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
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核心考點
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
- 綠色化學原則包括：防止廢物、提高原子經濟、使用催化劑、可再生原料、節省能源，以及較安全的化學品和溶劑。原子經濟 = 按已配平方程計的目標產物理論質量 / 反應物總質量 × 100%；兩者均須包含化學計量係數，不等同實際產率。
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：按已配平方程，原子經濟 (%) = [目標產物係數 × Mr(目標產物)] / Σ[反應物係數 × Mr(反應物)] × 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
- 以題給的甲醇羰基化反應為例：CH₃OH + CO → CH₃COOH；用這個反應及製程資料評價綠色化學原則。
- 按淨反應計，兩種反應物的原子全進入目標產物，理論原子經濟為 100%；這不等同實際產率 100%，也不保證製程沒有副產物。
- 若資料顯示使用催化劑、回收未反應原料或減少副產物，可分別連到催化、提高原料利用及廢物最小化；每項判斷均須有資料支持。
- 溶劑安全、能源及排放須按兩個製程的實際資料比較；不能由反應式推斷以水取代溶劑，也不用背誦醋酸工業製程的專用催化劑及操作細節。
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。
- 生質生長時吸收 CO₂，但種植、肥料、加工及運輸亦可排放溫室氣體；須按整個生命週期資料比較，不能只因原料可再生便判定淨排放為零。
解釋催化劑在綠色化學中的角色並舉工業例子
- 催化劑提供活化能較低的反應途徑，可讓某些製程在較低溫度達到所需速率；能否降低溫度或壓力、節省多少能源，須按實際製程資料判斷。催化劑在總反應中不被消耗，通常可用少於化學計量試劑的量。
- 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。
- 催化劑例子：哈柏法使用鐵催化劑。若工藝資料顯示較低溫度可達足夠速率，可連到能源效率；催化劑不改變平衡產率，實際節能須按製程資料判斷。
- 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。
- 可回收再用：減壓使 CO₂ 成為氣體，與產物分開；在設有回收、再壓縮的製程中可減少溶劑廢物。整個製程的廢物量及能源消耗仍須按實際損失、回收效率和其他工序評估，不能一概稱近乎零廢物。
- 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
- 以聚乙烯為例：nC₂H₄ → (C₂H₄)ₙ；按此加成聚合淨反應，原子全部進入目標聚合物，理論原子經濟為 100%。
- 實際產率、未反應原料、溶劑及催化劑廢物須另計，不能由 100% 原子經濟推斷沒有任何製程廢物。
- 比較兩個製程時，用題給溫度、壓力、能源、產率和排放資料判斷催化及能源效率，不需背誦專用催化劑配方或固定操作數字。
- 再考慮原料是否可再生、產品耐用性、回收及處置；生質來源的聚乙烯仍可難以生物降解，來源改變不等同化學結構改變。
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。