工業化學 / 子課題
綠色化學原則
Green Chemistry Principles
綠色化學十二原則、原子經濟性及可持續發展
核心考點 (Knowledge Groups)
1. 綠色化學原則
考評提示：綠色化學六大核心原則、催化劑 vs 化學計量試劑
- 綠色化學重要原則：(1) 原子經濟性 = Mr(目標產物) / ΣMr(所有產物) × 100%——越高廢棄物越少；(2) 防止廢料生成優於事後處理；(3) 優先使用催化劑（可循環）而非化學計量試劑；(4) 使用可再生原料；(5) 設計低能耗工藝；(6) 使用更安全的化學品和溶劑。
常見題型 · scoring points
列舉綠色化學的六項核心原則並簡述其意義
- 防止廢物勝於處理廢物：設計合成路徑使副產物最少化，勝於事後清理。
- 原子經濟 (Atom economy)：原料中的原子盡量併入最終產物，減少浪費。
- 使用危險性較低的化學合成法、較安全的溶劑（如水、超臨界 CO₂）及輔助物，減低毒性及污染。
- 使用催化劑而非化學計量試劑；以可再生原料（植物生質）取代不可再生原料（化石燃料）；及設計可降解產物 → 達致可持續發展。
計算反應 C₆H₆ + HNO₃ → C₆H₅NO₂ + H₂O 的原子經濟
- 公式：原子經濟 (%) = (目標產物相對分子質量 / 所有反應物相對分子質量總和) × 100%。
- 反應物：C₆H₆ = 78；HNO₃ = 63；總和 = 141。
- 目標產物 C₆H₅NO₂（硝基苯）= 123。
- 原子經濟 = 123 / 141 × 100% ≈ 87.2%；剩餘 12.8% 以副產物 H₂O（18/141 ≈ 12.8%）形式浪費。
比較加成反應、取代反應與消去反應在原子經濟上的差異
- 加成反應：所有原料原子併入產物，原子經濟 100%（例如 CH₂=CH₂ + H₂ → CH₃CH₃），理論上最理想。
- 取代反應：一部分原料以「離去基」形式排出，原子經濟通常中等（如硝化反應 ≈ 87%）。
- 消去反應：目標產物是 A 但伴隨釋出 H₂O、HCl 等副產物，原子經濟可低至 50%。
- 結論：由綠色化學角度，優先選用加成反應的合成路線；亦應考慮選擇性、能耗、溶劑及安全風險。
以生產醋酸 (CH₃COOH) 為例說明綠色化學原理的實踐
- 傳統法：甲醇與 CO 高壓高溫反應需用高毒性催化劑，並消耗大量化石能源。
- 甲醇羰基化（Cativa 法）：CH₃OH + CO →(Ir 催化) CH₃COOH；原子經濟達 100%，無副產物，體現原子經濟與催化劑原則。
- 溶劑：以水取代有機溶劑；並以原料甲醇循環使用——體現較安全溶劑及廢物最小化原則。
- 能源：Ir 催化劑比傳統 Co 催化劑壽命更長、選擇性更高，使操作溫壓降低 → 節能且減少 CO₂ 排放。
解釋使用可再生原料（生質）取代化石原料在綠色化學中的重要性
- 化石原料（石油、煤、天然氣）總量有限且開採會破壞環境；燃燒或加工排放大量 CO₂ → 加劇溫室效應。
- 可再生原料：如玉米澱粉、甘蔗、木質素、植物油，屬光合作用產物，可持續補充。
- 例子：由乳酸（玉米發酵而得）聚合製 PLA（聚乳酸）生物可降解塑膠，取代以石油生產的 PE、PP。
- 碳循環中性：生質生長時吸收 CO₂，使用後釋放 CO₂ → 淨排放接近零，有利減低全球暖化。
解釋催化劑在綠色化學中的角色並舉工業例子
- 催化劑降低 Eₐ，使反應在較低溫、壓下進行 → 節省能源；且本身不被消耗，用量極少，減少化學廢物。
- 提高選擇性：選擇性催化劑可減少不想要的副產物，提高產物純度並減少分離與純化的廢物。
- 例子 1：Ziegler–Natta 催化劑使乙烯在常溫常壓下聚合成高密度聚乙烯，能耗遠低於舊的高壓法。
- 例子 2：汽車三元催化器（Pt/Pd/Rh）將 CO、NOx、未燃 HC 轉化為 CO₂、N₂、H₂O，大幅減少路邊污染。
以超臨界 CO₂ 取代傳統有機溶劑的優點
- 超臨界 CO₂（T > 31°C、P > 73 atm）兼具液體的溶解能力與氣體的擴散性，屬較安全溶劑。
- 無毒、不易燃，比 CHCl₃、苯等有機溶劑安全，且廢棄時不會排放 VOCs 空氣污染物。
- 可再循環：調整溫壓使 CO₂ 氣化即可分離產物，CO₂ 可被壓縮循環再用，廢物近乎為零。
- 例子：用於咖啡脫咖啡因、精油萃取及聚合反應，符合較安全溶劑及廢物預防的綠色原則。
利用綠色化學原則評價一個工業過程的例子
- 案例：聚乙烯生產。傳統 ICI 高壓法需 1500 atm、200°C，能耗極高且產物分子量不均。
- Ziegler–Natta 催化法：常壓、60°C、TiCl₄/Al(C₂H₅)₃ 催化；能耗大減、選擇性提高，符合「催化」和「能源效率」原則。
- 原子經濟：nC₂H₄ → (C₂H₄)ₙ 為加成聚合，原子經濟 100%，無副產物——體現「原子經濟」與「廢物預防」原則。
- 限制：原料乙烯仍來自石油，且 PE 不易生物降解；改用以生質來源的乙醇脫水製乙烯 + 設計可降解 PE 是未來綠色化方向。
工業化學 其他子課題
關於本文：由 DSE 神器團隊整理，資料以香港考試及評核局（HKEAA）最新公佈為準，含歷屆考評建議引用。最後更新：2026 年 4 月。想隨時隨地溫習？下載 DSE 化學神器 App。
