化石燃料：我們的地下寶藏
大家好！準備好一起探索化石燃料這個奇妙的世界了嗎？你可曾想過，是什麼為我們的汽車提供動力，為城市供電，甚至還能用來製造塑膠呢？答案往往就深埋在地底，以煤、石油（原油）和天然氣的形式存在。
在這些筆記中，我們將深入探討這些化石燃料是什麼，它們如何在數百萬年前形成，以及我們如何將原油這種黏稠的黑色液體轉化為汽油、飛機燃料等有用物質。我們還會探討使用它們的好處和壞處。這是一個超重要的課題，因為它影響著我們日常通勤以至地球的健康。事不宜遲，現在就開始吧！
1. 化石燃料從何而來？起源故事
簡短答案：古老的生命！
化石燃料顧名思義——就是由「化石」製成的燃料！它們是由古老生物的遺骸，經過數百萬年時間形成的。這個過程的關鍵要素包括：
- 死亡的有機物質（植物和微小海洋生物）
- 被沙土和泥層掩埋
- 極高的熱力和壓力
- 無氧環境
兩種來源的故事
不同類型的化石燃料來自不同的古老來源：
煤：這種固體黑色岩石是由數百萬年前生活在古老沼澤地帶的巨大陸地植物，如樹木和蕨類植物的遺骸形成的。當它們死亡後，被泥水掩埋，在極高的熱力和壓力下，它們慢慢轉化為煤。
石油（原油）和天然氣：這種液體和氣體組合是由微小的海洋生物，如浮游生物和藻類的遺骸形成的。當這些生物死亡後，它們沉入海底。經過數百萬年，它們被沙和淤泥層層掩埋。熱力和壓力將它們的遺骸轉化為我們今天在岩石層中發現的原油和天然氣。
快速回顧：化石燃料的「食譜」
煤的形成：古老沼澤植物 + 泥土和水 + 數百萬年的熱力與壓力。
石油和天然氣的形成：微小海洋生物 + 沙和淤泥 + 數百萬年的熱力與壓力。
重點提示
化石燃料是不可再生的資源。這是一個非常重要的概念。這意味著它們被消耗的速度，遠比其自然形成的速度快得多。一旦用光了，它們就會消失很長很長一段時間！
2. 原油裡有什麼？碳氫化合物的混合物
石油：不只是一種東西
石油，又稱原油，是一種深埋地底、黏稠、帶有氣味的黑色液體。它並非單一的化學物質，而是一種由數千種不同化合物組成的複雜混合物。
這些化合物的絕大部分都是碳氫化合物。
記住：碳氫化合物是只由氫原子和碳原子組成的化合物。
原油中的碳氫化合物大小和形狀各異。有些是小而簡單的分子，有些則是長而複雜的鏈狀分子。這種多樣性是原油如此有用的關鍵，但這也意味著我們需要一種方法來將它們分離開來。
比喻：你可以把原油想像成一大袋雜錦意粉——裡面有微小的米粒意粉（orzo）、中型的通心粉（penne）和長長的意粉（spaghetti），全都混在一起。在你烹煮特定的菜式之前，你需要先按照它們的大小和形狀將它們分類。
重點提示
原油是由許多不同大小的碳氫化合物分子組成的混合物。在未經加工的情況下，它並不太有用。我們需要將其分離成更簡單、更有用的混合物。
3. 分離混合物：分餾
核心概念：根據沸點分離
我們利用一種稱為分餾的過程來分離原油這種複雜的混合物。這種方法之所以有效，是因為不同大小的碳氫化合物具有不同的沸點。
碳氫化合物的黃金法則：
- 小分子（碳原子數量較少）之間的力較弱。這意味著它們容易分離，具有低沸點，並且容易氣化。我們稱它們的揮發性很強。
- 大分子（碳原子數量較多）之間的力較強。這意味著它們較難分離，具有高沸點，並且不容易氣化。它們的揮發性較低。
步驟分解：分餾塔內部
別擔心，這個過程比聽起來簡單！以下是它的運作方式：
1. 加熱：原油在加熱爐中被加熱到約400°C。這會使大部分碳氫化合物氣化，變成熱氣體。
2. 泵入：這種熱氣體混合物被泵入一個非常高的塔底部，這個塔稱為分餾塔。
3. 向上冷卻：分餾塔具有一個溫度梯度。底部非常熱，越往頂部溫度越低。
4. 蒸氣上升：熱的碳氫化合物蒸氣沿塔上升。
5. 冷凝和收集：隨著蒸氣上升，它們會冷卻。當蒸氣到達某個高度，其溫度等於它的沸點時，它會冷凝（變回液體）在收集盤上。這些被分離的液體稱為餾分。
結果：沸點低的小分子會一直上升到最涼的頂部。而沸點非常高的大分子甚至無法完全氣化，它們會在底部以黏稠的殘留物形式被收集起來。
餾分：從上到下
以下是從分餾塔頂部到底部所得到的主要餾分：
分餾塔頂部 （最冷、分子較小、沸點較低）
- 煉油廠氣體：1-4個碳原子。用途：液化石油氣（LPG），用於煮食和取暖。
- 汽油：5-12個碳原子。用途：汽車燃料。
- 石腦油：7-14個碳原子。用途：化學原料，用於製造塑膠及其他化學品。
- 煤油：11-16個碳原子。用途：飛機引擎燃料，火水（用於油燈）。
- 柴油：15-18個碳原子。用途：巴士、貨車、火車燃料。
- 潤滑油：20-50個碳原子。用途：引擎機油、蠟、光亮劑。
- 瀝青：超過70個碳原子。用途：鋪設道路和屋頂防水。
分餾塔底部 （最熱、分子較大、沸點較高）
性質的變化趨勢
當你從分餾塔往下移動（從上到下）時，你會留意到清晰的趨勢：
- 碳原子數量：增加。
- 沸點：升高（變得更熱）。
- 揮發性：降低（更難氣化）。
- 黏度：增加（變得更黏稠，流動性更差）。
- 顏色：變深。
- 易燃性：降低（更難燃燒）。
重點提示
分餾是一種工業過程，巧妙地將原油分離成有用的碳氫化合物組，稱為餾分。這種分離是基於分子之間不同的沸點。
4. 燃燒的議題：使用化石燃料
我們為何燃燒它們：放熱反應
我們使用化石燃料的主要原因是為了獲取能量。燃燒它們是一種稱為燃燒的化學反應。燃燒是一種放熱反應，這意味著它會釋放能量，通常以熱和光的形式呈現。
當有足夠的氧氣時，就會發生完全燃燒：
碳氫化合物 + 氧氣 → 二氧化碳 + 水 （+ 大量能量！）
使用化石燃料的後果
儘管化石燃料為我們的世界提供了動力，但它們的使用卻帶來了嚴重的環境代價。
1. 全球暖化：燃燒任何化石燃料都會產生二氧化碳（CO₂）。二氧化碳是一種溫室氣體。它會將熱能困在大氣中，導致地球平均溫度上升。這會引發氣候變化、海平面上升和極端天氣。
2. 酸雨：許多化石燃料，特別是煤，含有硫雜質。燃燒時，硫與氧氣反應形成二氧化硫（SO₂）。在汽車引擎中，高溫會使空氣中的氮氣和氧氣反應，形成氮氧化物（NOx）。這些氣體溶解在大氣中的水分中，形成酸雨，損害森林、湖泊和建築物。
3. 空氣污染：如果燃料在氧氣不足的情況下燃燒（不完全燃燒），它們會產生一氧化碳（CO），這是一種有毒氣體。燃燒燃料還會釋放可能導致呼吸系統問題的微細顆粒（煙灰）。
你知道嗎？
正常雨水的酸鹼值約為5.6。酸雨的酸鹼值可低至4.0甚至更低——大約與番茄汁的酸鹼值相近！
我們的生活品質：一把雙刃劍
- 好處：化石燃料為家居、交通和工業提供了廉價、可靠的能量。它們是塑膠、藥物、化肥和衣物的原材料。我們的現代生活方式正是建立在它們的基礎上。
- 代價：然而，這也帶來了氣候變化、空氣和水污染以及生態系統損害的代價。
我們能做什麼？減少影響
我們無法一夜之間停止使用化石燃料，但我們可以採取措施減少其危害：
- 煙道氣脫硫：發電廠可以在廢氣排放前，「洗滌」其中的二氧化硫。
- 催化轉換器：安裝在汽車排氣管上，將一氧化碳和氮氧化物等有害污染物轉化為較少危害的物質，如二氧化碳和氮氣。
- 提高能源效率：減少用電量和選擇公共交通工具，可以減少我們需要燃燒的燃料量。
- 發展可再生能源：最終的解決方案是轉向清潔、可再生的能源，如太陽能、風能和水力發電。
重點提示
使用化石燃料是一項取捨。它們為社會帶來了巨大的好處，但也造成了重大的環境破壞，特別是全球暖化和酸雨。未來的挑戰是減少我們對它們的依賴，並管理它們造成的影響。