化石燃料：从原油到日常用品（及污染问题）

同学们好！你有没有想过汽车用的汽油、或者塑料瓶的材料是从哪里来的呢？答案通常是埋藏在地底深处一种又浓又黑又黏的液体，我们称它为原油。在这一章，我们会跟随原油展开一场旅程。我们会看看如何利用分馏法这个程序，将原油转化成非常有用的物品，并探讨这些产品的用途，同时也会坦诚地探讨燃烧这些燃料所造成的环境问题。这是一个非常重要的课题，因为它影响着我们的日常生活和地球的未来。我们开始吧！


1. 什么是原油（石油）？

首先，这东西到底是什么？

  • 原油（亦称石油）是由多种不同化合物组成的复杂混合物。
  • 这些化合物大部分都是碳氢化合物。
  • 它是一种化石燃料，意思是它由数百万年前死亡的微小海洋植物和动物遗骸形成。地球深处的高温和高压将它们转化成我们今天使用的石油。
  • 因为它是一种混合物，当中的不同碳氢化合物并没有化学键合在一起。这真是个好消息，因为这表示我们可以把它们分开！
快速复习：什么是碳氢化合物？

不用担心如果你忘记了！碳氢化合物简单来说就是一种只由氢原子（H）和碳原子（C）构成的化合物。它们的形状和大小各异，从短小的链到非常长、复杂的链都有。

你知道吗？

石油这个词字面上是指“岩石油”，源自拉丁文的“petra”（岩石）和“oleum”（油）。原油是一种有限资源，这表示一旦我们把它们全部用完，它就永远消失了！

重点总结

原油是一种化石燃料，也是由许多不同大小的碳氢化合物组成的混合物。由于它是一种混合物，我们可以将它分离成有用的部分。


2. 大分离：分馏法

那么，我们有了这团乱糟糟的原油混合物，要怎样才能将它分离成汽油和柴油等有用的物质呢？我们使用一种巧妙的工业程序，称为分馏法。

主要概念

想象一下你有一罐混合了不同大小沙子、小石子和石块的罐子。你可以用一套不同孔径的筛子将它们分开。分馏法与此类似，但它不是按大小分离，而是根据碳氢化合物的沸点来分离。

核心原理

整个过程基于一个简单的原则：

碳氢化合物分子越大（碳链越长），其沸点就越高。

为什么呢？较大的分子之间有较强的分子间引力（范德华力）。需要更多的能量（更高的温度）才能克服这些引力，使液体变成气体。

分馏过程：步骤说明

分离过程在一个称为分馏塔的巨大塔中进行。

  1. 加热：原油在炉中被加热到非常高的温度（约400°C）。这会使大部分碳氢化合物变成气体（蒸气）。那些沸点非常高的则保持为热液体。
  2. 进入塔内：这种热的液体和气体混合物被泵入分馏塔的底部。
  3. 温度梯度：分馏塔内有温度梯度——底部非常热，越往顶部温度越逐渐降低。
  4. 上升与冷却：热的碳氢化合物蒸气沿着塔上升。随着它们上升，它们会冷却下来。
  5. 冷凝：当某种特定的碳氢化合物蒸气到达塔内温度等于或低于其沸点的高度时，它会冷凝（变回液体）。
  6. 收集：冷凝后的液体在不同高度的托盘上被收集。这些收集到的液体称为馏分。

短链碳氢化合物沸点低。它们会一直上升到塔的很高处，在凉爽的地方冷凝。
长链碳氢化合物沸点高。它们会在塔的较低处，即仍然很热的地方冷凝并被收集。
那些沸点超过400°C的最长链分子则根本没有气化。它们以浓稠黏糊的液体残留物形式留在塔底。

重点总结

分馏法根据碳氢化合物的沸点，将原油分离成不同的组别（馏分）。这是因为不同链长的碳氢化合物具有不同的沸点。这个过程在分馏塔中进行，塔底热而塔顶冷。


3. 馏分及其用途

以下是从分馏塔顶部到底部，从原油中获得的主要馏分。

馏分名称 沸点范围（°C） 主要用途
炼油气 低于 25 液化石油气（LPG），用于煮食和供暖
汽油 25 - 75 汽车燃料
石脑油 75 - 150 制造化学品和塑料的原料
煤油 150 - 240 飞机燃油，灯油和暖炉用的石蜡
柴油 240 - 350 柴油引擎的燃料（货车、巴士、火车）
燃料油 高于 350 船舶、发电厂和工业熔炉的燃料
沥青（残留物） 高于 400 铺路（柏油），屋顶防水

性质的梯度变化

当你沿着分馏塔往下（从上到下）时：

  • 分子大小：增加（碳链更长）
  • 沸点：增加
  • 黏度（浓稠度）：增加（液体变得更黏稠）
  • 挥发性（易蒸发性）：降低
  • 易燃性（易着火性）：降低
  • 颜色：变得更深
记忆小贴士！

想想分馏塔顶部的馏分（如汽油）和底部的（沥青）之间的区别。汽油是稀薄的，蒸发得很快（你能闻到它的味道！），无色且非常易燃。沥青是一种浓稠、黑色、非挥发性的固体，很难点燃。这有助于你记住所有的趋势！


4. 获取所需：裂解

供求问题

分馏法能给我们许多不同的馏分，但并非总是我们所需的数量。我们对汽油等短链碳氢化合物的需求量非常高。然而，分馏法产生大量需求量较低的长链馏分，例如燃料油。我们可以怎么办呢？

解决方案：裂解！

裂解是一种将较大、用途较少的碳氢化合物分子分解成较小、更有用且更有价值的分子过程。

  • 作用：就像把一根长绳子剪成许多小段一样。
  • 原理：它涉及将长链碳氢化合物加热到高温（约600-700°C），并使其通过催化剂（如氧化铝或二氧化硅）。
  • 产物：裂解通常会产生较小的烷烃（可用作汽油）和烯烃。烯烃非常重要，因为它们用于制造聚合物（塑料）。

裂解例子：

癸烷（一种长链烷烃）可以裂解成辛烷（一种较小的烷烃，用于汽油）和乙烯（一种烯烃，用于制造聚（乙烯））。

癸烷 → 辛烷 + 乙烯

$$C_{10}H_{22}(l) \rightarrow C_8H_{18}(l) + C_2H_4(g)$$
重点总结

裂解对于石油工业至关重要。它将过剩的长链馏分转化为高需求量的汽油，并为塑料工业提供基本单元（烯烃）。


5. 燃烧化石燃料对环境的影响

虽然化石燃料为我们的世界提供动力，但燃烧它们会释放出有害物质到大气中。这是造成空气污染的一个主要原因。

主要污染物

  • 二氧化碳（CO₂）：由任何化石燃料的完全燃烧产生。二氧化碳是一种温室气体。虽然它自然存在于大气中，但额外增加会将更多的热量困在大气中，导致温室效应加剧，并导致全球暖化和气候变化。

  • 二氧化硫（SO₂）：原油中含有硫杂质。当燃料燃烧时，这些硫与氧气反应形成二氧化硫。
    硫 + 氧 → 二氧化硫
    二氧化硫溶解在雨水中形成亚硫酸，以酸雨的形式降落。酸雨会损害建筑物、破坏森林，并使湖泊酸性过高导致鱼类无法生存。

  • 氮氧化物（NOₓ）：空气主要由氮气组成。汽车引擎内部的极高温度会使空气中的氮气和氧气反应，形成各种氮氧化物。这些气体也会导致酸雨并引起呼吸系统问题。

  • 一氧化碳（CO）和未燃烧的碳氢化合物：如果燃料燃烧时氧气不足（不完全燃烧），就会产生有毒的一氧化碳（CO）而非二氧化碳。未燃烧的碳氢化合物也可能被释放。一氧化碳有毒，因为它会降低血液携带氧气的能力。

常见错误避免

不要混淆温室效应和酸雨！
温室效应是由二氧化碳吸收热量引起的。
酸雨是由二氧化硫和氮氧化物溶解在水中引起的。


6. 减少空气污染的解决方案

科学家和工程师已经开发出减少燃烧化石燃料所造成污染的方法。

  • 催化转化器：这些装置安装在汽车排气管上。它们含有催化剂（如铂和铑），能将有害气体转化为危害较小的气体。
    • 一氧化碳被氧化成二氧化碳（$$2CO + O_2 \rightarrow 2CO_2$$）。
    • 氮氧化物被还原成无害的氮气（$$2NO \rightarrow N_2 + O_2$$）。

  • 烟道气脱硫：发电厂可以在废气（烟道气）进入大气前，从中去除二氧化硫。这些气体通过碱性浆液（如碳酸钙），该浆液能中和酸性的二氧化硫。
重点总结

燃烧化石燃料会释放出二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物等污染物，这些会导致全球暖化和酸雨。催化转化器和烟道气脱硫等技术有助于减少这些有害排放物。