DSE Chem 工業化學攻略｜Haber+Contact+氯鹼+速率方程式+真題拆解
Topic XIII 工業化學選修涵蓋 Haber 合成氨、Contact 法製硫酸、氯鹼工業、鋁金屬提煉、乙醇工業生產，加上速率方程式同 Arrhenius 方程。本篇拆解 5 個工業條件對比、原子經濟性概念、最常混淆嘅 temp/pressure/catalyst 記憶法，配兩題真題 walkthrough。
工業化學呢個選修課題嘅分數密度其實好高 — 一條題目叫你對比 Haber 同 Contact 嘅操作條件，已經可以考晒速率、平衡、催化劑、經濟性四個 concept。但亦因為 concept 密度高，好多考生只記到「Haber 合成氨、Contact 造硫酸」兩句口訣，一遇到問「點解選呢個溫度、呢個壓力」就冇嘢答。
呢篇攻略由 HKEAA 五個 sub-section 切入：速率方程、Haber、Contact、氯鹼、鋁/乙醇生產。核心係要識得將「速率 vs 平衡」呢個 trade-off 喺每個工業流程都講一次 — 因為考官最鍾意出嘅題型就係「點解唔用更高 / 更低嘅溫度？」
HKEAA 呢 topic 要求：工業過程嘅量化分析
指引強調呢個 topic 嘅考核重點，唔係背化學方程式，而係理解「工業條件點樣由實驗數據決定」，以及「原子經濟性 atom economy」呢個綠色化學量化指標。考試重心擺喺速率方程式推導、Arrhenius 分析、同埋用 Le Chatelier 原理解釋 Haber/Contact 條件選擇。
指引要求學生「由實驗數據推導速率方程式」、「應用勒沙特列原理解釋 Haber 及 Contact 條件選擇」、「計算原子經濟性並評論工業過程嘅可持續性」。注意：選修課題容許 Paper 2 essay 題出現整條工業流程比較。
必背 flashcard · 8 張核心
呢 8 張 flashcard 覆蓋咗歷年選修工業化學嘅所有出題材。條件對比表尤其係必背。
① Haber process 條件 + 方程式
條件選擇原因：低溫利於平衡但速率慢；高壓利於正向但設備成本高。450°C 同 200 atm 係「compromise」— 平衡同速率嘅最佳折衷。
② Contact process 三步 + 方程式
陷阱：SO₃ + H₂O 直接反應會放出大量霧氣（unmanageable）— 所以要先用濃硫酸吸收再稀釋。
③ Haber vs Contact 條件對比（必考）
記憶鉤：Haber 高壓 Fe、Contact 常壓 V₂O₅。
④ 氯鹼工業 3 產品 + membrane cell
陷阱：「Diaphragm cell」已被取代，因為產物純度低；「mercury cell」因 Hg 污染被淘汰。
⑤ 鋁提煉（Hall-Heroult）
陷阱：唔可以水電解 Al³⁺（水 prior reduced），所以必須熔融電解。
⑥ 乙醇工業製法兩種
(B) 乙烯水合 (hydration of ethene)：CH₂=CH₂ + H₂O → C₂H₅OH，濃 H₃PO₄ 催化，300°C、60 atm。優點：快、純度高；缺點：石油衍生、不可再生。
⑦ 速率方程式 + 反應級數
考點：k 嘅單位會因 overall order 唔同而變 — order 2：mol⁻¹ dm³ s⁻¹；order 1：s⁻¹；order 0：mol dm⁻³ s⁻¹。
⑧ 原子經濟性 atom economy
陷阱：唔好同 percentage yield 撈亂 — yield 睇實際收集到幾多，atom economy 睇理論上幾多原子用得著。
⑨ 三種 chlor-alkali cell 詳細對比
Diaphragm cell（過渡期技術）：asbestos 多孔隔膜分陽陰，陰極室收 NaOH 但混有 NaCl。優：電耗較低。缺：產品純度差、石棉致癌。
Membrane cell（現代主流）：ion-exchange membrane 只准 Na⁺ 穿越 → 陰極室得純 NaOH。優：高純度 + 低電耗（~2500 kWh）+ 無毒。2017 年起歐盟已 phase out mercury cell。
考點：考評局只承認 membrane cell 係現代標準；答 Hg cell 不得分。
高頻陷阱 · 5 個最典型失分位
陷阱 1：Haber 同 Contact 壓力條件撈亂
寫 Contact 用 200 atm、寫 Haber 用 2 atm 係典型 fatal error。核心邏輯：氣體 mol 減半愈多、加壓愈有用。Haber 4 mol → 2 mol（減半），高壓 benefit 大；Contact 3 mol → 2 mol（只減 33%），加壓邊際效益低於高壓設備成本，故工業唔用高壓。
真題：2021 DSE Chem Paper 2 Q10 essay 題要求解釋兩個工業嘅條件選擇差異，評卷員指一半考生都答錯壓力對比。
陷阱 2：氯鹼三種 cell 搞亂產物
Membrane cell 嘅 ion-exchange membrane 只准 Na⁺ 穿越；如果考生寫「讓 OH⁻ 穿過」就錯（OH⁻ 應該留喺陰極室俾 NaOH 產出）。另一常見錯誤：寫「diaphragm cell 產生純 NaOH」— 實際係 diaphragm 允許 NaCl 混入產物，所以純度低過 membrane cell。
陷阱 3：Hall-Heroult 漏 cryolite 作用
純 Al₂O₃ m.p. 2050°C 要加熱好貴。溶於熔融 cryolite 後 m.p. 降至約 950°C，省咗大量能源。答題要明寫「cryolite lowers the melting point of Al₂O₃, saving energy in electrolysis」— 只寫「cryolite 作 solvent」得 0.5 分。
真題：2022 DSE Chem Paper 2 Q11 要求解釋 cryolite 點解唔可以用水溶液代替，答案係 Al³⁺ 喺水溶液會優先還原 H⁺，得唔到 Al。
陷阱 4：速率 order 由 stoichiometric 推斷
有考生睇到 2A + B → C 就寫 rate = k[A]²[B]。呢個只係 elementary reaction 嘅情況；複雜反應（多步）order 必須由實驗決定。HKEAA 答卷評語明確指出：「從化學計量方程推斷反應級數係常見嘅嚴重錯誤」。
真題：2024 DSE Chem Paper 2 Q9 要求用初速法求 order，寫 order = coefficient 即失 3 分。
陷阱 5：發酵 vs 水合優缺點混淆
維度 | 發酵 | 水合
原料 | 再生（糖 / 澱粉）| 不可再生（石油衍生乙烯）
速率 | 慢（需幾日）| 快（連續生產）
純度 | 低（~15%, 需蒸餾）| 高
能耗 | 低（常溫常壓）| 高（300°C、60 atm）
碳中和 | 較接近（植物吸 CO₂）| 否
答題要分「速率 / 成本 / 環保 / 可持續性」四維度回答，唔好單寫「發酵環保」太籠統。
陷阱 6：Contact process 點解唔用水直接吸收 SO₃
SO₃ + H₂O → H₂SO₄ 反應極度放熱，直接用水會產生大量 H₂SO₄ 酸霧 (acid mist / aerosol)，不但 uncontrollable 仲難以收集 — 呢啲霧係最嚴重嘅污染源之一。工業解決方法：(1) 先將 SO₃ 吸收於 98% 濃 H₂SO₄ 形成 oleum（H₂S₂O₇）；(2) 再將 oleum 加適量水稀釋得 98% H₂SO₄ 循環使用。答題必寫「avoid formation of corrosive acid mist / aerosol」。
真題：2023 DSE Chem Paper 2 Q10 考此 specific scoring point，約 40% 考生只寫「放熱」冇提 acid mist。
Catalyst = "a substance that increases the rate of reaction by providing an alternative pathway with lower activation energy, without being consumed or altering the position of equilibrium"。Optimum condition = "the combination that gives an acceptable yield within an economically viable time"（要齊 yield + time）。Atom economy = "% of reactant atoms that end up in the desired product"，與 yield 分清。Membrane cell = "an ion-exchange membrane that allows only cations (Na⁺) to pass, preventing mixing of Cl₂ and NaOH"。
答題 framework · 條件解釋三件套
工業流程題俾分模式：每個條件都要答「對速率 + 對平衡 + 經濟性」三個角度。
| 條件 | 對速率 | 對平衡（Le Chatelier） | 取捨 |
|---|---|---|---|
| 高溫 | 加快 | 放熱反應逆向（yield 下降） | 中溫 compromise |
| 高壓 | 加快（濃度大） | n 減少方向有利（yield ↑） | 考慮設備成本 |
| 催化劑 | 加快（Ea 降低） | 不影響 yield，只縮短達平衡時間 | 必用 |
真題 walkthrough · 2 題
真題 1：2021 Paper 2 Q10 · 4 marks · Haber 條件選擇
題目（paraphrase）：Haber process 使用 450°C 而不是更低嘅溫度。試由反應嘅熱化學同動力學角度解釋。
Model answer：N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃ 為放熱反應 (1)，根據 Le Chatelier 原理，降低溫度有利於正向平衡，yield 應該上升 — 但低溫時反應速率極慢，工業生產所需時間太長不合乎經濟效益 (1)。升高溫度可加快速率（分子動能增加，Ea 被跨越嘅機率增加）(1)，但 yield 會下降。450°C 係兩者之間嘅「compromise」— 保持合理速率而 yield 仍喺可接受範圍 (1)。
失分位：只寫「450°C 係折衷」得 1 分。齊「平衡移向 + 速率影響 + 經濟取捨」三件先拎滿分。
真題 2：2024 Paper 2 Q9 · 3 marks · 初速法求 rate equation
題目（paraphrase）：以下三組實驗數據係反應 A + B → C 嘅初速率。固定 [B]₀ 時 [A]₀ 由 0.1 變 0.2，rate 由 2.0 × 10⁻³ 增至 8.0 × 10⁻³；固定 [A]₀ 時 [B]₀ 由 0.1 變 0.2，rate 不變。求速率方程式。
Model answer：[A]₀ 增 2 倍 → rate 增 4 倍 (2²) → order w.r.t. A = 2 (1)。[B]₀ 增 2 倍 → rate 不變 → order w.r.t. B = 0 (1)。故 rate = k[A]²；overall order = 2；代入數據 k = 2.0 × 10⁻³ / (0.1)² = 0.2 mol⁻¹ dm³ s⁻¹ (1)。
失分位：好多學生漏寫 k 嘅單位（mol⁻¹ dm³ s⁻¹），或者混亂咗單位推導，直接失第 3 分。
學習路徑 · 3 步打通
去 /dse-chem/industrial-chemistry/ 每個工業過程逐條 scoring point 過一次，包括條件選擇背後嘅 Le Chatelier reasoning。
一張 A4 橫向列出 5 個工業嘅：反應方程式、溫度、壓力、催化劑、產物、主要應用 — 考前三日翻一次即定。
下載 DSE 神器 Chem App，專攻 Topic XIII structured 題，尤其係速率方程式 + Arrhenius graph。
延伸閱讀
Le Chatelier 原理係理解 Haber 條件嘅前提。
呢個 topic 呼應加成 vs 縮合聚合嘅原子經濟性。
選修題 500+ 題，包 XIII–XV 三個選修課題。
工業化學係全科集大成 — Haber/Contact 條件用 化學平衡 + 反應速率，電解金屬用 氧化還原，原料轉化則見 金屬 同 化石燃料。評核重點見 HKEAA 分析。
