欢迎来到第 8 单元：燃料与地球科学！
在本章中，我们将探讨能量的来源，以及地球大气层在数十亿年间如何演变。我们会深入了解原油 (crude oil)，探讨如何将其转化为汽油等实用物资，以及燃烧这些燃料对环境造成的影响。别担心某些化学名称听起来很长——我们会把它们拆解成简单的部分来理解！
第 1 部分：烃类与原油
我们今天使用的燃料大多来自原油。要了解原油，首先必须认识烃类 (hydrocarbons)。
什么是烃？
烃是一种仅含有碳原子和氢原子的化合物。如果分子中含有任何其他元素（例如氧或硫），它就不是烃！
什么是原油？
原油是一种由多种不同烃类组成的复杂混合物。这些分子中的碳原子以链状或环状排列。原油是一种极其重要的有限资源，这意味着它最终会被用尽。它为我们提供了燃料，以及化学工业所需的“原料 (feedstock)”。
分离混合物：分馏法
由于原油是一种混合物，我们需要将其分离才能使用。我们利用分馏法 (fractional distillation) 来达成。这个过程的原理是不同的烃类具有不同的沸点。
分步过程：1. 加热原油直到它变成气体（蒸发）。
2. 气体进入一个高大的分馏塔 (fractionating column)，底部较热，越往顶部越凉。
3. 气体沿着塔向上升。
4. 当气体到达比其沸点更凉爽的塔位时，它会冷凝 (condenses) 成液体并被引出。
5. 长链烃具有高沸点，会在底部冷凝。
6. 短链烃具有低沸点，会在顶部附近冷凝。
常见馏分及其用途
你需要记住这些名称及其用途。这里有一个助记口诀帮你记忆（由上至下）：Good Penguins Keep Driving Fancy Buses（好企鹅总是驾驶豪华巴士）。
- 气体 (Gases)：用于家用暖气和烹饪。
- 汽油 (Petrol)：用作汽车燃料。
- 煤油 (Kerosene)：用作飞机燃料。
- 柴油 (Diesel oil)：用作部分汽车和火车的燃料。
- 燃油 (Fuel oil)：用作大型船舶和部分发电厂的燃料。
- 沥青 (Bitumen)：用于铺设道路和屋顶（那种又黏又稠的东西！）。
快速复习盒：当你沿着分馏塔向下移动（从气体到沥青）：
• 分子变得更大（含更多碳原子）。
• 沸点升高。
• 黏度增加（它们变得更浓稠，更难倾倒）。
• 变得更难点燃（不容易着火）。
第 2 部分：烷烃 (Alkanes)
原油中的大多数烃类属于烷烃家族。同系物 (homologous series) 是一类“家族”分子，它们：
- 具有相同的通式。
- 同系列中相邻的两个分子相差一个 \(CH_{2}\) 单元。
- 显示出物理性质的渐变（例如沸点）。
- 具有相似的化学性质。
烷烃的通式为： \(C_{n}H_{2n+2}\)
例子：如果一个烷烃有 3 个碳原子 (n = 3)，它必须有 \( (2 \times 3) + 2 = 8 \) 个氢原子。其分子式为 \(C_{3}H_{8}\)。
第 3 部分：燃烧燃料 (Combustion)
当我们燃烧烃类燃料时，它们会与氧气反应。这称为燃烧 (combustion)。
完全燃烧
如果有充足的氧气，就会发生完全燃烧。
烃 + 氧气 \(\rightarrow\) 二氧化碳 + 水
这个反应会释放大量的能量。
不完全燃烧
如果氧气不足，就会发生不完全燃烧。这是危险的，因为它会产生：
1. 一氧化碳 (\(CO\))：一种有毒气体。
2. 煤烟（碳）：微小的黑色颗粒，会导致呼吸问题并弄脏建筑物。
你知道吗？ 一氧化碳特别危险，因为它无色无味。它会与你血液中的红细胞结合，阻止它们在体内输送氧气。
污染与酸雨
- 二氧化硫 (\(SO_{2}\))：许多燃料含有硫杂质。燃烧时会形成 \(SO_{2}\)。它溶于云层形成酸雨，会损害树木并杀死湖泊中的鱼类。
- 氮氧化物 (\(NO_{x}\))：在汽车引擎中，温度非常高，以至于空气中的氮气和氧气会发生反应。这些污染物会导致烟雾和酸雨。
第 4 部分：裂解 (Cracking)
分馏法往往产生比我们需要更多的长链烃，但短链烃（如汽油）却不足。裂解可以解决这个问题。
裂解涉及将大型饱和分子（烷烃）分解成较小、更有用的分子。这个过程会产生一个较小的烷烃和一种称为烯烃 (alkene) 的不饱和分子。
为什么必须这样做？ 为了让供应（我们生产的产品）与需求（人们想要购买的产品）相匹配。
第 5 部分：地球的大气层
地球已有约 45 亿年的历史，其大气层发生了巨大的变化！
早期大气层
科学家认为，数十亿年前，火山活动释放出的气体形成了早期大气层。当时主要是二氧化碳，并含有一些水蒸气和少量的其他气体（如氮气）。当时几乎没有或完全没有氧气。
大气层如何变化
1. 海洋形成：随着地球冷却，大气中的水蒸气冷凝形成海洋。
2. 二氧化碳减少：大部分的 \(CO_{2}\) 溶解在新形成的海洋中。
3. 氧气增加：原始植物和藻类演化出现。它们透过光合作用消耗 \(CO_{2}\) 并释放氧气。
氧气测试：如果你将一根余烬木条放入装有氧气的试管中，木条会重新燃烧！
今日的大气层
目前，我们的大气层大约组成如下：
• 78% 氮气
• 21% 氧气
• 少量的其他气体（如氩气和 \(CO_{2}\)）
第 6 部分：气候变化
温室效应是指当二氧化碳、甲烷和水蒸气等气体吸收地球辐射出的热量，并将其反射回地表，从而保持地球温暖的现象。
人类的影响
人类活动，例如燃烧化石燃料和畜牧业（会产生甲烷），正在增加温室气体的水平。大多数科学家认同 \(CO_{2}\) 水平升高与地球温度上升（气候变化）之间存在相关性。
关于证据的注记： 尽管数据充分，但仍存在不确定性，因为历史测量不如现代测量准确，且地球气候非常复杂。
关键总结： 我们可以透过减少燃烧化石燃料和寻找可再生能源来减缓气候变化的影响，但这需要全球共同努力，同时也伴随着经济风险。