引擎中產生的抗震爆表現,與由某體積百分比之異辛烷與正庚烷組成的標準混合油相同時,該混合油中異辛烷的「體積百分比」即為該汽油的辛烷值(例如:辛烷值 95 的汽油,其抗震爆能力等同於 95% 異辛烷與 5% 正庚烷之混合物)。 實務應用上,高壓縮比的引擎必須搭配高辛烷值的汽油(如 98 無鉛汽油),以避免引擎異常燃燒產生爆震(Knocking),進而保護引擎機件並提升熱效率。

小題 (二)

油品的辛烷值與其分子結構有關,正戊烷和正辛烷當中,何者的辛烷值較高?(3 分)

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作答此題需具備石油化學中「烴類分子結構與辛烷值關係」的基礎觀念。對於直鏈烷烴(正烷烴)而言,碳鏈越短抗爆震能力越好,辛烷值越高,直接比較兩者的碳數即可精準拿分。

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正戊烷的辛烷值較高。 【理由說明】 油品的辛烷值是衡量汽油抗爆震能力的指標,辛烷值越高代表抗爆震能力越好。根據烴類分子結構對辛烷值的影響規律:對於直鏈烷烴(正烷類)而言,「碳鏈越長,抗爆震能力越差,辛烷值越低」。

小題 (三)

1-戊烯和正戊烷當中,何者的辛烷值較高?(3 分)

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考生看到此題應先回想「辛烷值」的定義及其與分子化學結構的關聯定律。直鏈烷烴的抗爆震性最差(辛烷值低),而在同碳數下,具有雙鍵的烯烴、支鏈結構的異構物或環狀結構者,其抗爆震性較佳,辛烷值較高。

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1-戊烯的辛烷值較高。 【原因說明】 辛烷值為衡量燃料抗爆震性能之指標。依據烴類分子結構對辛烷值的影響規律,在碳數相同的情況下,含有雙鍵結構的烯烴(如 1-戊烯)之抗爆震能力優於直鏈烷烴(如正戊烷),故 1-戊烯具備較高的辛烷值。

小題 (四)

如何提升汽油之辛烷值?(6 分)

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看到「提升辛烷值」,應立即聯想辛烷值代表汽油的抗震爆能力。解題時可分為兩大途徑切入:一是「煉油製程的改良」(如重組、烷化、異構化,藉由改變烴類結構產生高辛烷值成分);二是「添加劑的使用」(如MTBE、醇類等含氧化合物)。條列式作答並簡述各方法之原理即可拿高分。

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【破題】辛烷值(Octane Number)為衡量汽油抗震爆性能之關鍵指標。提升汽油辛烷值主要可透過「調整煉油製程」改變烴類結構,以及「加入抗震爆添加劑」兩大途徑來達成。 【論述】 一、 調整煉油製程(提高高辛烷值成分之比例):

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