化石燃料和碳化合物：化石燃料和碳化合物入門
基礎石油是烴的混合物，分餾按沸點把它分成石油氣、汽油、柴油等餾分；烷烴屬飽和烴，烯烴含碳碳雙鍵能使溴水褪色；化石燃料燃燒排放二氧化碳和一氧化碳，帶來暖化與污染。
- 化石燃料＝煤、石油、天然氣；古代生物殘骸經億萬年形成，不可再生
- 石油是烴（只含碳氫）的混合物；分餾按沸點分出石油氣至瀝青各餾分，屬物理變化
- 烷烴飽和，通式 CₙH₂ₙ₊₂（甲烷至丁烷）；烯烴不飽和，通式 CₙH₂ₙ，含碳碳雙鍵
文體小知識：科學知識說明文——從石油的分餾塔認識化石燃料與烴，學習烷烴和烯烴的通式與溴水試驗，並討論燃燒帶來的環境問題。
§課文原文 Passage
1煤、石油和天然氣統稱化石燃料，由古代生物殘骸埋進地層深處，經億萬年高溫高壓轉化而成，蘊藏量有限，燒掉便不可再生。石油是深褐色、帶氣味的黏稠液體，成分是各式各樣的烴——只由碳和氫兩種元素組成的化合物——的混合物，從只含一個碳原子的甲烷，到含幾十個碳原子的大分子都有，性質各異。
2石油各成分的沸點隨分子增大而升高，工業上便用分餾塔分離：原油加熱汽化後，蒸氣在塔內上升，愈往上溫度愈低，沸點高的成分先在塔底凝結，沸點低的升到塔頂。由塔頂到塔底依次有石油氣、汽油、石腦油、火水、柴油、燃料油、潤滑油和瀝青等餾分：石油氣裝瓶作家用燃料，汽油驅動汽車，火水曾用於照明，柴油開動貨車，瀝青鋪路，各得其所。
3烴分兩大家族。烷烴只含碳碳單鍵，屬飽和烴，通式 CₙH₂ₙ₊₂，甲烷、乙烷、丙烷、丁烷依次含一至四個碳原子；烯烴含一個碳碳雙鍵，屬不飽和烴，通式 CₙH₂ₙ，乙烯、丙烯是代表。把兩者分別加進溴水，烷烴不能使橙色褪去，烯烴則迅速令溴水褪色，這就是不飽和的化學試驗；乙烯更是製造塑膠的重要原料，身價遠超燃料一職。
4烴燃燒時放出大量熱能。氧氣充足便是完全燃燒，碳變成二氧化碳，氫變成水；氧氣不足便不完全燃燒，生成有毒的一氧化碳和黑色碳粒，所以煤氣式熱水爐必須保持通風，以防一氧化碳中毒。燃燒化石燃料排放的二氧化碳加劇全球暖化，煤和含硫燃料釋出的二氧化硫溶於雨水形成酸雨，節約能源與發展替代燃料因此刻不容緩。
1重點摘要 Summary
石油是烴的混合物，分餾按沸點把它分成石油氣、汽油、柴油等餾分；烷烴屬飽和烴，烯烴含碳碳雙鍵能使溴水褪色；化石燃料燃燒排放二氧化碳和一氧化碳，帶來暖化與污染。
2生字卡 Vocabulary
古代生物殘骸經億萬年轉化而成的燃料，包括煤、石油和天然氣，不可再生。
只由碳和氫兩種元素組成的化合物，又稱碳氫化合物，是石油的成分。
利用混合物中各成分沸點不同，在分餾塔內把它們先後凝結分離的方法；屬物理變化。
分餾所得、沸點範圍相近的一組烴，如汽油、柴油、瀝青。
只含碳碳單鍵的飽和烴，通式 CₙH₂ₙ₊₂，如甲烷、丁烷。
含一個碳碳雙鍵的不飽和烴，通式 CₙH₂ₙ，如乙烯、丙烯。
碳原子之間只以單鍵結合的烴，已達最大氫原子數，不能再加成。
溴的水溶液，呈橙色；被烯烴迅速褪色，是不飽和的化學試驗。
氧氣充足時的燃燒，烴完全轉為二氧化碳和水，放出最多能量。
氧氣不足時的燃燒，生成有毒的一氧化碳和碳粒，能量釋放較少。
3逐步講解 Steps
- 第一步：化石燃料的身世億萬年前的海洋生物和植物死後被泥沙掩埋，在地層深處的高溫高壓下，經極長時間轉化，分別形成石油、天然氣和煤。舉個例子：鑽油平台上抽出的原油，可能收藏了幾億年前的浮游生物遺骸。化石燃料的關鍵詞是不可再生——人類幾百年便可能燒盡地球幾億年的積蓄，所以課程強調節約能源、善用資源，這也解釋了為何各國積極開發太陽能和風能等替代能源。
- 第二步：石油是烴的大雜燴石油不是一種純物質，而是成百種烴的混合物，各成分只含碳和氫兩種元素，差別在於碳原子數目和鏈的長短。分子愈大，碳原子愈多，分子間引力愈強，沸點便愈高。舉個例子：甲烷只有一個碳，沸點約攝氏零下 162 度，常溫是氣體；含二十多個碳的蠟狀分子，沸點高達幾百度。正是這條沸點階梯，讓分餾塔有機會把石油一刀一刀切開，分出有用的餾分。
- 第三步：分餾塔的溫度階梯原油先加熱至約攝氏四百度汽化，蒸氣從塔底升起，塔內溫度由底至頂遞減。沸點最高的成分走不了多遠便凝結，在塔底收集；沸點較低的升得更高才凝結。於是由塔頂到塔底依次分出石油氣、汽油、石腦油、火水、柴油、燃料油、潤滑油和瀝青。餾分性質也隨碳原子數遞變：顏色由淺至深、黏度由稀至稠、揮發性由易至難。舉個例子：瀝青黑而黏稠用來鋪路，石油氣清而輕盈裝瓶煮飯，一塔之中高低有序。
- 第四步：烷烴——飽和的大家族烷烴的碳原子之間全部以單鍵相連，氫原子已經飽和，通式 CₙH₂ₙ₊₂。按碳原子數命名：一個碳是甲烷（CH₄），兩個碳是乙烷（C₂H₆），三個碳是丙烷（C₃H₈），四個碳是丁烷（C₄H₁₀），五個起用天干稱戊、己、庚、辛。舉個例子：家用石油氣主要成分是丙烷和丁烷，藏於鋼瓶內加壓成液體，使用時汽化燃燒。烷烴化性穩定，燃燒是它最重要的反應，也是燃料角色的由來。
- 第五步：烯烴與溴水試驗烯烴比同碳數的烷烴少兩個氫，兩個碳之間以雙鍵相連，通式 CₙH₂ₙ：乙烯（C₂H₄）、丙烯（C₃H₆）。雙鍵令烯烴化性活潑，可以把雙鍵「打開」加進其他原子。標準試驗：把待測氣體或液體加進溴水並搖勻，橙色迅速褪去即含碳碳雙鍵，屬不飽和；烷烴則不能使溴水褪色。舉個例子：把乙烯通入溴水，橙棕色幾秒內消失；酸化的高錳酸鉀溶液由紫褪色也是不飽和的證據。乙烯更是製造聚乙烯塑膠的原料，化工價值極高。
- 第六步：燃燒——從配平到完全與否烴燃燒的通式思路：碳變二氧化碳，氫變水。以甲烷為例：CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O。丁烷稍複雜，逐步配平：C₄H₁₀ 燃燒先寫 C₄H₁₀ + O₂ → 4CO₂ + 5H₂O，右邊氧共 8 + 5 = 13 個，左邊補 132 O₂，全式乘二得 2C₄H₁₀ + 13O₂ → 8CO₂ + 10H₂O。氧氣不足時不完全燃燒，生成一氧化碳甚至碳粒：一氧化碳無色無味，與血紅素結合令身體缺氧，致命於無形。舉個例子：浴室內使用煤氣式熱水爐而通風不良，歷年釀成多宗一氧化碳中毒慘劇，這正是課程強調的安全議題。
- 第七步：燃燒的環境帳單化石燃料燃燒的產物有三筆帳要算。二氧化碳是溫室氣體，排放愈多，全球暖化愈烈，冰川融化、海面上升；煤和含硫燃料燃燒釋出二氧化硫，溶於雨水形成酸雨，腐蝕建築、酸化湖泊；燃燒不完全排出一氧化碳和碳粒，污染空氣。舉個例子：香港發電廠早已加裝除硫裝置並轉用天然氣，空氣中的二氧化硫大為下降。個人行動同樣有效——慳電、多乘公共交通、選用節能電器，都是減少燃燒的實際做法。
4圖解 Diagrams
5例題示範 Example
資料題：某煉油廠以分餾塔處理原油，另一邊實驗室收到一瓶無色氣體，標籤模糊，懷疑是石油氣的成分。試解答：一、解釋分餾為何能把石油各成分分離，並說明此過程屬於物理變化還是化學變化；二、寫出丁烷（C₄H₁₀）完全燃燒的平衡化學反應式；三、把該無色氣體通入溴水，橙色迅速褪去，判斷它屬於烷烴還是烯烴，並說明理由。
- 分餾原理：石油是烴的混合物，各成分沸點不同；加熱汽化後在塔內依沸點高低先後凝結，分出各餾分
- 判斷變化類型：過程只按沸點把原有成分分開，沒有新物質生成，屬於物理變化
- 配平燃燒式：C₄H₁₀ + O₂ → CO₂ + H₂O，先定碳（4CO₂）再定氫（5H₂O），右邊共 13 個氧，左邊補 132 O₂，全式乘二
- 得平衡式：2C₄H₁₀ + 13O₂ → 8CO₂ + 10H₂O，核對碳、氫、氧三種原子左右相等
- 溴水判斷：橙色迅速褪去表示氣體含碳碳雙鍵、屬不飽和烴，故為烯烴而非烷烴
- 答案：石油是沸點各異的烴的混合物；原油汽化後在分餾塔內上升，各成分按沸點先後凝結成餾分，過程中沒有新物質生成，屬於物理變化。丁烷完全燃燒的平衡反應式為 2C₄H₁₀ + 13O₂ → 8CO₂ + 10H₂O。該無色氣體令溴水橙色迅速褪去，顯示它含碳碳雙鍵、屬不飽和烴，因此是烯烴而非烷烴（烷烴不能使溴水褪色）。
6常見錯誤 Mistakes
75 題快測 Quick check
Q1化石燃料指哪三種？
Q2分餾塔由塔頂到塔底，各餾分的沸點如何變化？
Q3寫出烷烴和烯烴的通式。
Q4怎樣用化學試驗分辨烷烴和烯烴？
Q5寫出甲烷完全燃燒的化學反應式。
8重點回顧 Recap
- 化石燃料＝煤、石油、天然氣；古代生物殘骸經億萬年形成，不可再生
- 石油是烴（只含碳氫）的混合物；分餾按沸點分出石油氣至瀝青各餾分，屬物理變化
- 烷烴飽和，通式 CₙH₂ₙ₊₂（甲烷至丁烷）；烯烴不飽和，通式 CₙH₂ₙ，含碳碳雙鍵
- 不飽和試驗：溴水橙色迅速褪去（或酸化高錳酸鉀褪色）即烯烴
- 燃燒帳單：完全燃燒出二氧化碳和水；氧不足出一氧化碳和碳粒；CO₂ 致暖化、SO₂ 致酸雨