化石燃料：從原油到日常用品（及污染問題）

各位同學好！你有沒有想過汽車用的汽油、或者塑膠瓶的材料是從哪裡來的呢？答案通常是埋藏在地底深處一種又濃又黑又黏的液體，我們稱它為原油。在這一章，我們會跟隨原油展開一場旅程。我們會看看如何利用分餾法這個程序，將原油轉化成非常有用的物品，並探討這些產品的用途，同時也會坦誠地探討燃燒這些燃料所造成的環境問題。這是一個非常重要的課題，因為它影響著我們的日常生活和地球的未來。我們開始吧！


1. 什麼是原油（石油）？

首先，這東西到底是什麼？

  • 原油（亦稱石油）是由多種不同化合物組成的複雜混合物。
  • 這些化合物大部分都是碳氫化合物。
  • 它是一種化石燃料，意思是它由數百萬年前死亡的微小海洋植物和動物遺骸形成。地球深處的高溫和高壓將它們轉化成我們今天使用的石油。
  • 因為它是一種混合物，當中的不同碳氫化合物並沒有化學鍵合在一起。這真是個好消息，因為這表示我們可以把它們分開！
快速複習：什麼是碳氫化合物？

不用擔心如果你忘記了！碳氫化合物簡單來說就是一種只由氫原子（H）和碳原子（C）構成的化合物。它們的形狀和大小各異，從短小的鏈到非常長、複雜的鏈都有。

你知道嗎？

石油這個詞字面上是指「岩石油」，源自拉丁文的「petra」（岩石）和「oleum」（油）。原油是一種有限資源，這表示一旦我們把它們全部用完，它就永遠消失了！

重點總結

原油是一種化石燃料，也是由許多不同大小的碳氫化合物組成的混合物。由於它是一種混合物，我們可以將它分離成有用的部分。


2. 大分離：分餾法

那麼，我們有了這團亂糟糟的原油混合物，要怎樣才能將它分離成汽油和柴油等有用的物質呢？我們使用一種巧妙的工業程序，稱為分餾法。

主要概念

想像一下你有一罐混合了不同大小沙子、小石子和石塊的罐子。你可以用一套不同孔徑的篩子將它們分開。分餾法與此類似，但它不是按大小分離，而是根據碳氫化合物的沸點來分離。

核心原理

整個過程基於一個簡單的原則：

碳氫化合物分子越大（碳鏈越長），其沸點就越高。

為什麼呢？較大的分子之間有較強的分子間引力（范德華力）。需要更多的能量（更高的溫度）才能克服這些引力，使液體變成氣體。

分餾過程：步驟說明

分離過程在一個稱為分餾塔的巨大塔中進行。

  1. 加熱：原油在爐中被加熱到非常高的溫度（約400°C）。這會使大部分碳氫化合物變成氣體（蒸氣）。那些沸點非常高的則保持為熱液體。
  2. 進入塔內：這種熱的液體和氣體混合物被泵入分餾塔的底部。
  3. 溫度梯度：分餾塔內有溫度梯度——底部非常熱，越往頂部溫度越逐漸降低。
  4. 上升與冷卻：熱的碳氫化合物蒸氣沿著塔上升。隨著它們上升，它們會冷卻下來。
  5. 冷凝：當某種特定的碳氫化合物蒸氣到達塔內溫度等於或低於其沸點的高度時，它會冷凝（變回液體）。
  6. 收集：冷凝後的液體在不同高度的托盤上被收集。這些收集到的液體稱為餾分。

短鏈碳氫化合物沸點低。它們會一直上升到塔的很高處，在涼爽的地方冷凝。
長鏈碳氫化合物沸點高。它們會在塔的較低處，即仍然很熱的地方冷凝並被收集。
那些沸點超過400°C的最長鏈分子則根本沒有氣化。它們以濃稠黏糊的液體殘餘物形式留在塔底。

重點總結

分餾法根據碳氫化合物的沸點，將原油分離成不同的組別（餾分）。這是因為不同鏈長的碳氫化合物具有不同的沸點。這個過程在分餾塔中進行，塔底熱而塔頂冷。


3. 餾分及其用途

以下是從分餾塔頂部到底部，從原油中獲得的主要餾分。

餾分名稱 沸點範圍（°C） 主要用途
煉油氣 低於 25 液化石油氣（LPG），用於煮食和供暖
汽油 25 - 75 汽車燃料
石腦油 75 - 150 製造化學品和塑膠的原料
火水 150 - 240 飛機燃油，燈油和暖爐用的石蠟
柴油 240 - 350 柴油引擎的燃料（貨車、巴士、火車）
燃料油 高於 350 船舶、發電廠和工業熔爐的燃料
瀝青（殘餘物） 高於 400 鋪路（柏油），屋頂防水

性質的梯度變化

當你沿著分餾塔往下（從上到下）時：

  • 分子大小：增加（碳鏈更長）
  • 沸點：增加
  • 黏度（濃稠度）：增加（液體變得更黏稠）
  • 揮發性（易蒸發性）：降低
  • 易燃性（易著火性）：降低
  • 顏色：變得更深
記憶小貼士！

想想分餾塔頂部的餾分（如汽油）和底部的（瀝青）之間的區別。汽油是稀薄的，蒸發得很快（你能聞到它的味道！），無色且非常易燃。瀝青是一種濃稠、黑色、非揮發性的固體，很難點燃。這有助於你記住所有的趨勢！


4. 獲取所需：裂解

供求問題

分餾法能給我們許多不同的餾分，但並非總是我們所需的數量。我們對汽油等短鏈碳氫化合物的需求量非常高。然而，分餾法產生大量需求量較低的長鏈餾分，例如燃料油。我們可以怎麼辦呢？

解決方案：裂解！

裂解是一種將較大、用途較少的碳氫化合物分子分解成較小、更有用且更有價值的分子過程。

  • 作用：就像把一根長繩子剪成許多小段一樣。
  • 原理：它涉及將長鏈碳氫化合物加熱到高溫（約600-700°C），並使其通過催化劑（如氧化鋁或二氧化矽）。
  • 產物：裂解通常會產生較小的烷烴（可用作汽油）和烯烴。烯烴非常重要，因為它們用於製造聚合物（塑膠）。

裂解例子：

癸烷（一種長鏈烷烴）可以裂解成辛烷（一種較小的烷烴，用於汽油）和乙烯（一種烯烴，用於製造聚（乙烯））。

癸烷 → 辛烷 + 乙烯

$$C_{10}H_{22}(l) \rightarrow C_8H_{18}(l) + C_2H_4(g)$$
重點總結

裂解對於石油工業至關重要。它將過剩的長鏈餾分轉化為高需求量的汽油，並為塑膠工業提供基本單元（烯烴）。


5. 燃燒化石燃料對環境的影響

雖然化石燃料為我們的世界提供動力，但燃燒它們會釋放出有害物質到大氣中。這是造成空氣污染的一個主要原因。

主要污染物

  • 二氧化碳（CO₂）：由任何化石燃料的完全燃燒產生。二氧化碳是一種溫室氣體。雖然它自然存在於大氣中，但額外增加會將更多的熱量困在大氣中，導致溫室效應加劇，並導致全球暖化和氣候變化。

  • 二氧化硫（SO₂）：原油中含有硫雜質。當燃料燃燒時，這些硫與氧氣反應形成二氧化硫。
    硫 + 氧 → 二氧化硫
    二氧化硫溶解在雨水中形成亞硫酸，以酸雨的形式降落。酸雨會損害建築物、破壞森林，並使湖泊酸性過高導致魚類無法生存。

  • 氮氧化物（NOₓ）：空氣主要由氮氣組成。汽車引擎內部的極高溫度會使空氣中的氮氣和氧氣反應，形成各種氮氧化物。這些氣體也會導致酸雨並引起呼吸系統問題。

  • 一氧化碳（CO）和未燃燒的碳氫化合物：如果燃料燃燒時氧氣不足（不完全燃燒），就會產生有毒的一氧化碳（CO）而非二氧化碳。未燃燒的碳氫化合物也可能被釋放。一氧化碳有毒，因為它會降低血液攜帶氧氣的能力。

常見錯誤避免

不要混淆溫室效應和酸雨！
溫室效應是由二氧化碳吸收熱量引起的。
酸雨是由二氧化硫和氮氧化物溶解在水中引起的。


6. 減少空氣污染的解決方案

科學家和工程師已經開發出減少燃燒化石燃料所造成污染的方法。

  • 催化轉化器：這些裝置安裝在汽車排氣管上。它們含有催化劑（如鉑和銠），能將有害氣體轉化為危害較小的氣體。
    • 一氧化碳被氧化成二氧化碳（$$2CO + O_2 \rightarrow 2CO_2$$）。
    • 氮氧化物被還原成無害的氮氣（$$2NO \rightarrow N_2 + O_2$$）。

  • 煙道氣脫硫：發電廠可以在廢氣（煙道氣）進入大氣前，從中去除二氧化硫。這些氣體通過鹼性漿液（如碳酸鈣），該漿液能中和酸性的二氧化硫。
重點總結

燃燒化石燃料會釋放出二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物等污染物，這些會導致全球暖化和酸雨。催化轉化器和煙道氣脫硫等技術有助於減少這些有害排放物。