化石燃料和碳化合物：化石燃料和碳化合物入门
基础石油是烃的混合物，分馏按沸点把它分成石油气、汽油、柴油等馏分；烷烃属饱和烃，烯烃含碳碳双键能使溴水褪色；化石燃料燃烧排放二氧化碳和一氧化碳，带来暖化与污染。
- 化石燃料＝煤、石油、天然气；古代生物残骸经亿万年形成，不可再生
- 石油是烃（只含碳氢）的混合物；分馏按沸点分出石油气至沥青各馏分，属物理变化
- 烷烃饱和，通式 CₙH₂ₙ₊₂（甲烷至丁烷）；烯烃不饱和，通式 CₙH₂ₙ，含碳碳双键
文体小知识：科学知识说明文——从石油的分馏塔认识化石燃料与烃，学习烷烃和烯烃的通式与溴水试验，并讨论燃烧带来的环境问题。
§课文原文 Passage
1煤、石油和天然气统称化石燃料，由古代生物残骸埋进地层深处，经亿万年高温高压转化而成，蕴藏量有限，烧掉便不可再生。石油是深褐色、带气味的黏稠液体，成分是各式各样的烃——只由碳和氢两种元素组成的化合物——的混合物，从只含一个碳原子的甲烷，到含几十个碳原子的大分子都有，性质各异。
2石油各成分的沸点随分子增大而升高，工业上便用分馏塔分离：原油加热汽化后，蒸气在塔内上升，愈往上温度愈低，沸点高的成分先在塔底凝结，沸点低的升到塔顶。由塔顶到塔底依次有石油气、汽油、石脑油、火水、柴油、燃料油、润滑油和沥青等馏分：石油气装瓶作家用燃料，汽油驱动汽车，火水曾用于照明，柴油开动货车，沥青铺路，各得其所。
3烃分两大家族。烷烃只含碳碳单键，属饱和烃，通式 CₙH₂ₙ₊₂，甲烷、乙烷、丙烷、丁烷依次含一至四个碳原子；烯烃含一个碳碳双键，属不饱和烃，通式 CₙH₂ₙ，乙烯、丙烯是代表。把两者分别加进溴水，烷烃不能使橙色褪去，烯烃则迅速令溴水褪色，这就是不饱和的化学试验；乙烯更是制造塑胶的重要原料，身价远超燃料一职。
4烃燃烧时放出大量热能。氧气充足便是完全燃烧，碳变成二氧化碳，氢变成水；氧气不足便不完全燃烧，生成有毒的一氧化碳和黑色碳粒，所以煤气式热水炉必须保持通风，以防一氧化碳中毒。燃烧化石燃料排放的二氧化碳加剧全球暖化，煤和含硫燃料释出的二氧化硫溶于雨水形成酸雨，节约能源与发展替代燃料因此刻不容缓。
1重点摘要 Summary
石油是烃的混合物，分馏按沸点把它分成石油气、汽油、柴油等馏分；烷烃属饱和烃，烯烃含碳碳双键能使溴水褪色；化石燃料燃烧排放二氧化碳和一氧化碳，带来暖化与污染。
2生字卡 Vocabulary
古代生物残骸经亿万年转化而成的燃料，包括煤、石油和天然气，不可再生。
只由碳和氢两种元素组成的化合物，又称碳氢化合物，是石油的成分。
利用混合物中各成分沸点不同，在分馏塔内把它们先后凝结分离的方法；属物理变化。
分馏所得、沸点范围相近的一组烃，如汽油、柴油、沥青。
只含碳碳单键的饱和烃，通式 CₙH₂ₙ₊₂，如甲烷、丁烷。
含一个碳碳双键的不饱和烃，通式 CₙH₂ₙ，如乙烯、丙烯。
碳原子之间只以单键结合的烃，已达最大氢原子数，不能再加成。
溴的水溶液，呈橙色；被烯烃迅速褪色，是不饱和的化学试验。
氧气充足时的燃烧，烃完全转为二氧化碳和水，放出最多能量。
氧气不足时的燃烧，生成有毒的一氧化碳和碳粒，能量释放较少。
3逐步讲解 Steps
- 第一步：化石燃料的身世亿万年前的海洋生物和植物死后被泥沙掩埋，在地层深处的高温高压下，经极长时间转化，分别形成石油、天然气和煤。举个例子：钻油平台上抽出的原油，可能收藏了几亿年前的浮游生物遗骸。化石燃料的关键词是不可再生——人类几百年便可能烧尽地球几亿年的积蓄，所以课程强调节约能源、善用资源，这也解释了为何各国积极开发太阳能和风能等替代能源。
- 第二步：石油是烃的大杂烩石油不是一种纯物质，而是成百种烃的混合物，各成分只含碳和氢两种元素，差别在于碳原子数目和链的长短。分子愈大，碳原子愈多，分子间引力愈强，沸点便愈高。举个例子：甲烷只有一个碳，沸点约摄氏零下 162 度，常温是气体；含二十多个碳的蜡状分子，沸点高达几百度。正是这条沸点阶梯，让分馏塔有机会把石油一刀一刀切开，分出有用的馏分。
- 第三步：分馏塔的温度阶梯原油先加热至约摄氏四百度汽化，蒸气从塔底升起，塔内温度由底至顶递减。沸点最高的成分走不了多远便凝结，在塔底收集；沸点较低的升得更高才凝结。于是由塔顶到塔底依次分出石油气、汽油、石脑油、火水、柴油、燃料油、润滑油和沥青。馏分性质也随碳原子数递变：颜色由浅至深、黏度由稀至稠、挥发性由易至难。举个例子：沥青黑而黏稠用来铺路，石油气清而轻盈装瓶煮饭，一塔之中高低有序。
- 第四步：烷烃——饱和的大家族烷烃的碳原子之间全部以单键相连，氢原子已经饱和，通式 CₙH₂ₙ₊₂。按碳原子数命名：一个碳是甲烷（CH₄），两个碳是乙烷（C₂H₆），三个碳是丙烷（C₃H₈），四个碳是丁烷（C₄H₁₀），五个起用天干称戊、己、庚、辛。举个例子：家用石油气主要成分是丙烷和丁烷，藏于钢瓶内加压成液体，使用时汽化燃烧。烷烃化性稳定，燃烧是它最重要的反应，也是燃料角色的由来。
- 第五步：烯烃与溴水试验烯烃比同碳数的烷烃少两个氢，两个碳之间以双键相连，通式 CₙH₂ₙ：乙烯（C₂H₄）、丙烯（C₃H₆）。双键令烯烃化性活泼，可以把双键「打开」加进其他原子。标准试验：把待测气体或液体加进溴水并摇匀，橙色迅速褪去即含碳碳双键，属不饱和；烷烃则不能使溴水褪色。举个例子：把乙烯通入溴水，橙棕色几秒内消失；酸化的高锰酸钾溶液由紫褪色也是不饱和的证据。乙烯更是制造聚乙烯塑胶的原料，化工价值极高。
- 第六步：燃烧——从配平到完全与否烃燃烧的通式思路：碳变二氧化碳，氢变水。以甲烷为例：CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O。丁烷稍复杂，逐步配平：C₄H₁₀ 燃烧先写 C₄H₁₀ + O₂ → 4CO₂ + 5H₂O，右边氧共 8 + 5 = 13 个，左边补 132 O₂，全式乘二得 2C₄H₁₀ + 13O₂ → 8CO₂ + 10H₂O。氧气不足时不完全燃烧，生成一氧化碳甚至碳粒：一氧化碳无色无味，与血红素结合令身体缺氧，致命于无形。举个例子：浴室内使用煤气式热水炉而通风不良，历年酿成多宗一氧化碳中毒惨剧，这正是课程强调的安全议题。
- 第七步：燃烧的环境帐单化石燃料燃烧的产物有三笔帐要算。二氧化碳是温室气体，排放愈多，全球暖化愈烈，冰川融化、海面上升；煤和含硫燃料燃烧释出二氧化硫，溶于雨水形成酸雨，腐蚀建筑、酸化湖泊；燃烧不完全排出一氧化碳和碳粒，污染空气。举个例子：香港发电厂早已加装除硫装置并转用天然气，空气中的二氧化硫大为下降。个人行动同样有效——悭电、多乘公共交通、选用节能电器，都是减少燃烧的实际做法。
4图解 Diagrams
5例题示范 Example
资料题：某炼油厂以分馏塔处理原油，另一边实验室收到一瓶无色气体，标签模糊，怀疑是石油气的成分。试解答：一、解释分馏为何能把石油各成分分离，并说明此过程属于物理变化还是化学变化；二、写出丁烷（C₄H₁₀）完全燃烧的平衡化学反应式；三、把该无色气体通入溴水，橙色迅速褪去，判断它属于烷烃还是烯烃，并说明理由。
- 分馏原理：石油是烃的混合物，各成分沸点不同；加热汽化后在塔内依沸点高低先后凝结，分出各馏分
- 判断变化类型：过程只按沸点把原有成分分开，没有新物质生成，属于物理变化
- 配平燃烧式：C₄H₁₀ + O₂ → CO₂ + H₂O，先定碳（4CO₂）再定氢（5H₂O），右边共 13 个氧，左边补 132 O₂，全式乘二
- 得平衡式：2C₄H₁₀ + 13O₂ → 8CO₂ + 10H₂O，核对碳、氢、氧三种原子左右相等
- 溴水判断：橙色迅速褪去表示气体含碳碳双键、属不饱和烃，故为烯烃而非烷烃
- 答案：石油是沸点各异的烃的混合物；原油汽化后在分馏塔内上升，各成分按沸点先后凝结成馏分，过程中没有新物质生成，属于物理变化。丁烷完全燃烧的平衡反应式为 2C₄H₁₀ + 13O₂ → 8CO₂ + 10H₂O。该无色气体令溴水橙色迅速褪去，显示它含碳碳双键、属不饱和烃，因此是烯烃而非烷烃（烷烃不能使溴水褪色）。
6常见错误 Mistakes
75 题快测 Quick check
Q1化石燃料指哪三种？
Q2分馏塔由塔顶到塔底，各馏分的沸点如何变化？
Q3写出烷烃和烯烃的通式。
Q4怎样用化学试验分辨烷烃和烯烃？
Q5写出甲烷完全燃烧的化学反应式。
8重点回顾 Recap
- 化石燃料＝煤、石油、天然气；古代生物残骸经亿万年形成，不可再生
- 石油是烃（只含碳氢）的混合物；分馏按沸点分出石油气至沥青各馏分，属物理变化
- 烷烃饱和，通式 CₙH₂ₙ₊₂（甲烷至丁烷）；烯烃不饱和，通式 CₙH₂ₙ，含碳碳双键
- 不饱和试验：溴水橙色迅速褪去（或酸化高锰酸钾褪色）即烯烃
- 燃烧帐单：完全燃烧出二氧化碳和水；氧不足出一氧化碳和碳粒；CO₂ 致暖化、SO₂ 致酸雨