DSE Chem 材料化學攻略｜聚合物+合金+陶瓷+複合材料+真題拆解
Topic XIV 材料化學選修涵蓋聚合物（熱塑 vs 熱固）、合金性質、陶瓷結構、複合材料及可持續性。本篇拆解 structure-property 邏輯鏈、5 大陷阱（thermoplastic 混淆、hardness 解釋漏 slip plane）、必背 flashcard 同兩題真題 walkthrough。
材料化學呢個選修成日畀人覺得「零碎難記」— 因為涵蓋金屬、陶瓷、聚合物、複合材料四大類，每類又分 sub-type。但其實 HKEAA 嘅出題邏輯好一致：佢永遠圍繞一條主線「結構-性能關係 (structure-property relationship)」，即係「點解呢種材料有呢種性質？背後嘅 bonding 同 crystal 結構係點？」
考生最典型中伏：只記「熱塑 vs 熱固」名，唔記「分子結構差」；只寫「合金比純金屬硬」，唔講「點解硬 — slip plane 被唔同大小嘅 atom 打亂」；背咗「陶瓷 brittle」三個字，唔明白「ionic/covalent 鍵唔可以滑動」點樣導致 brittleness。呢篇攻略將 5 個 sub-section 重組，每一點都連住背後嘅 bonding 解釋。
HKEAA 呢 topic 要求：結構-性能主軸
指引強調三個維度：(1) 由 bonding 類型推性質；(2) 比較同類材料嘅結構差異；(3) 評論可持續性及回收。換句話講，呢個 topic 考嘅從來唔係「背名」，而係「用概念連結結構同性能」。
指引要求學生「運用結構-性能關係解釋聚合物、合金、陶瓷嘅不同性質」、「比較加成及縮合聚合機制同生成產品類型」、「評估材料嘅可持續性同回收分類」。Paper 2 essay 題經常出現「比較三種材料嘅用途及環保考慮」。
必背 flashcard · 7 張核心
呢 7 張覆蓋歷年材料化學考題八成以上嘅知識點。每張必定連住「結構 → 性能」呢條邏輯。
① Thermoplastic vs Thermoset 結構差
熱固性 (thermoset)：聚合過程形成 cross-links（共價鍵交聯）成 3D 網狀；受熱唔軟化，繼續加熱會分解；不能重塑。例：Bakelite、epoxy、urea-formaldehyde。
陷阱：答題必寫「cross-linked / no cross-links」兩個字 — 單純講「唔會軟化」唔夠具體。
② 金屬三大晶體結構
記憶：「CCP 同 HCP 都係 close-packed（最密堆積 74%）」，BCC 係相對較鬆（68%）。
③ 合金硬度點解高過純金屬
答題必寫：「different sized atoms distort the regular lattice / hinder slip planes / prevent layers sliding over each other」。
④ 常見合金 5 種 + 用途
陷阱：18K 金係 Au 合金（75% Au + 25% Cu/Ag）— 純 24K 太軟唔耐磨。
⑤ 陶瓷點解 brittle（脆）
性質：高熔點、硬但 brittle（冇 ductility）、絕緣、抗腐蝕。
⑥ 複合材料 3 大例子
核心：複合材料嘅強化原理同 alloy 唔同 — alloy 係「打亂 slip plane」，composite 係「兩種材料各補對方弱點」。
⑦ 塑料回收 7 類代碼
3R：Reduce（源頭減量）、Reuse（重用）、Recycle（再加工）— 按優先級排列。
⑧ Thermoset 回收點解咁難
現行方法：(1) mechanical grinding 用作 filler（降級）；(2) pyrolysis 高溫裂解；(3) solvolysis 化學溶劑分解 cross-link。但成本高、規模細，大部分仲係掉堆填區。
⑨ 加成 vs 縮合聚合 atom economy
縮合聚合 (condensation)：每個連接釋出 small molecule（H₂O 或 HCl） → atom economy < 100%。例：nylon-6,6 釋水；Kevlar 釋水；PET 釋水；polycarbonate 釋 HCl 或酚。
考點：問「邊種聚合較綠色」要答加成 — atom economy 高，零副產物。
高頻陷阱 · 5 個最典型失分位
陷阱 1：Thermoplastic vs Thermoset 答漏「cross-link」
寫「thermoset 受熱唔會軟化」係描述性答案，得 1 分；但冇解釋 why。滿分答案一定要點明「thermoset 分子之間有 extensive cross-linking (strong covalent bonds)，加熱時分子唔可以自由滑動」— 同「thermoplastic 只靠 weak van der Waals forces，受熱就打破」形成對比。
真題：2021 DSE Chem Paper 2 Q12 要求比較兩種聚合物，評卷員指出「cross-link」呢個字出現率只有 30%。
陷阱 2：合金 harder 解釋漏 slip plane
寫「合金比純金屬硬因為混咗其他元素」太泛。必須寫到「不同大小嘅原子扭曲 regular metal lattice，阻礙 metal layers sliding / slip planes，故硬度提升而 ductility 下降」。漏 slip plane 扣 1 分。
陷阱 3：Composite vs Alloy 強化機制混淆
Alloy：同一個 metal lattice 入面加入 foreign atoms → 打亂 slip plane。Composite：兩種完全唔同嘅 phase（fibre + matrix），fibre 受 tensile、matrix 受 compression / shear，兩者形成互補。考試經常問「reinforced concrete 點解強」— 答「concrete 抗壓、steel 抗拉，兩者 complementary」。
真題：2023 DSE Chem Paper 2 Q11 考 carbon fibre composite vs duralumin，要求講強化機制差異。
陷阱 4：加成 vs 縮合聚合搞錯單體條件
加成聚合：單體必含 C=C（alkene 或 substituted alkene），打開 π 鍵連接，100% atom economy，無副產物。例：PVC、PE、PP、PTFE。
縮合聚合：單體需含兩個官能基（e.g. –COOH + –OH 或 –COOH + –NH₂），每次連接釋出 H₂O 或 HCl，atom economy <100%。例：nylon-6,6、PET、Kevlar、epoxy。
陷阱：記得 Kevlar 係 condensation polymer，唔好誤當 addition。
陷阱 5：陶瓷 brittle 解釋太籠統
唔好只寫「陶瓷 brittle 因為佢係 ionic」。高分答案：「陶瓷嘅 ionic 或 covalent network 鍵結方向固定，外力迫使離子滑動時，正負電荷會 align 成 like charges，產生 strong repulsion → 結構沿 crack 傳播即斷裂。金屬因為 sea of delocalised electrons 可以容許離子層滑動而唔改變鍵結狀態，所以延展性好」。
陷阱 6：7 種回收碼順序記錯
① PET (水樽) → ② HDPE (奶樽) → ③ PVC (水管) → ④ LDPE (膠袋) → ⑤ PP (熱食容器) → ⑥ PS (發泡膠) → ⑦ OTHER / PC (混雜)。
MC 題經常問「邊個號碼代表 PET」或反問「⑤號碼用途」。記憶訣：「P-ETE、H-DPE、V-inyl、L-DPE、P-P、P-S、O-ther」首字首序。
DSE 考評局允許 ①②④⑤ 視為易回收單一熱塑，③⑥⑦ 視為難回收。
陷阱 7：Kevlar / Nylon 誤當 addition polymer
Nylon-6,6 係 condensation polymer — 由 1,6-diaminohexane + hexanedioic acid 縮合，每個 amide linkage（–CONH–）形成時釋出一個 H₂O。Kevlar 同理（aromatic amide）。兩者都唔涉 C=C 打開。
考生見到「long chain polymer」就誤當 addition — 要睇單體：含 C=C → addition；兩個反應性官能基 → condensation。
Thermoplastic = "polymer with linear chains held by weak van der Waals forces; softens on heating and can be remoulded repeatedly"。Thermoset = "polymer with extensive covalent cross-links forming a 3-D network; does not soften on heating and cannot be remoulded"。Alloy = "a mixture of metals (or metal + non-metal) where foreign atoms of different size distort the regular lattice, hindering slip and increasing hardness"。Composite = "a material combining two or more phases (e.g. fibre + matrix) so each compensates the other's weakness"。
答題 framework · structure → bonding → property
材料題俾分邏輯永遠係三層：材料嘅結構 → 鍵結類型 → 宏觀性質。Level 4 通常只寫 property，Level 5 由 structure 推論 property。
| 材料 | 結構 | 鍵結 | 典型性質 |
|---|---|---|---|
| 純金屬 | 規則 lattice + 自由電子 | 金屬鍵 | 延展、導電、軟 |
| 合金 | 異原子扭曲 lattice | 金屬鍵 | 硬、較脆、導電 |
| 熱塑 | 線性長鏈 | vdW（鏈間） | 可重塑、軟 |
| 熱固 | 3D 交聯網絡 | 共價鍵（cross-links） | 硬、不可重塑 |
| 陶瓷 | ionic / covalent network | 離子鍵 / 共價鍵 | 硬、脆、絕緣、耐熱 |
真題 walkthrough · 2 題
真題 1：2021 Paper 2 Q12 · 3 marks · 熱塑 vs 熱固
題目（paraphrase）：參考 polyethylene（熱塑）及 Bakelite（熱固）嘅分子結構，解釋點解兩者加熱行為唔同。
Model answer：Polyethylene 由線性長鏈分子組成，鏈之間只靠 weak van der Waals forces 連接 (1)；加熱時 vdW 打破，分子可滑動，故軟化可重塑 (1)。Bakelite 嘅分子間存在大量 covalent cross-links 形成 3D 網絡；加熱時 covalent bonds 無法打破，分子不能自由移動，故加熱不軟化（再加熱會分解）(1)。
失分位：冇寫「van der Waals」或「cross-link」具體字眼，只寫「強鍵 vs 弱鍵」— 扣 1 分。
真題 2：2023 Paper 2 Q11 · 4 marks · 複合材料 vs 合金
題目（paraphrase）：Carbon fibre reinforced polymer (CFRP) 同 duralumin 都用於飛機結構。比較兩者嘅強化機制同其中一個環保優勢。
Model answer：Duralumin 係 Al 合金加入 Cu/Mg/Mn，靠 foreign atoms 扭曲 Al lattice、阻礙 slip plane，令硬度 + 抗張力增加 (1)；機制屬「單相」強化 (1)。CFRP 由 carbon fibres + polymer matrix 組成，fibres 承受拉力、matrix 分散應力並防止 fibre 斷裂擴展；屬「雙相互補」強化 (1)。環保角度：CFRP 密度更低（省燃油）；但回收困難，現階段主要靠 downcycling（降級循環）(1)。
失分位：冇區分「單相 alloy」同「雙相 composite」邏輯嘅，兩個機制描述變得重疊 — 即失 1 分。環保角度要「具體」— 只寫「CFRP 更環保」得 0.5 分。
學習路徑 · 3 步打通
去 /dse-chem/materials/，逐個 sub-section 過 scoring points — 尤其係「structure → property」嘅句式模板。
一張 A4 橫列「純金屬 / 合金 / 熱塑 / 熱固 / 陶瓷 / 複合」六格，直排「結構 / 鍵結 / 硬度 / 延展 / 導電 / 回收性」— 考前快速 recall。
下載 DSE 神器 Chem App，集中做 structured 同 essay 嘅比較題。
延伸閱讀
加成 vs 縮合聚合嘅 mechanism 深度拆解。
金屬鍵、活性序、電化學提取。
2,000+ 題覆蓋全 15 topic。
材料化學嘅聚合物 + 合金扣 碳化學 嘅加成/縮合反應，同 微觀世界 II 嘅 IMF + 晶格理論；工業合成條件則見 工業化學。評核框架見 HKEAA 分析。
