歡迎來到第 8 單元：燃料與地球科學！
在本章中，我們將探討能量的來源，以及地球大氣層在數十億年間如何演變。我們會深入了解原油 (crude oil)，探討如何將其轉化為汽油等實用物資，以及燃燒這些燃料對環境造成的影響。別擔心某些化學名稱聽起來很長——我們會把它們拆解成簡單的部份來理解！
第 1 部分：烴類與原油
我們今天使用的燃料大多來自原油。要了解原油，首先必須認識烴類 (hydrocarbons)。
什麼是烴？
烴是一種僅含有碳原子和氫原子的化合物。如果分子中含有任何其他元素（例如氧或硫），它就不是烴！
什麼是原油？
原油是一種由多種不同烴類組成的複雜混合物。這些分子中的碳原子以鏈狀或環狀排列。原油是一種極其重要的有限資源，這意味著它最終會被用盡。它為我們提供了燃料，以及化學工業所需的「原料 (feedstock)」。
分離混合物：分餾法
由於原油是一種混合物，我們需要將其分離才能使用。我們利用分餾法 (fractional distillation) 來達成。這個過程的原理是不同的烴類具有不同的沸點。
分步過程：1. 加熱原油直到它變成氣體（蒸發）。
2. 氣體進入一個高大的分餾塔 (fractionating column)，底部較熱，越往頂部越涼。
3. 氣體沿著塔向上升。
4. 當氣體到達比其沸點更涼爽的塔位時，它會冷凝 (condenses) 成液體並被引出。
5. 長鏈烴具有高沸點，會在底部冷凝。
6. 短鏈烴具有低沸點，會在頂部附近冷凝。
常見餾分及其用途
你需要記住這些名稱及其用途。這裡有一個助記口訣幫你記憶（由上至下）：Good Penguins Keep Driving Fancy Buses（好企鵝總是駕駛豪華巴士）。
- 氣體 (Gases)：用於家用暖氣和烹飪。
- 汽油 (Petrol)：用作汽車燃料。
- 煤油 (Kerosene)：用作飛機燃料。
- 柴油 (Diesel oil)：用作部分汽車和火車的燃料。
- 燃油 (Fuel oil)：用作大型船舶和部分發電廠的燃料。
- 瀝青 (Bitumen)：用於鋪設道路和屋頂（那種又黏又稠的東西！）。
快速複習盒：當你沿著分餾塔向下移動（從氣體到瀝青）：
• 分子變得更大（含更多碳原子）。
• 沸點升高。
• 黏度增加（它們變得更濃稠，更難傾倒）。
• 變得更難點燃（不容易著火）。
第 2 部分：烷烴 (Alkanes)
原油中的大多數烴類屬於烷烴家族。同系物 (homologous series) 是一類「家族」分子，它們：
- 具有相同的通式。
- 同系列中相鄰的兩個分子相差一個 \(CH_{2}\) 單元。
- 顯示出物理性質的漸變（例如沸點）。
- 具有相似的化學性質。
烷烴的通式為： \(C_{n}H_{2n+2}\)
例子：如果一個烷烴有 3 個碳原子 (n = 3)，它必須有 \( (2 \times 3) + 2 = 8 \) 個氫原子。其分子式為 \(C_{3}H_{8}\)。
第 3 部分：燃燒燃料 (Combustion)
當我們燃燒烴類燃料時，它們會與氧氣反應。這稱為燃燒 (combustion)。
完全燃燒
如果有充足的氧氣，就會發生完全燃燒。
烴 + 氧氣 \(\rightarrow\) 二氧化碳 + 水
這個反應會釋放大量的能量。
不完全燃燒
如果氧氣不足，就會發生不完全燃燒。這是危險的，因為它會產生：
1. 一氧化碳 (\(CO\))：一種有毒氣體。
2. 煤煙（碳）：微小的黑色顆粒，會導致呼吸問題並弄髒建築物。
你知道嗎？ 一氧化碳特別危險，因為它無色無味。它會與你血液中的紅血球結合，阻止它們在體內輸送氧氣。
污染與酸雨
- 二氧化硫 (\(SO_{2}\))：許多燃料含有硫雜質。燃燒時會形成 \(SO_{2}\)。它溶於雲層形成酸雨，會損害樹木並殺死湖泊中的魚類。
- 氮氧化物 (\(NO_{x}\))：在汽車引擎中，溫度非常高，以至於空氣中的氮氣和氧氣會發生反應。這些污染物會導致煙霧和酸雨。
第 4 部分：裂解 (Cracking)
分餾法往往產生比我們需要更多的長鏈烴，但短鏈烴（如汽油）卻不足。裂解可以解決這個問題。
裂解涉及將大型飽和分子（烷烴）分解成較小、更有用的分子。這個過程會產生一個較小的烷烴和一種稱為烯烴 (alkene) 的不飽和分子。
為什麼必須這樣做？ 為了讓供應（我們生產的產品）與需求（人們想要購買的產品）相匹配。
第 5 部分：地球的大氣層
地球已有約 45 億年的歷史，其大氣層發生了巨大的變化！
早期大氣層
科學家認為，數十億年前，火山活動釋放出的氣體形成了早期大氣層。當時主要是二氧化碳，並含有一些水蒸氣和少量的其他氣體（如氮氣）。當時幾乎沒有或完全沒有氧氣。
大氣層如何變化
1. 海洋形成：隨著地球冷卻，大氣中的水蒸氣冷凝形成海洋。
2. 二氧化碳減少：大部分的 \(CO_{2}\) 溶解在新形成的海洋中。
3. 氧氣增加：原始植物和藻類演化出現。它們透過光合作用消耗 \(CO_{2}\) 並釋放氧氣。
氧氣測試：如果你將一根餘燼木條放入裝有氧氣的試管中，木條會重新燃燒！
今日的大氣層
目前，我們的大氣層大約組成如下：
• 78% 氮氣
• 21% 氧氣
• 少量的其他氣體（如氬氣和 \(CO_{2}\)）
第 6 部分：氣候變化
溫室效應是指當二氧化碳、甲烷和水蒸氣等氣體吸收地球輻射出的熱量，並將其反射回地表，從而保持地球溫暖的現象。
人類的影響
人類活動，例如燃燒化石燃料和畜牧業（會產生甲烷），正在增加溫室氣體的水平。大多數科學家認同 \(CO_{2}\) 水平升高與地球溫度上升（氣候變化）之間存在相關性。
關於證據的註記： 儘管數據充分，但仍存在不確定性，因為歷史測量不如現代測量準確，且地球氣候非常複雜。
關鍵總結： 我們可以透過減少燃燒化石燃料和尋找可再生能源來減緩氣候變化的影響，但這需要全球共同努力，同時也伴隨著經濟風險。