DSE 化學 · Topic V
化石燃料和碳化合物
Fossil Fuels and Carbon Compounds
石油餾分特性、裂解工業應用、有機命名及燃燒反應是本課題重點。加成聚合（聚乙烯等）及環境化學（CO₂溫室效應、CO毒性）常在考試中出現。
01
石油餾分與裂解
Petroleum Fractions and Cracking
石油分餾的原理、各餾分性質及裂解的工業重要性
核心考點
1. 石油分餾原理與餾分
考評提示：餾分性質隨碳鏈長度的變化規律
- 石油（原油）為烷烴的混合物，以分餾法分離：沸點越低的餾分（碳鏈越短）在塔頂收集，沸點越高（碳鏈越長、黏度越大）在塔底收集。
常見題型
描述石油分餾塔的運作原理
- 原料：原油加熱至約 400°C 成氣態後送入分餾塔底部。
- 塔內設有層層橫板，塔底溫度高（約350°C），塔頂溫度低（約40°C），形成溫度梯度。
- 各餾分按沸點不同於不同高度冷凝收集：沸點低者（石油氣、汽油）於塔頂；沸點高者（重油、瀝青）於塔底。
- 原理：利用各烴類組分沸點不同進行物理分離；碳原子數越多，沸點越高，凝聚位置越低。
比較石油餾分隨碳原子數變化的物理性質遞變
- 顏色：碳原子數少者無色（石油氣、汽油），碳原子數多者由黃色加深至黑色（重油、瀝青）。
- 黏度：碳原子數越多，分子間范德華力越強，黏度越高（汽油流動如水、瀝青幾乎固態）。
- 揮發性/沸點：碳原子數越少，揮發性越高，沸點越低。
- 燃燒特徵：低碳餾分燃燒乾淨（火焰藍），高碳餾分易不完全燃燒（火焰黃，煙黑）。
說明在實驗室中進行石油餾分裂解的步驟
- 儀器：在硬質玻璃管內放入浸透石蠟油的礦物棉，管中段鋪陶瓷碎片（催化劑）。
- 操作：用本生燈先強力加熱陶瓷碎片（約 500°C），再間歇加熱棉花驅出石蠟油蒸氣通過熱催化劑。
- 收集：生成的氣體經水上排氣法收集於集氣瓶。
- 驗證：收集到的氣體可使溴水由橙色褪為無色（證明含烯烴）；另將氣體點燃可燃，呈藍色火焰。
解釋裂解在石油工業上的重要性
- 供需錯配：石油中長鏈烷烴（如柴油、重油）供應過剩，但短鏈烷烴（汽油）及烯烴需求高。
- 經濟價值：透過裂解把低價值的長鏈烷烴分解成高價值短鏈烷烴與烯烴（如乙烯、丙烯）。
- 化工原料：裂解產生的烯烴是製造聚合物（如聚乙烯、聚氯乙烯）、酒精及其他有機品的重要原料。
- 方程式例：C₁₀H₂₂ → C₈H₁₈ (汽油) + C₂H₄ (乙烯)。
討論使用化石燃料對環境的影響及減排措施
- 空氣污染物：燃燒產生 SO₂（酸雨）、NOₓ（酸雨、光化學煙霧）、CO（有毒）、懸浮粒子（損害肺部）。
- 溫室氣體：CO₂ 排放加劇溫室效應，引致全球暖化、冰川融化、海平面上升。
- 減排措施：使用低硫燃料、安裝脫硫設備、汽車催化轉化器將 NOₓ、CO 轉化。
- 替代方案：發展再生能源（太陽能、風能、氫能）及提升能源效益（節能家電、電動車）。
寫出辛烷 (C₈H₁₈) 完全燃燒與不完全燃燒的方程式並比較
- 完全燃燒（足氧）：2C₈H₁₈ + 25O₂ → 16CO₂ + 18H₂O；放出大量熱能，火焰藍色，無煙。
- 不完全燃燒（缺氧）：2C₈H₁₈ + 17O₂ → 16CO + 18H₂O；產生有毒 CO，火焰較暗。
- 嚴重缺氧：C₈H₁₈ + 9/2 O₂ → 8C + 9H₂O；產生碳微粒（煙灰），火焰黃色。
- 危險：不完全燃燒產生 CO（與血紅蛋白結合能力比 O₂ 強 200 倍），可致命。
描述烯烴的兩個化學試驗
- 試驗一（溴水）：加入少量橙色溴水並搖勻，烯烴使溴水由橙色快速褪為無色（加成反應）。
- 方程式：CH₂=CH₂ + Br₂ → CH₂BrCH₂Br (1,2-二溴乙烷)。
- 試驗二（酸化高錳酸鉀）：加入紫色 KMnO₄(aq)/H⁺，烯烴使紫色褪為無色（氧化反應）。
- 陷阱：寫觀察時須寫顏色變化（橙→無色、紫→無色），不可只寫「褪色」；烷烴在常溫及暗處不與溴水反應（對照）。
寫出含 6 個碳原子烴類的系統名稱並辨別模糊命名
- 直鏈：正己烷 hexane (CH₃CH₂CH₂CH₂CH₂CH₃)，己-1-烯 hex-1-ene (CH₂=CHCH₂CH₂CH₂CH₃)。
- 支鏈：2-甲基戊烷 2-methylpentane；須從離取代基近的一端編號（原則：取代基位置數字最小化）。
- 明確命名例：己-2-烯 (hex-2-ene)——雙鍵位置明確。
- 陷阱（模糊命名）：「methylpentene」未指明甲基及雙鍵位置；「2-甲基己-1-烯」對；「2-甲基-2-己烯」須明確為 2-methylhex-2-ene，不可省略 hex 前綴。
02
同系列、結構式和命名
Homologous Series, Structural Formulae, and Naming
碳的獨特性、同系列概念、烷烴/烯烴/烷醇/烷酸的結構式和IUPAC命名
核心考點
1. 碳的獨特性與同系列
考評提示：同系列的三項特徵：通式、漸變物理性質、相似化學性質
- 碳的獨特性：可形成4條共價鍵（碳鏈、環、支鏈）；可與自身或其他元素（H、O、N、鹵素）成鍵，故能生成數量龐大的有機化合物。
- 同系列(homologous series)定義：(i)同一通式；(ii)相鄰成員相差一CH₂；(iii)物理性質漸變（隨碳數增加，m.p./b.p./密度上升）；(iv)化學性質相似（同一官能基）。
2. 通式、結構式與IUPAC命名
考評提示：四大同系列通式；命名時找最長碳鏈、支鏈位置最小
- 通式：烷烴 CₙH₂ₙ₊₂；烯烴 CₙH₂ₙ；烷醇 CₙH₂ₙ₊₁OH；烷酸 CₙH₂ₙ₊₁COOH（或CₙH₂ₙO₂，n≥1）。前綴meth-/eth-/prop-/but-/pent-/hex-/hept-/oct-對應1-8個碳。
- IUPAC命名規則：(1)選含官能基的最長碳鏈作主鏈；(2)從最近官能基/雙鍵的一端編號；(3)支鏈以數字+烷基名表示；(4)雙鍵位置寫於主鏈名稱前，如but-2-ene。
- 結構式(full/displayed)顯示所有鍵；簡縮式(condensed)如CH₃CH₂CH₂CH₃省略C—H鍵。同分異構物(isomers)：分子式相同但結構式不同，如C₄H₁₀有正丁烷及2-methylpropane兩個異構物。
常見題型
解釋碳原子能形成大量不同有機化合物的原因
- 碳原子有4個價電子，可與其他原子形成4條共價鍵，鍵能高且穩定。
- 碳可與自身形成單、雙、三鍵，構成直鏈、支鏈或環狀的碳骨架（catenation能力突出）。
- 碳可與H、O、N、S、鹵素等多種元素成鍵，形成多類官能基（—OH、—COOH、C=C等）。
- 同分異構（isomerism）使同一分子式的碳化合物可有多個結構，大幅增加化合物數目。
定義同系列並以烷烴為例說明其特徵
- 定義：一系列具有相同通式、同一官能基、化學性質相似、物理性質漸變的有機化合物。
- 烷烴通式CₙH₂ₙ₊₂：CH₄、C₂H₆、C₃H₈、C₄H₁₀，相鄰成員相差CH₂。
- 物理性質漸變：碳數增加→分子量升→范德華力升→沸點上升（C₁~C₄氣體、C₅~C₁₇液體、C₁₈以上固體）。
- 化學性質相似：皆可燃燒、與鹵素取代、性質隨碳數變化不大。
寫出C₅H₁₂的所有結構異構物並命名
- pentane（正戊烷）：CH₃—CH₂—CH₂—CH₂—CH₃，5碳直鏈。
- 2-methylbutane：CH₃—CH(CH₃)—CH₂—CH₃，4碳主鏈在C2帶甲基。
- 2,2-dimethylpropane：C(CH₃)₄，3碳主鏈在C2帶兩個甲基。
- C₅H₁₂共有3個結構異構物，分子式相同但碳骨架不同。
寫出下列化合物的結構式及IUPAC名稱：(a)CH₃CH=CHCH₃、(b)CH₃CH(OH)CH₂CH₃、(c)CH₃CH₂COOH
- (a) but-2-ene：4碳，C2—C3間有雙鍵（還有順反異構，如未指明則名相同）。
- (b) butan-2-ol：4碳烷醇，—OH位於C2，為仲醇。
- (c) propanoic acid：3碳烷酸，—COOH為官能基；結構式為CH₃—CH₂—COOH。
- 命名原則：找含官能基的最長主鏈，從最近官能基的一端編號，用數字標示官能基位置。
比較烷烴、烯烴、烷醇、烷酸的通式和官能基
- 烷烴 CₙH₂ₙ₊₂，官能基為C—C單鍵（飽和烴，無特別官能基）。
- 烯烴 CₙH₂ₙ，官能基為C=C雙鍵，為不飽和烴。
- 烷醇 CₙH₂ₙ₊₁OH，官能基為羥基 —OH。
- 烷酸 CₙH₂ₙ₊₁COOH，官能基為羧基 —COOH；含有羥基（—OH）和羰基（C=O）的組合。
解釋烷烴同系列中沸點隨碳數增加而上升的原因
- 烷烴為非極性共價分子，分子間引力只有范德華力（vdW）。
- 碳數增加→分子量增加、表面積增加→瞬時偶極極化效應增強→vdW力增大。
- 要克服較強的vdW，需要更多能量，因此沸點上升。
- 故CH₄（−162°C）< C₂H₆（−89°C）< C₃H₈（−42°C）< C₄H₁₀（−0.5°C）。
命名以下化合物並說明命名步驟：CH₃—CH(CH₃)—CH₂—CH₂—OH
- 步驟1：找出含—OH的最長碳鏈，此處主鏈為4碳 → butanol。
- 步驟2：從—OH最近一端編號：C1為—CH₂OH, C2為—CH₂, C3為—CH(CH₃), C4為—CH₃。
- 步驟3：確定支鏈位置：C3帶一個甲基(methyl)。
- 步驟4：完整名稱為 3-methylbutan-1-ol。
比較全結構式(full structural formula)和簡縮結構式(condensed structural formula)
- 全結構式：畫出所有原子和所有鍵（包括每一條C—H鍵），清楚顯示連接方式。
- 簡縮結構式：省略C—H鍵，只寫出C及其所連接的H數目（如CH₃、CH₂），分支寫於括號內。
- 例：正丁烷全式為H—C(H)(H)—C(H)(H)—C(H)(H)—C(H)(H)—H；簡式CH₃CH₂CH₂CH₃。
- 用途：全式便於顯示官能基和化學鍵；簡式節省空間，便於書寫較大分子。
03
烷烴和烯烴
Alkanes and Alkenes
烷烴燃燒及取代反應（含自由基機理）、石油餾分裂解、烯烴加成及不飽和烴測試
核心考點
1. 烷烴的反應與裂解
考評提示：CH₄+Cl₂自由基取代三步驟、裂解產品為較小烷烴及烯烴
- 烷烴燃燒：CₙH₂ₙ₊₂ + O₂ → CO₂ + H₂O（完全燃燒放熱）；氧不足時產生CO、C（煙）及放熱較少。例：CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O。
- CH₄+Cl₂於紫外光下進行自由基取代：(i)引發Cl₂ → 2Cl•（UV同解）；(ii)傳遞Cl•+CH₄→HCl+CH₃•，CH₃•+Cl₂→CH₃Cl+Cl•；(iii)終止Cl•+Cl•→Cl₂等。
- 裂解(cracking)：將較大分子烷烴（如C₁₆H₃₄）通過熾熱瓷片/Al₂O₃催化分解成較小烷烴和烯烴。例：C₁₆H₃₄ → C₈H₁₈ + C₂H₄ + 其他。工業重要性：增產汽油、生產烯烴作聚合原料。
2. 烯烴的加成與不飽和試驗
考評提示：Br₂水及KMnO₄試驗用以區分烷烴和烯烴
- 烯烴+Br₂(於有機溶劑或棕色Br₂水)：加成反應，C=C變為C—C，Br₂褪色。例：CH₂=CH₂ + Br₂ → CH₂BrCH₂Br。烷烴在無UV下不反應。
- 烯烴+酸化KMnO₄(aq)：紫色KMnO₄被還原至無色Mn²⁺，生成二元醇；烯烴氧化產生—OH基。烷烴不反應，紫色不褪。
常見題型
寫出甲烷在紫外光下與氯反應的三階段自由基機理
- 引發 (Initiation)：Cl—Cl + UV光 → 2Cl•（同解產生氯自由基）。
- 傳遞 (Propagation)：Cl• + CH₄ → HCl + CH₃•；CH₃• + Cl₂ → CH₃Cl + Cl•（連鎖反應）。
- 終止 (Termination)：Cl• + Cl• → Cl₂；CH₃• + Cl• → CH₃Cl；CH₃• + CH₃• → C₂H₆。
- 整體：CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl，產物亦可繼續取代生成CH₂Cl₂、CHCl₃、CCl₄。
描述實驗室如何進行石油餾分的裂解並列出裝置
- 裝置：試管內放入浸透石蠟油/煤油的陶瓷綿，前端放一段碎瓷片（催化劑，可改用Al₂O₃）。
- 步驟：用酒精燈先強熱碎瓷片使其灼熱，然後間歇性地加熱陶瓷綿，使石蠟油汽化通過熱瓷片。
- 產物收集：用排水集氣法收集生成的氣體於另一試管。
- 預防倒吸：在停止加熱前，必須先將導管移離水面，以防冷卻時水倒吸入熱試管而爆裂。
設計實驗區分己烷(hexane)和己烯(hex-1-ene)
- 試驗1 — 棕色溴水：分別滴入2 cm³棕色Br₂水，用力搖盪。己烯使棕色Br₂水迅速褪色（加成反應）；己烷不反應，Br₂水仍棕色。
- 試驗2 — 酸化KMnO₄：分別加入少量稀KMnO₄/H₂SO₄。己烯使紫色褪為無色（被氧化）；己烷紫色不變。
- 觀察與結論：兩試驗中令試劑褪色者為己烯（含C=C），不令褪色者為己烷（飽和）。
- 注意：觀察用詞「棕色褪為無色」、「紫色褪為無色」，勿只寫「褪色」。
寫出乙烯分別與下列試劑反應的方程式：(a)Br₂、(b)H₂/Ni、(c)H₂O/H₃PO₄、(d)酸化KMnO₄
- (a) CH₂=CH₂ + Br₂ → CH₂BrCH₂Br（1,2-二溴乙烷，加成反應，Br₂褪色）。
- (b) CH₂=CH₂ + H₂ → CH₃CH₃（乙烷，Ni催化氫化）。
- (c) CH₂=CH₂ + H₂O → CH₃CH₂OH（乙醇，H₃PO₄催化水合，高溫高壓）。
- (d) 3CH₂=CH₂ + 2KMnO₄ + 4H₂O → 3HOCH₂CH₂OH + 2MnO₂ + 2KOH（或酸性條件生成乙二醇，紫色→無色）。
解釋工業上裂解石油餾分的重要性
- 平衡需求：石油中汽油(C₅–C₁₀)需求遠高於其自然比例，裂解把長鏈柴油/重油轉成汽油級分子。
- 提供烯烴原料：裂解的副產品烯烴（乙烯、丙烯）是製造加成聚合物（聚乙烯、PVC）的原料。
- 產生氫氣：部分裂解方程式會產生H₂，可用於氨合成或氫化反應。
- 經濟效益：增加每桶原油的附加價值，減少浪費。
比較烷烴的完全燃燒和不完全燃燒
- 完全燃燒（O₂充足）：CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O；火焰呈藍色，放熱最多。
- 不完全燃燒（O₂不足）：2CH₄ + 3O₂ → 2CO + 4H₂O 或 CH₄ + O₂ → C + 2H₂O；火焰發黃，產生CO和碳微粒（煙）。
- 危害：CO無色無味有毒，與血紅蛋白結合力比O₂強200倍，造成中毒；碳粒引致呼吸道疾病。
- 改善：確保通風充足、定期檢查燃氣器具、使用催化轉化器。
描述如何用碎瓷片裝置證明長鏈烷烴裂解產物含有烯烴
- 裂解所得氣體通入棕色Br₂水試管。
- 觀察：棕色Br₂水迅速褪為無色，顯示氣體中有C=C的烯烴進行加成反應。
- 對照：純烷烴氣（如甲烷）不會使Br₂水褪色，可作對照實驗。
- 結論：裂解會把大分子烷烴同時轉化為較小烷烴和烯烴（如CH₂=CH₂）。
比較烷烴與烯烴的化學性質
- 飽和度：烷烴飽和（僅C—C單鍵）；烯烴不飽和（含C=C雙鍵）。
- 取代 vs 加成：烷烴主要進行取代（需UV+鹵素）；烯烴以加成為主（室溫即可）。
- 與Br₂/KMnO₄：烷烴無反應；烯烴迅速使Br₂水及KMnO₄褪色。
- 燃燒：兩者皆放熱，但烯烴因碳含量較高燃燒時常有黃色較煙焰（不完全燃燒較多）。
04
加成聚合物
Addition Polymers
單體、聚合物、重複單位的定義及五種常見加成聚合物的性質和用途
核心考點
1. 加成聚合的基本概念
考評提示：單體→聚合物結構推斷；重複單位書寫格式
- 定義：單體(monomer)為含C=C的小分子；聚合物(polymer)為由大量單體經化學反應連結成的長鏈大分子；重複單位(repeat unit)為聚合物中不斷重複的最小結構片段。
- 加成聚合(addition polymerisation)：烯烴單體的C=C斷開並相連，過程中無其他分子釋出。通式n CH₂=CHX → —[CH₂—CHX]ₙ—。重複單位的書寫須用方括號及下標n。
2. 五種常見加成聚合物
考評提示：PE/PP/PVC/PS/PMMA的單體結構、性質和用途配對
- 聚乙烯(PE)：單體 CH₂=CH₂；重複單位 —[CH₂—CH₂]ₙ—；軟韌柔、用於膠袋、保鮮紙。聚丙烯(PP)：單體 CH₂=CH(CH₃)；較硬耐熱、用於容器、繩索。
- 聚氯乙烯(PVC)：單體 CH₂=CHCl；堅硬、耐化學、絕緣，用於水管、電線絕緣層、膠布。聚苯乙烯(PS)：單體 CH₂=CH(C₆H₅)；硬脆、透明/發泡態絕熱，用於飯盒、包裝發泡膠。
- 有機玻璃(PMMA)：單體 CH₂=C(CH₃)COOCH₃ (methyl methacrylate)；高透明度堅硬，用作玻璃替代品、水族箱、飛機窗。
常見題型
定義單體、聚合物和重複單位，並以聚乙烯為例說明
- 單體：含C=C的小分子，如CH₂=CH₂（乙烯）。
- 聚合物：由大量單體經化學反應連結成的長鏈大分子，如聚乙烯。
- 重複單位：聚合物中不斷重複的最小結構片段，聚乙烯為—[CH₂—CH₂]ₙ—。
- 加成聚合方程式：n CH₂=CH₂ → —[CH₂—CH₂]ₙ—，沒有小分子副產物生成。
寫出下列單體生成的加成聚合物的重複單位：(a)丙烯CH₂=CHCH₃、(b)氯乙烯CH₂=CHCl、(c)苯乙烯CH₂=CHC₆H₅
- (a) 聚丙烯重複單位：—[CH₂—CH(CH₃)]ₙ—；甲基保留在每個重複單位上。
- (b) 聚氯乙烯重複單位：—[CH₂—CHCl]ₙ—；氯原子保留在每個重複單位上。
- (c) 聚苯乙烯重複單位：—[CH₂—CH(C₆H₅)]ₙ—；苯基保留在每個重複單位上。
- 通則：C=C斷裂成C—C，原取代基完整保留於主鏈的側基位置。
根據給定重複單位 —[CH₂—CHF]ₙ— 推斷其單體並寫出聚合方程
- 重複單位結構：—CH₂—CHF— 的兩碳片段具一個C—C單鍵，單體原是C=C雙鍵。
- 將中央C—C「恢復」為C=C雙鍵，還原其他取代基位置，得單體CH₂=CHF（氟乙烯）。
- 聚合方程：n CH₂=CHF → —[CH₂—CHF]ₙ—。
- 此聚合物為聚氟乙烯(PVF)，具良好化學穩定性和耐候性。
列舉五種常見加成聚合物及其用途
- 聚乙烯(PE)：用於膠袋、保鮮紙、瓶子；柔軟、防水。
- 聚丙烯(PP)：用於食物容器、繩索、地毯；較硬耐熱（m.p.較PE高）。
- 聚氯乙烯(PVC)：用於水管、電線絕緣層、雨衣、地板；堅硬且化學穩定。
- 聚苯乙烯(PS)：發泡製作外賣飯盒、保溫包裝；透明型用於一次性餐具。有機玻璃(PMMA)：用於水族箱、飛機窗、招牌；透明度極高。
解釋為何加成聚合物難以自然降解並討論環境影響
- 加成聚合物主鏈為穩定的C—C單鍵，無容易受水/酵素攻擊的鍵結（如酯鍵、醯胺鍵）。
- 微生物缺乏分解這類非生物源大分子的酵素，故降解極慢（可達百年）。
- 環境影響：填埋佔地、海洋塑膠導致海洋生物誤食，微塑膠進入食物鏈。
- 對策：減少使用、回收循環利用、發展可生物降解聚合物（如PLA）。
比較加成聚合物與其單體的物理性質
- 熔點/沸點：聚合物分子量極大→范德華力強→m.p./b.p.遠高於單體（單體多為氣體或低沸點液體）。
- 物理狀態：室溫下單體多為氣體（乙烯、丙烯）或液體（苯乙烯）；聚合物為固體。
- 溶解度：聚合物多不溶於水，部分可溶於有機溶劑；單體溶解度依官能基而異。
- 化學反應活性：單體因含C=C可進行加成反應；聚合物為飽和主鏈，化學穩定。
描述實驗室製備聚苯乙烯的方法
- 試劑：液態苯乙烯（CH₂=CHC₆H₅）及少量過氧化物（如過氧化苯甲醯BPO）作引發劑。
- 裝置：試管，置於熱水浴（80-90°C）加熱。
- 過程：加熱引發自由基聚合；苯乙烯液體逐漸變稠變為透明固體聚苯乙烯。
- 注意：苯乙烯易揮發有毒，須在抽氣櫃進行；切勿直火加熱以防過熱爆沸。
解釋為何聚丙烯的熔點比聚乙烯高
- 兩者皆為非極性共價大分子，分子間引力主要為范德華力。
- 聚丙烯的重複單位 —CH₂—CH(CH₃)— 每個含3個碳，比聚乙烯的 —CH₂—CH₂— 含更多電子。
- 電子數增加→瞬時偶極極化效應增強→vdW力增大。
- 熔化需破壞更強的vdW，故聚丙烯熔點(~160°C)高於聚乙烯(~110°C)。
