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第 3 章　化學與能源

第 3 章　化學與能源. 3 － 1 　能量與能源的簡介 3 － 2 　化石燃料 3 － 3 　化學電池 3 － 4 　其他能源. 3 － 1 　能量與能源的簡介. 一、能　量. （配合翰版課本 P.90 、 P.91 ；講義 P.100 ）. 1. 定義：作功的能力稱為能量。 2. 形式：力學能（動能與位能）、熱能、化學能、光能、電能、磁能、聲能及核能等。. 3. 能量守恆定律： (1) 內容：能量不會無中生有，也不會憑空消失， 能 量的形式可以轉換，但總量不變 。 (2) 實例： 　　 ① 水力發電：水的位能→動能→電能

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第 3 章　化學與能源

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  1. 第 3 章　化學與能源 3－1　能量與能源的簡介 3－2　化石燃料 3－3　化學電池 3－4　其他能源

  2. 3－1　能量與能源的簡介 一、能　量 （配合翰版課本 P.90、P.91；講義 P.100） 1. 定義：作功的能力稱為能量。 2. 形式：力學能（動能與位能）、熱能、化學能、光能、電能、磁能、聲能及核能等。

  3. 3. 能量守恆定律： (1) 內容：能量不會無中生有，也不會憑空消失，能量的形式可以轉換，但總量不變。 (2) 實例： 　　 ① 水力發電：水的位能→動能→電能 　　 ② 引擎運轉：汽油的化學能→動能

  4. 範例 1　能　量 下列有關各種形態能量相互轉換的敘述，哪一項是錯誤的？ (A)家庭瓦斯爐將化學能轉換成熱能　(B)水力發電機可將力學能轉換成電能　(C)飛機噴射引擎將電能轉換成力學能　(D)光合作用將光能轉換成化學能。 (C)化學能（燃料）→力學能（引擎） (C)

  5. 二、能　源 （配合翰版課本 P.91；講義 P.101） 1. 定義：可提供能量的資源，稱為能源。 2. 分類： (1) 非再生能源：化石燃料（煤、石油、天然氣）、核能。 (2) 再生能源：太陽能、風力能、地熱能、水力能、生質能、海洋能，可永續利用。

  6. 範例 2　能　源 下列何者為再生能源？ (A)石油　(B)煤　(C)太陽能　(D)風力能　(E)海洋能。 可永續利用的能源為再生能源。 (C)(D)(E)

  7. 3－2　化石燃料 一、煤 （配合翰版課本 P.92、P.93；講義 P.102） 1. 形成：古代的植物因地殼運動被埋在地底下，經過生物及化學作用，在高溫、高壓下碳化所形成的固態物質。 2. 成分：主要為碳，及少量的氫、氧、氮、硫及其他元素。

  8. 3. 分類：依碳化程度，可分為 4. 用途： (1) 作為燃料。 (2) 煤的乾餾：將煤隔絕空氣加熱，使之分解的過程。 含碳量百分比愈多的煤，燃燒時發煙量愈少，且放熱量愈多。

  9. 煤氣 氨 煤溚 煤焦 CO＋H2（水煤氣）

  10. 範例 1　煤及其乾餾 下列有關煤及其乾餾的敘述，何者正確？ (A)無煙煤的含碳量較煙煤低　(B)無煙煤燃燒時的放熱量較煙煤多　(C)煤的乾餾原理與蒸餾相同，都是物理反應　(D)煤溚經分餾可得苯、甲苯等芳香烴　(E)煤氣的主要成分為氫氣及一氧化碳，可作為燃料。 (A) 較煙煤高。 (C) 乾餾為化學反應。 (E) 煤氣的主要成分為甲烷及氫氣。 (B) (D)

  11. 二、石　油 （配合翰版課本 P.93 ～ P.97；講義 P.103） 1. 形成：石油是古代的動、植物堆積在地底下，在高溫、高壓環境中，經過生物及化學作用轉化而成，為深色、黏稠狀的液態物質。 2. 原油：從油田開採的石油稱為原油，需經提煉才能利用。 3. 成分：為許多種烴類的混合物，主要為烷類（直鏈狀、支鏈狀、環狀）、少量的芳香烴及硫。

  12. 4. 分餾： (1) 意義：依沸點高低，經由加熱、蒸發、凝結而 　　 將混合物中各種成分分離的操作，稱為分餾。 (2) 原油的分餾：

  13. ①原油分餾後的物質還是混合物。 ②石油氣的成分為甲烷、乙烷、丙烷及丁烷。 甲烷、乙烷：天然瓦斯的主要成分。 丙烷、丁烷：經加壓容易液化（液化石油 　　　　　　　 氣，LPG），為桶裝瓦斯、 　　　　　　　 打火機的主要成分。

  14. 5. 熱裂煉： (1) 意義：在高溫、無氧容器中，加入催化劑，將分　 子量較大的烷類裂解、重組成分子量較小的烴類，此方法稱為熱裂煉。 (2) 實例： ① 丙烷的熱裂煉，產生丙烯、乙烯、甲烷及氫 　　 氣。 ② 將分餾塔底的重油經熱裂煉成汽油，其品質較 　　 分餾出的汽油佳。

  15. 6. 汽油的辛烷值： (1) 震爆：在汽缸內，部分油氣被膨脹的燃氣壓縮而自燃，導致兩股燃氣互相撞擊，並碰撞四周機件而產生類似金屬的敲擊聲，有如爆炸，此種現象稱為震爆。引擎震爆會導致引擎損害、降低引擎動力。

  16. 正常燃燒 震爆現象

  17. (2) 辛烷值： ① 意義：用以表示汽油抗震爆程度的數值，稱為　 辛烷值（Octane number，簡寫為 O.N.）。辛　 烷值愈高，汽油的抗震爆性愈佳。 ② 標準：定正庚烷為 0，異辛烷（2,2,4-三甲基戊　 烷）為 100。

  18. ③ 常見燃料的辛烷值： 支鏈烷、烯、芳香烴、醇、醚的辛烷值較高。燃 料之辛烷值可以大於 100 或小於 0。

  19. (3) 92、95、98 汽油的意義：某種汽油之抗震爆性相當於「體積百分率 92％ 異辛烷＋8％ 正庚烷」混合物之抗震爆性，則此汽油辛烷值為 92，稱為 92 汽油；95、98 汽油依此類推。 (4) 含鉛汽油： ① 意義：由原油分餾出的汽油，其辛烷值僅 40～60。為提高辛烷值，早期的汽油添加四乙基鉛　 （(C2H5)4Pb）作為抗震爆劑，故稱為含鉛汽油。

  20. ② 影響： ❶ 含鉛汽油燃燒後的鉛化合物，會傷害汽缸及排　　 氣管尾端的觸媒轉化器。 ❷ 排放出的廢氣含有鉛的化合物，造成空氣汙染。 ③ 改善：以芳香烴、醇類、甲基三級丁基醚等取代　 四乙基鉛，此種汽油稱為無鉛汽油。 觸媒（鉑銠合金）轉化器可以將 CO、NO、NO2 及未燃燒的汽油（烴類），轉化成 CO2、 N2、H2O，降低空氣汙染。

  21. 範例 2　原油的分餾 下列有關原油分餾及汽油的敘述，何者正確？ (A)分餾塔愈高所得的產物，其沸點愈低　(B)液化石油氣的主要成分為甲烷　(C)辛烷值是表示汽油燃燒的程度　(D)市售 95 無鉛汽油，為體積百分率 5％ 的正庚烷與 95％ 的異辛烷之混合物　(E)汽油的辛烷值可以大於 100。

  22. 範例 2　原油的分餾 (B) 為丙烷及丁烷。 (C) 表示汽油抗震爆程度的數值。 (D) 與體積百分率 95％ 的異辛烷和 5％ 的正庚烷混合物之抗震爆性相當的汽油，稱為 95 汽 油。 (A)(E)

  23. 三、天然氣 （配合翰版課本 P.98；講義 P.106） 1. 形成：與石油的形成方式相同。 2. 存在：天然氣田、油田、煤礦層。 3. 成分：主要為甲烷（48 ～ 90％）、乙烷（6 ～18％），少量的丙烷、丁烷。 4. 性質及用途： (1) 天然氣為無臭、無毒的氣體。 (2) 作為燃料：甲烷的熱值高達 55600 kJ/kg。

  24. (3) 製備氫氣：CH4C（碳黑）＋2H2 (4) 製備甲醇、氨、尿素： CH4 CO＋H2CH3OH H22NH3(NH2)2CO（尿素）

  25. 範例 3　熱值計算 甲醇、氫氣、碳及甲烷的莫耳燃燒熱分別為－170 kcal、－68 kcal、－94 kcal、－213 kcal。同質量的上述物質 完全燃燒時，何者放熱最多？ (A)甲醇　(B)氫氣　(C)碳　(D)甲烷。 設質量均為 1 克，則各物質燃燒所放出的熱量分別為： (B)

  26. 3－3　化學電池 一、化學電池的原理 （配合翰版課本 P.99、P.100；講義 P.108） 1. 電池：利用自發性的氧化還原反應，將化學能轉成電能的裝置，稱為化學電池，簡稱電池。 2. 構成電池的原理與條件： (1) 原理：自發性氧化還原反應。 (2) 條件：要有電極、電解液、鹽橋，並形成電通路。參考下頁表之比較，兩電極必分別置於兩電解槽中，才能產生電流。

  27. 3. 電池三大構造：電極、電解液、鹽橋。 以鋅銅電池為例： (2) 電解 　　 液 陽極（氧化），負極（電子流出） 鋅片：Zn(s)→ Zn2＋(aq)＋2e－ 陰極（還原），正極（電子流入） 銅片：Cu2＋(aq)＋2e－→ Cu(s) 全反應：Zn(s)＋Cu2＋(aq)→ Zn2＋(aq)＋Cu(s) (1) 電極 陽極：ZnSO4(aq)，含有陽極的陽離子Zn2＋(aq) 陰極：CuSO4(aq)，含有陰極的陽離子Cu2＋(aq)

  28. 組成：高濃度可溶鹽類，如 KNO3(aq) 條件：不能與電解液、電極發生反應 功能：形成電通路，並維持溶液電中性 　　　① 陽極：當 Zn(s)氧化，Zn2＋(aq)增加， 　　　　 鹽橋內的 NO3－(aq)便流向陽極 ② 陰極：當 Cu2＋(aq)還原，Cu2＋(aq) 減少，鹽橋內的 K＋(aq)便流向陰極 替代：可用多孔隔板代替鹽橋 (3) 鹽橋

  29. 4. 電荷的移動： (1) 外電路（導線） 　 　電子：陽極（負極）→陰極（正極） (2) 內電路（溶液） 　 　陽離子：游向陰極，陰離子：游向陽極 (3) 電子流方向與電流方向相反。

  30. 範例 1　電池原理 下列有關電池的敘述，何者正確？ (A)將鋅棒置入硫酸銅溶液中即成為電池　(B)鋅銅電池的陽極為鋅，負極為銅　(C)電池放電時，鹽橋內溶液的陽離子移向陰極　(D)電池放電時，電子經由溶液，從陽極移向陰極　(E)鋅銅電池放電時，鋅在陰極析出。 (A) 沒有形成電通路，無法放電，故非電池。 (B) 鋅為陽極、負極。 (D) 電子經由導線，從陽極移向陰極。 (E) 銅在陰極析出。 (C)

  31. 自然組延伸學習區 電　極 （配合講義 P.110） 1. 電極分類：

  32. 自然組延伸學習區

  33. 自然組延伸學習區 2. 易失去電子的金屬為陽極。金屬失去電子傾向： Li＞K＞Cs＞Ba＞Sr＞Ca＞Na＞Mg＞Al＞Mn＞Zn＞Cr＞Fe＞Co＞Ni＞Sn＞Pb＞Cu＞Hg＞Ag＞Pt＞Au（配合電池實驗）

  34. 自然組延伸學習區 範例――電池與電極 下列有關電池與電極的敘述，何者正確？ (A)電池的陽極為正極　(B)電池的陽極得到電子　(C)電池的負極得到電子　(D)鋅銅電池的陽極為鋅　 (E)鎳銅電池的陽極為鎳。 (A)(B)(C) 電池的陽極為負極，失去電子，行氧化 　　　　 反應。 (D)(E) 失電子傾向大者為陽極，而失電子傾向為 鋅＞鎳＞銅。 (D)(E)

  35. 二、常見的電池 （配合翰版課本 P.101 ～ P.107；講義 P.111） 1. 種類： (1) 一次電池：不能充電，有乾電池、 鹼性乾電池、一次鋰電池 (2) 二次電池：可以充電，鉛蓄電池、 鎳氫電池、二次鋰電池 (3) 燃料電池：只要供給燃料就可發電， 好似發電機。 2. 一次電池： 均要回收

  36. 二次電池：

  37. －

  38. 4. 燃料電池： (1) 意義：將儲存於燃料中的化學能直接轉成電能的 裝置，稱為燃料電池。 (2) 使用燃料發電的方式：

  39. (3) 氫氧燃料電池： ① 電壓：0.7 V。 ② 構造： 　 ❶ 電極：兩極均為鍍有鉑黑（催化劑）的多孔 　　　 性石墨板價格昂貴 　 ❷ 反應物：陽極通入氫氣（燃料），陰極通入 　　　 氧氣。 　 ❸ 電解液：強鹼型（如 KOH）或質子交換膜型 　　　 等。下頁圖以質子交換膜燃料電池為例。

  40. ③ 全反應：2H2(g)＋O2(g)→ 2H2O() 鹼性燃料電池的反應： 陽極：2H2(g)＋4OH－(aq)→ 4H2O()＋4e－ 陰極：O2(g)＋2H2O()＋4e－→ 4OH－(aq) 全反應：2H2(g)＋O2(g)→ 2H2O()

  41. 範例 2　常見的電池 下列有關常見的電池之敘述，何者正確？ (A)乾電池的電解液不含水　(B)乾電池的陽極為碳棒　(C)鉛蓄電池放電時，陽極質量增加　(D)使用氫氧燃料電池時，氫氣由陽極通入　(E)鋰離子電池的電壓大於乾電池。 (A) 仍含水，但電解質呈糊狀。 (B) 陽極為鋅罐。 (C) Pb → PbSO4，故質量增加。 (C)(D)(E)

  42. 範例 3氫氧燃料電池 下列有關強鹼型（KOH）氫氧燃料電池的敘述，何者正確？ (A)可以充電，反覆使用　(B)陰、陽電極均含有鉑　 (C)放電時，氧氣行還原反應　(D)每消耗 1 莫耳氧氣，亦有 1 莫耳氫氣反應　(E)放電後，KOH 的莫耳數不變。

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