[莫斯利高中自然科學] 基礎化學(二) 第四章 化學與化工
4‐1 生活化學與先進科技
化學與化工
1.定義： (1)化學：研究物質的性質、組成、結構及反應的科學。 (2)化工：將化學實驗室的研究成果帶到工廠，以工業化的規模，製成產品。
2.化學與化工的關係： 分類 理論差異
實驗室與工廠
哈柏法製氨
化學
化工
1.專心研究有興趣的現象或 物質，化學家做的是基礎科學 研究，根本研究化學現象與問 題。 2. 化學系強調化學的基礎理 論，將學生培養成一個化學 家。
1.把化學家在實驗室的研究成果， 放大規模、設計流程，建廠量產， 必須考慮經濟效益與環保等問題， 供商業使用。 2. 化工系將學生訓練成為一個工 程師。
做實驗時為加速化學反應，可 在廠房加熱大鍋爐，由於大鍋爐的 加熱並藉著搖動試管或攪拌 面積和體積比例較小，造成熱量的 燒杯裡的溶液來達成熱均勻。 傳輸較慢，熱分布不均勻，易過熱 而發生意外。 德國化學家哈柏在實驗室，研 發出將氮與氫合成製氨的方 法，因此榮獲1918 年諾貝爾 化學獎。
德國化工師波希利用高壓製氨的實 驗，發展成化工量產規模，使得氨 的合成能符合成本效益而得以商業 化。波希於1931 年也榮獲諾貝爾化 學獎。
可以這麼說，化學系的人像是關在象牙塔裡，可以不食人間煙火，專心研究他有興趣的現象或物質， 他們做的是基礎科學研究，根本研究化學現象與問題，最高境界是開拓全新的領域，諾貝爾化學獎
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的得主都來自化學系。化工系的人是想辦法把化學系研究出來的成果應用在大量生產，解決在工業化 與商業化過程中會遇到而在實驗桌上所沒有的問題。這方面的問題，高中課本裡都不會提到，但會在 工廠裡層出不窮。當實驗室裡很成功的研究成果常常無法應用在實務上，有人會說「實際」與「理論」 差很多。這裡所謂的「理論」是理學院教科書所講的，所謂「實際」大概就是工學院教科書裡要強調 的。
生活中的化學 1. 衣的方面：分為天然和人造纖維 (1) 天然：可分為植物和動物纖維。 1 植物性纖維：由碳、氫、氧元素所組成，其通式為(C6H10O5)n 通稱醣類，俗稱 ○ 碳水化合物，常見有棉和麻。 2 動物性纖維：主要由碳、氫、氧、氮、硫元素所組成。常見有蠶絲和羊毛。 ○ (2) 人造：可分為再生和合成纖維。 1 再生纖維：以植物纖維為原料，先經溶劑溶解成紡絲原液，再經抽絲、凝固而製造絲 ○ 狀纖維素，如嫘縈。 2 合成纖維：由石油化學產品為原料，再經人工合成反應而得之纖維，如耐綸、達克綸、 ○ 奧綸等。 (3) 天然纖維與合成纖維的比較： 合 成 纖 維
天 然 纖 維
製造
長短粗細可由人工任意控制
長短粗細不能任意調整
吸水性
差；但易洗快乾，耐酸耐鹼
良好；但洗潔時易破損，且不易 乾燥，不耐酸或不耐鹼
維護
不受蟲害，不變形，可免熨燙， 易受蟲害，易變形 易保持原形
穿著性質 不透氣而保溫，但不吸汗而溼熱 靜電感應 燃燒
會透氣不易保溫，但能吸汗，感 受舒適
乾冷氣候，因吸水性差，脫下時 因吸水性好，乾冷氣候脫下時， 有放電現象 無放電現象 末端捲曲呈球狀小珠
不呈圓球狀
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衣服的材料通常為： (1) _____纖維 :纖維素（屬多醣體） (2) _____纖維 :角質蛋白（屬蛋白質） (3) _____纖維 :簡單有機分子的聚合物 (4) _____纖維 :由植物的纖維素經過化學及物理方法處理而得 2. 住的方面： (1) 我們所居住房子也採用了更多具有特殊功能的材料，例如 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。 聚四氟乙烯（俗稱特夫綸），為四氟乙烯的聚合物，其薄膜優點是能防腐並可散熱、 質地輕盈且透光性強。 (2) 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。 通電後會變透明的玻璃，其實是液晶玻璃。當通電時，液晶分子會隨電場方向規則排列， 使玻璃透光度增加；未通電時液晶分子排列不整齊，光線便無法穿透。
3. 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，才能解決目前人類所面對的能源短缺及溫室效 應兩大難題。 發展高效能和減少對環境汙染的新電池，如太陽能電池、燃料電池等。 (2) 多使用質地堅硬且輕的碳纖維複合材料，如此可減 低燃料的使用量，從而減少排碳量。 這種材料目前也已經應用於許多汽車外殼、 空中巨無霸客機、單車骨架及相機腳架等生活用品上。
前面為直徑 6 微米的碳纖維與後面人類頭 髮的比較
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4. 藥物方面：隨著有機化學的發展，已經可以利用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。 治療流行性感冒用的「克流感」便是由八角的果實萃取出莽草酸（C7H10O5），再將莽草酸 經過一系列的化學反應而製得。具抑制神經氨酸酶的作用，可抑制成熟的流感病毒脫離 宿主細胞。
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) 2.甲、乙、丙三種衣料做纖維檢驗，得結果如下： 靠近火焰
甲衣料
乙衣料
丙衣料
稍為縮小
無變化
尖端熔成小珠狀
燃燒的氣味
有異味
無異味
無異味
浸於 3％ NaOH
變脆弱
稍微膨脹
幾乎無變化
浸於 10％ H2SO4
幾乎無變化
變脆弱
無變化
上列哪一項是檢驗甲、乙、丙衣料纖維最適合的結論？ (A)甲為棉；乙為絲；丙為耐綸 (B)甲為絲；乙為棉；丙為耐綸 (C)甲為耐綸；乙為絲；丙為棉 (D)甲為棉；乙為耐綸；丙為絲
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一、單選題 (A)楊振寧
_______1.下列華裔的諾貝爾獎得主中，哪一位曾獲得化學獎？ 丁肇中
(B)朱棣文
(C)李遠哲
(D)
(E)李政道。
_______2.下列有關化學與工業發展的敘述，何者錯誤？
(A)化學與工業發展是相輔相成的
究結果可提供有關物質特性與變化的原理和知識
(B)化學研
(C)光纖材料是化學家製造出來的
家能轉換物質，也能無中生成新原子，製造出有用的物質
(D)化學
(E)化學家在實驗室研究物質的特
性、開發新的物質以及新的合成方法。 _______3.太空梭在重返地球時，會與大氣層的空氣劇烈摩擦，產生超過攝氏千度的高溫，因此太空梭外 殼必須使用最佳的耐熱材料。下列何種材料，最適合做為此用途？ (A)金屬材料 (B)玻璃材 料 (C)塑膠材料 (D)陶磁材料 (E)有機高分子材料。 (A)纖維素
_______4.動物纖維主要的化學成分為
(B)蛋白質 (A)耐綸
_______5.下列哪一種纖維的原料不是石油化學品？ _______6.為何加了阿司匹靈的感冒藥易傷胃？ 易使胃腸阻塞
(C)脂肪
(D)礦物質。
(B)達克綸
(A)阿司匹靈具酸性
(C)奧綸
(D)人造絲。
(B)阿司匹靈具鹼性
(C)阿司匹靈
(D)阿司匹靈味道太苦。(高三)
_______7.阿司匹靈是脂溶性的，人體非常容易經由胃壁吸收。當服用過量的阿司匹靈而中毒時，可以利 用酸鹼中和的原理，立即灌入大量稀釋的小蘇打（碳酸氫鈉）水溶液急救。那麼阿司匹靈應該 是哪一種酸鹼？
(A)強鹼
(B)弱鹼
_______8.下列哪一項不屬於單元操作？
(C)強酸
(A)蒸發
_______9.何種物質可當製造合成塑膠的原料？
(D)弱酸。
(B)過濾
(A)石油
(C)結晶
(B)煤
(D)燃燒
(C)海砂
(E)粉碎。
(D)木材。
_______10.市面上有所謂的健康低鈉鹽，下列有關低鈉鹽的敘述，何者最合理？ (A)低鈉鹽含有少量的 金屬鈉，故稱為低鈉鹽
(B)低鈉鹽其實就是一般的氯化鈉鹽類，沒有什麼不同
的鈉離子比氯離子少，所以不是電中性的
(C)低鈉鹽中
(D)低鈉鹽含有鉀離子，所以比相同莫耳數的氯化
鈉含較少的鈉離子。 _______11.聚合物是由很多小分子經化學反應後連結而成的巨大分子，具有很高的分子量，是我們生活 中經常使用或接觸的物質。下列哪一種物質不是聚合物？ 纖維素
(A)澱粉
(B)肥皂
(C)塑膠
(D)
(E)蛋白質。
_______12.氟氯碳化合物一般為非毒性，具有不能幫助燃燒及低沸點的特性。在 1930 年代開始，這些化 合物被大量使用在噴霧罐、冷氣機及冰箱上，但因環境考量現已限制使用。下列何者不是氟氯 碳化合物？
(A)CCl2F2
(B)CFCl3
(C)CHCl3 (D)CFCl2CFCl2。
_______13.農夫經常燃燒稻田以製造所謂的「草木灰」 ，是利用草木灰中的成分來作為肥料，下列何者可 能是草木灰的成分？
(A)碳酸鉀
(B)亞硫酸
_______14.下列屬於天然聚合物的為何？
(A)油脂
_______15.下列何組纖維均為人造纖維？
(A)奧綸、羊毛
達克綸
(C)氯化鈉
(B)蔗糖
(D)二氧化硫
(C)聚乙烯
(D)澱粉
(B)達克綸、蠶絲
(E)二氧化碳。 (E)達克綸。
(C)羊毛、蠶絲
(D)耐綸、
(E)耐綸、纖維素。
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_______16.達克綸的原料為下列何者？ 丙烯
(A)己二胺與己二酸
(B)對苯二甲酸與乙二醇
(C)苯乙烯
(D)
(E)乙二酸與乙二醇。(高三)
_______17.聚合物是由很多小分子經化學反應後連結而成的巨大分子，具有很高的分子量，是我們生活 中經常使用或接觸的物質。下列哪一組物質均不是聚合物？ (A)澱粉、葡萄糖 基酸
(C)塑膠、蛋白質
(D)纖維素、澱粉
(B)肥皂、胺
(E)蛋白質、肥皂。
_______18.下列何種物質最常用來當作製造塑膠的原料？ (A)矽
(B)石油
(C)木材
(D)煤
(E)石英。 (A)
_______19.下列各組都是生活中常見的物質，由物質分類的知識，可知屬於同—類物質的一組是： 黃金、藥用酒精、果糖 雨水
(B)低鈉鹽、金剛石、石灰水
(C)食醋、氧氣、醬油
(D)海水、鹽酸、
(E)黃金、白磷、青銅。
_______20.人類穿衣服主要是講求舒適、美觀與保暖。奈米科技在這方面就能扮演重要角色，當把奈米 材料添加至纖維裡，除了保暖和美觀外將有更多的附加功能。傳統的化學人造纖維最主要缺點 是吸溼性與透氣性較差。當直徑數十奈米的人造纖維製造技術被開發，運用該技術可將 140 萬 根以上奈米級耐綸纖維構成新纖維，其特徵在吸附惡臭的效果高，可應用作高級衣料與各種濾 清材料等多種用途，新開發的耐綸纖維，表面積為傳統纖維的 1000 倍，所以對於水的吸溼性 提高二、三倍，具有媲美棉以上的吸溼效果。將奈米 ZnO 等微粒加入聚酯纖維（如達克綸）， 可製成防紫外線纖維，穿這種織物的衣服不但不會感到日曬，反而會有涼爽感。隨著奈米科技 的進步，穿著輕薄短小，功能多多的酷炫衣服不再只是夢想。 由上述文章得知，衣料的物理性質與組成衣料的化學組成成分有很大關聯，試問：植物纖維由 纖維素所構成，其有較佳的吸水性是因為下列何者因素？ (B)纖維素形成纖維結構中孔洞大，故吸水性佳 易持續把水吸入
(A)纖維素中的碳原子吸水性佳
(C)纖維素屬碳水化合物，結構中本來就有 H2O，
(D)纖維素結構中有許多－OH 醇基，與水易產生分子間引力
(E)上帝造萬物
本就神奇奧妙，人類不需多費心思探討。
二、多選題 _______1.何者屬於自然界的化學變化？
(A)電解濃食鹽水產生氯氣與燒鹼
(C)食鹽溶於水 (D)將石油分餾，提煉出汽油 _______2.下列敘述何項正確？
(D)碘昇華是物理變化
_______3.下列哪些是化學家探討的課題？ 變化
(E)呼吸作用。
(A)水泥凝固與水凝固都是物理變化
消毒、殺菌是物理變化
(B)食物在空氣中緩慢腐敗
(B)麵粉發酵是物理變化 (C)水的
(E)以柳酸製造阿斯匹靈是化學變化。
(A)物質的性質 (B)物質的組成
(C)物質的結構
(D)物質的
(E)物質的合成。
_______4.下列何者屬於單元操作的過程？ _______5.下列物質中哪些屬於聚合物？
(A)蒸餾 (B)過濾 (C)結晶 (D)燃燒 (A)脂肪
(B)蛋白質
(C)蔗糖
(D)橡膠
(E)聚合。 (E)寶特瓶。
_______6.日常生活中的下列做法，不可行的是： (A)食用酒精和工業酒精的主要成分相同，都可以作為 飲料飲用
(B)由於澱粉有遇到碘變藍的特性，可利用澱粉檢驗食鹽中加入的碘酸鉀 (C)喝牛
奶、豆漿等食品可增加蛋白質的攝取 (D)低血糖病症發作時，吃饅頭要比喝葡萄糖水見效快 (E)食鹽可作調味品，因而可大量食用。 _______7.日常生活中的下列做法，正確運用了化學知識的是：
用汽油洗除衣服上的油汙 用砂紙
打磨掉鋁製品表面的汙漬 加適量硝酸鹽醃製肉類食品 狀
(A)
(B)
(C)
(D)
服用氫氧化鋁治療胃酸過多症
(E)均不正確。
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_______8.阿司巴丹（C14H18N2O5）目前已取代糖精（C7H5NO3S），成為最廣泛使用的人工甜味劑。下列相 關敘述，何者正確？ 的一種
(A)阿司巴丹與糖精互為同分異構物
(B)阿司巴丹具有甜味，亦為醣類
(C)血糖過高的患者，不宜進用甜食，但可食用添加阿司巴丹的食物
分子量高於糖精的分子量但低於蔗糖的分子量
(D)阿司巴丹的
(E)阿司巴丹的碳、氫、氮、氧四元素之質量
比為 14：18：2：5。(課外補充題)
三、題組 4.檢驗甲、乙、丙三種衣料纖維，得結果如下表：
甲衣料
乙衣料
丙衣料
靠近火焰
稍微縮小
無變化
尖端熔成小珠狀
燃燒氣味
有異味
無異味
有異味
浸於 3% NaOH
變脆弱
稍微膨脹
幾乎無變化
浸於 10% H2SO4
幾乎無變化
變脆弱
無變化
(1)甲衣料應該為下列何種材質？
(A)棉
(B)絲
(C)耐綸
(D)無法判斷。
(2)丙衣料應該為下列何種材質？
(A)棉
(B)絲
(C)耐綸
(D)無法判斷。
一、單選題 1.C 2.D 3.D 4.B 5.D 6.A 7.D 8.D 9.A 10.D 11.B 12.C 13.A 14.D 15.D 16.B 17.B 18.B 19.D 20.D
二、多選題 1.BE 2.DE 3.ABCDE 4.ABC 5.BDE 6.ABDE 7.AD 8.CD
三、題組 1. (1)B;(2)C
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化學與先進科技
1. 奈米材料： (1)定義：一種由基本顆粒組成的粉狀或團塊狀天然或人工材料，這一基本顆粒的一個或多個 三維尺寸在_________之間，並且這一基本顆粒的總數量在整個材料的所有顆粒總 數中佔 50%以上。 而一般傳統材料稱為塊材。 尺寸（nm） 材料尺度 例 子 0.1～0.5 氦、氫、氧 0.5～1.0 小分子、沸石內的小孔 1.0～100 蛋白質、DNA、無機奈米粒子 100～10000 毛髮直徑、電晶體、細胞 ＞10000 石墨、碳粉、鑽石 2. 奈米材料具有的效應: (1) 表面與結構效應隨著顆粒變小、粒子表面積變大，此時表面原子所占的比例將顯著增加， 即幾乎每個原子都在表面，其反應速率較快，並較易完成反應。
20nm 50nm
(2) 小尺寸效應由於顆粒尺寸變小，內部原子數目減少，表面原子數目增加，引起物質在聲、 光、電、磁、熱學等物理性質上有明顯的變化。 光學:當黃金被細分到小於光波波長的尺寸時，即失去了原有的富貴光澤而呈黑色。 熱學:金的常規熔點為 1064℃，當顆粒尺寸減小到 10 奈米尺寸時，則降低 27℃， 2 奈米尺寸時的熔點僅為 327℃左右。 磁學:人們發現鴿子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趨磁細菌等生物體中存在超微的 磁性顆粒，使這類生物在地磁場導航下能辨別方向，具有回歸的本領。磁性超微顆粒實 質上是一個生物磁羅盤。 力學:陶瓷材料在通常情況下呈脆性，然而由奈米超微顆粒壓製成的奈米陶瓷材料卻具有良 好的韌性。人的牙齒之所以具有很高的強度，是因為它是由磷酸鈣等納米材料構成的。
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★蓮花效應: ( lotus effect ) 指蓮葉表面具有超疏水性以及自潔（self‐cleaning）的特性。在東方文化裡，蓮花是純淨的象 徵。雖然，蓮花喜歡生長在泥濘的溼地，但其葉子和花仍保持乾淨，這就是自潔的效果。植物學家 研究蓮葉表面發現它們有一個自然潔淨的機制。 蓮葉的微觀結構和表面化學意味著不會被水弄濕；水滴在葉片表面就如水銀一般，並且可以 帶走污泥、小昆蟲及污染物。然而，水滴在芋頭葉子亦有相似的行為。
水珠滾過蓮葉表面及 一般光滑表面之情形 3. 奈米的應用: (1)當物質小到奈米的尺度時，具有相當高的「表面積／體積」比； 使得其活性也隨之增大。 有些衣物具有殺菌效果就是將常見的 布料與奈米銀粒子混紡而成。 銀為傳統的殺菌劑，也具有預防潰爛及加速傷口癒合的作用，當 銀奈米化後，表面積變大，殺菌能力經過實驗，可提高多倍。 奈米銀能耐酸、耐鹽和鹼、對熱和光穩定性好，並可達到長期 殺菌功能。
(2)奈米光觸媒: 當奈米級二氧化鈦（TiO2）受到特定 波長之紫外光照射時，產生電子及 TiO2+，並將空氣中的氧分子還原成 O2－（超氧陰離子）及將水分子氧化 成 ·OH（氫氧自由基）。這兩種物質 具有非常大的化學活性，會進一步將 有害的有機物（如病毒、細菌、油汙、 塵等所攜帶的有機毒素）分解，產生二氧化碳和水，因而有淨化、除臭、抗菌、防 汙等效果。
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