欢迎：不停流动的碳

你身体里、你的午餐里，以及小巴燃料里的碳原子，一直在不同地方之间流动。空气中还充满有用的气体，甚至有水！在这一章，你会学习绘制碳循环、了解科学家如何移除和储存二氧化碳、从液态空气中提取气体、从空气中采集净水，以及测试三种气体。（空气的成分见“空气”一章；空气污染物和空气质素健康指标（AQHI）见“空气质素”一章。）

1. 碳循环

碳存在于空气中的二氧化碳（CO2）、生物、化石燃料和海洋之中。碳循环展示碳原子如何在这些地方之间不断流动。这就是“变化和恒常”：碳的总量保持不变，但碳储存的地方却不断改变。

碳库

碳库是储存碳的地方，包括：空气（二氧化碳，只占空气约0.04%）、生物、生物遗体和土壤、化石燃料（煤、原油、天然气）和海洋。

使碳流动的六个过程

光合作用

绿色植物和藻类吸收二氧化碳来制造食物。碳由空气进入植物，再沿着食物链传给动物。

呼吸作用

所有生物，包括植物、动物和微生物，都会进行呼吸作用并放出二氧化碳，把碳送回空气。（文字方程式见“空气”一章。）

分解作用

分解者（细菌和真菌）会分解尸体和排泄物，例如郊野公园山径上的落叶。分解者进行呼吸作用时，会放出二氧化碳。

燃烧

燃烧木材、煤、天然气和汽油等燃料会放出二氧化碳，例如发电厂、汽车和家中的燃气灶。

化石燃料的形成

有些死去的生物在分解之前已被埋藏起来。经过数百万年，在热和压力作用下，它们变成煤、原油和天然气，把碳封存在地下。

海洋吸收

二氧化碳会溶解于海水中，所以海洋是一个巨大的碳库。海洋动物会利用碳来建造碳酸钙外壳。海洋也会释放二氧化碳，尤其是海水变暖的时候。

绘制碳循环图

为每个碳库画一个方格，并为每个过程画一个附有标示的箭头：

空气 → 植物：光合作用
植物 → 动物：进食
植物和动物 → 空气：呼吸作用
植物和动物 → 遗体：死亡和排泄物
遗体 → 空气：分解作用
遗体 → 化石燃料：化石燃料的形成
化石燃料 → 空气：燃烧
空气 ⇄ 海洋：溶解和释放

记忆小贴士：“一个拿走，三个送回。”光合作用把二氧化碳从空气中拿走；呼吸作用、分解作用和燃烧则把它送回空气。

常见错误：植物日夜都会进行呼吸作用，所以除了由动物画出箭头外，也要由植物画一个呼吸作用的箭头指向空气！

被人类改变的平衡

在自然情况下，从空气中移走的碳，大致与送回空气的碳平衡。今天，燃烧化石燃料释放了在地下封存了数百万年的碳，而砍伐森林则令光合作用减少。二氧化碳是一种温室气体，所以二氧化碳增多会加强温室效应，导致全球变暖。海洋也会吸收更多二氧化碳（海洋酸化见“岩石和矿物”一章）。

你知道吗？碳原子不断循环再用，你身体里的一些碳，可能曾经是恐龙身体的一部分！

重点提要：光合作用把二氧化碳从空气中移除；呼吸作用、分解作用和燃烧则把它送回空气。人类正把额外的碳送进空气中。

2. 移除和储存二氧化碳

减慢全球变暖最好的方法，是减少排放二氧化碳。科学家亦正研究如何从空气中移除二氧化碳，并把它长期储存起来。

造林

造林是指在新的土地上，或在森林被砍伐的地方种植树木。树木透过光合作用吸收二氧化碳，并把碳储存在木材中，例如在香港的郊野公园植树。
优点：成本低、天然，并为野生生物提供居所。缺点：需要大量土地和多年时间；如果树木腐烂或在山火中烧毁，碳便会回到空气中。

生物炭

生物炭是把植物废料（例如木屑、农作物残余）在很少或没有氧气的情况下加热而制成的。由于植物废料不会烧掉，它会变成像木炭的固体。把生物炭混入土壤中，可把碳锁住数百年。
优点：利用废料，并能改善土壤。缺点：需要设备和能量；植物废料的数量有限。

直接空气捕集

直接空气捕集机器利用大型风扇，把空气抽过能捕获二氧化碳的过滤器或化学品。收集到的二氧化碳会被储存在地下深处，或用来制造产品。
优点：所需土地少；容易测量移除了多少二氧化碳。缺点：二氧化碳只占空气很小部分，所以须处理大量空气；耗用大量能量，而且昂贵。

碳捕集与封存（CCS）

在碳捕集与封存中，二氧化碳在逸出前已在发电厂和工厂被捕集，然后经管道送到地下深处的岩层，例如已采完的油气田。
优点：能阻止大型排放源的大量二氧化碳进入空气。缺点：昂贵；需要合适的岩层；储存地点必须检查有否泄漏。

重点提要：造林和生物炭利用植物；直接空气捕集和碳捕集与封存则利用机器。每种方法各有优缺点，但都不能取代减少排放。

3. 液态空气的分馏

空气是一种混合物，主要含氮和氧，还有少量氩。要取得纯净的气体，便要把空气变成液体，再按沸点把各种气体分离。这就是液态空气的分馏。

沸点

氮约 -196 °C，氩约 -186 °C，氧约 -183 °C。沸点最低的气体最先沸腾逸出：先是氮，然后是氩，最后是氧。记忆小贴士：“氮、氩、氧”（N-A-O）。

步骤

1. 过滤：除去尘埃。
2. 除去水蒸气和二氧化碳：它们会凝固成固体（水在 0 °C 结冰，二氧化碳在约 -78 °C 变成固体），堵塞管道。
3. 压缩和冷却：不断压缩和冷却空气，直至约 -200 °C，使它变成液态空气。
4. 慢慢加热：液态空气在高高的分馏塔中慢慢变暖。氮最先沸腾，以气体形式在分馏塔顶部收集。
5. 氩随后沸腾（在分馏塔中部收集）。氧最后才沸腾，聚集在分馏塔底部。

气体的用途

氮：液态氮可快速冷冻食物，并用来储存血液和医疗样本；氮气可令包装薯片保持新鲜；氮亦用于制造肥料。
氧：用于医院、登山人士、炼钢、焊接和切割金属，以及火箭引擎（液态氧）。
氩：性质不活泼，所以用来填充某些灯泡，并在焊接时保护高温的金属。

常见错误：氧并不是最先沸腾的！在负数中，-196 °C 比 -183 °C 更冷，所以氮的沸点最低，最先沸腾。

原油也是用分馏法分离的，见“现今世界的材料”一章。

重点提要：把已除尘、干燥及除去二氧化碳的空气冷却至约 -200 °C。液态空气变暖时，氮、氩和氧会依次沸腾逸出。

4. 从空气中采集净水

空气含有水蒸气。水蒸气遇冷会凝结成微小的水点；雾就是贴近地面、由这些小水点组成的云。在雨水稀少的地方，人们会收集这些水。

集雾网

人们在多风多雾的山上竖立大型网状物。雾中的小水点碰到网线后，会聚合成较大的水滴，流进水槽，再经管道送到储水罐。在一些干旱的沿海山区，例如智利和摩洛哥的部分地方，村民会使用集雾网。

露水和机器

在晴朗的晚上，冰冷的表面会收集到露水（凝结了的水蒸气），特制的薄片可把露水引入容器。有些机器利用电力冷却空气使水蒸气凝结，再把水净化。家中的除湿机在香港潮湿的春天（回南天）也以类似方式运作，但切勿饮用除湿机的水，因为它并不洁净。

优点和缺点：集雾网和露水收集器成本低，而且不用电力，但只能在某些地方和天气下使用。机器能在较多地方运作，但耗用大量能量。采集到的水在饮用前可能需要净化。

你知道吗？非洲纳米布沙漠有一种甲虫，会饮用凝聚在它凹凸不平的背部上的雾水。科学家更模仿这个构造来设计集雾表面！

重点提要：我们可以利用集雾网、露水收集器和机器，从空气中采集净水。

5. 氧气、二氧化碳和氢气的测试

这三种气体都是无色的，所以我们要用化学测试分辨它们（氧气和二氧化碳的测试亦见于“空气”一章）。

三种测试

氧气：能使带火星的木条复燃。
二氧化碳：通入石灰水（氢氧化钙溶液）后，石灰水会变浑浊。
氢气：把燃着的木条放在试管口，氢气燃烧生成水时，会发出“噗”的一声。氢气比空气轻，所以盛有氢气的试管要倒转拿着。

氢气可透过水的电解（见“海洋和海水”一章）或某些金属与稀酸反应（见“岩石和矿物”一章）制取。

分辨三种未知气体

1. 把带火星的木条放入每种气体中，能使木条复燃的是氧气。
2. 用燃着的木条测试另外两种气体的新样本，发出“噗”声的是氢气。
3. 把最后一种气体通入石灰水，石灰水变浑浊便是二氧化碳。
实验时要戴上护目镜，而且只可使用少量氢气。

常见错误：燃着的木条熄灭，不能证明气体是二氧化碳，因为氮气也会使火焰熄灭。一定要用石灰水测试。

重点提要：带火星的木条复燃 = 氧气；石灰水变浑浊 = 二氧化碳；燃着的木条发出“噗”声 = 氢气。

重点回顾

1. 碳在空气、生物、遗体、化石燃料和海洋之间流动，但碳的总量保持不变。

2. 光合作用从空气中移走二氧化碳；呼吸作用、分解作用和燃烧则把它送回空气。

3. 造林、生物炭、直接空气捕集和碳捕集与封存可以移除或储存二氧化碳。

4. 液态空气（约 -200 °C）会依次分离出氮（-196 °C）、氩（-186 °C）和氧（-183 °C）。

5. 集雾网、露水收集器和机器可从空气中采集净水。

6. 氧气使带火星的木条复燃；二氧化碳使石灰水变浑浊；氢气遇燃着的木条会发出“噗”声。

做得好！你已经成为碳循环和气体测试的专家了！