化石燃料與生物燃料在化學上並非互相對立的類別

兩種燃料在燃燒時，可能產生幾乎相同分量的二氧化碳，但其中一種燃料在整個生命週期中，可能向大氣增加少得多的化石碳。與此同時，這種「較環保」的燃料，也可能讓汽車在使用相同體積燃料的情況下，行駛較短的距離。

那麼，哪一種燃料比較好？

繼續閱讀之前，先作一個預測。假設一輛汽車使用汽油，另一輛使用由近期種植的甘蔗製成的乙醇。如果兩輛汽車的排氣管都會排放二氧化碳，為甚麼乙醇仍可能具有環境方面的優勢？

關鍵在於，選擇燃料並不只是燃燒反應的問題。你需要同時追蹤三件事：燃料能提供多少能量、燃料中的碳來自哪裏，以及燃料進入引擎之前經歷了哪些生產過程。

01化石燃料與生物燃料在化學上並非互相對立的類別

這裏有一個很容易令人混淆的術語問題。

在化學中，有機物主要是指以碳為基礎的物質。汽油含有有機化合物，乙醇也是一種有機化合物。因此，乙醇這類生物燃料本身也是有機燃料。

更有意義的比較是：

兩者最終都具有生物來源。重要的差別在於時間尺度。

燃燒化石燃料會把碳從長期的地質儲存庫轉移到活躍的碳循環中。燃燒生物燃料同樣會釋放二氧化碳，但用來製造燃料的植物，可能在近期生長時已從大氣中吸收了二氧化碳。

因此，單憑「它會產生 \(\ce{CO2}\)」並不足以比較兩種燃料對環境的影響。

02燃料實際上如何發揮作用

燃料儲存了化學能。在燃燒過程中，燃料與氧氣反應，形成較穩定的產物，通常是二氧化碳和水。

乙醇的完全燃燒反應為：

\[ \ce{C2H5OH(l) + 3O2(g) -> 2CO2(g) + 3H2O(l)} \]

因此，一莫耳乙醇完全燃燒時會產生兩莫耳二氧化碳。

在簡化模型中，我們經常以辛烷（octane）\(\ce{C8H18}\) 代表汽油。真正的汽油是一種混合物，因此辛烷只是有用的模型，而不是對汽油成分的精確描述。

辛烷的完全燃燒反應可寫成：

\[ \ce{2C8H18(l) + 25O2(g) -> 16CO2(g) + 18H2O(l)} \]

到了這一步，你可能會預測辛烷對環境的影響一定嚴重得多，因為一個辛烷分子含有八個碳原子，而乙醇只有兩個。

但這樣的比較並不完整。辛烷分子也大得多，而且每莫耳釋放的能量遠高於乙醇。要公平比較燃料，我們通常需要問：在提供相同能量的情況下，會產生多少二氧化碳？

03比較燃料可提供的能量

燃燒焓（enthalpy of combustion）\(\Delta H_c\)，是指一莫耳物質在指定條件下完全燃燒時的焓變。

燃燒是放熱反應，因此 \(\Delta H_c\) 為負值。數值越負，代表每莫耳釋放的能量越多。

例如，假設我們採用以下數據：

• 乙醇：\(\Delta H_c = -1367\ \text{kJ mol}^{-1}\)
• 辛烷：\(\Delta H_c = -5470\ \text{kJ mol}^{-1}\)

乍看之下，辛烷提供的能量似乎約為乙醇的四倍。但這是以每莫耳計算。一莫耳辛烷的質量遠大於一莫耳乙醇。

在實際比較燃料時，每克或每公升所提供的能量通常更有用。

計算範例：哪種燃料每克釋放的能量較多？

乙醇的莫耳質量為 \(46.1\ \text{g mol}^{-1}\)，燃燒焓為 \(-1367\ \text{kJ mol}^{-1}\)。辛烷的莫耳質量為 \(114.2\ \text{g mol}^{-1}\)，燃燒焓為 \(-5470\ \text{kJ mol}^{-1}\)。

比較兩者每克釋放的能量。

步驟 1：使用燃燒焓的絕對值。

我們要比較的是釋放的能量，因此使用正的絕對值 \(1367\ \text{kJ mol}^{-1}\) 和 \(5470\ \text{kJ mol}^{-1}\)。

步驟 2：計算一克乙醇釋放的能量。

\[ \frac{1367\ \text{kJ mol}^{-1}}{46.1\ \text{g mol}^{-1}} = 29.7\ \text{kJ g}^{-1} \]

步驟 3：以相同方法計算辛烷。

\[ \frac{5470\ \text{kJ mol}^{-1}}{114.2\ \text{g mol}^{-1}} = 47.9\ \text{kJ g}^{-1} \]

步驟 4：解釋結果。

每克辛烷約釋放 \(47.9\ \text{kJ}\)，而每克乙醇約釋放 \(29.7\ \text{kJ}\)。

因此，在燃料質量相同的情況下，辛烷釋放的能量明顯較多。

這在實際應用上十分重要。使用乙醇的車輛，一般需要消耗更大的燃料質量，而且通常也需要更大的燃料體積，才能獲得相同的化學能。

04為甚麼乙醇每克所含的能量較少

乙醇的化學式為：

\[ \ce{C2H5OH} \]

辛烷等碳氫化合物只含有碳和氫：

\[ \ce{C8H18} \]

乙醇本身已含有氧。從化學角度來看，與碳氫化合物中的碳相比，乙醇中的碳原子已經部分被氧化。

你可以把燃燒過程想像成沿著能量斜坡向下移動，最終到達 \(\ce{CO2}\) 和 \(\ce{H2O}\)。碳氫化合物從斜坡較高的位置開始，而乙醇因為分子中已經含有氧，所以相當於已經沿斜坡下降了一部分。

這個比喻有助於比較化學能，但並不代表個別化學鍵真的會「沿斜坡向下掉落」。焓取決於反應物與生成物之間的總能量差。

最重要的是實際結果：乙醇每單位質量所含的能量，低於汽油等常見碳氫化合物燃料。

05排氣管排放的二氧化碳只反映部分情況

現在回到最初的問題。

當乙醇和碳氫化合物燃料提供相同能量時，它們是否可能產生質量相近的二氧化碳？

令人意外的是，答案是可能的。

計算範例：比較提供相同能量時釋放的二氧化碳

假設一部引擎需要 \(10.0\ \text{MJ}\) 的化學能。比較乙醇和辛烷完全燃燒時產生的二氧化碳。

使用以下數據：

• 乙醇：\(\Delta H_c = -1367\ \text{kJ mol}^{-1}\)
• 辛烷：\(\Delta H_c = -5470\ \text{kJ mol}^{-1}\)
• \(\ce{CO2}\) 的莫耳質量 \(= 44.01\ \text{g mol}^{-1}\)

假設引擎將兩種燃料的化學能轉換成其他形式能量時，效率相同。

步驟 1：將所需能量轉換為千焦耳。

\[ 10.0\ \text{MJ} = 10\,000\ \text{kJ} \]

步驟 2：計算所需乙醇的物質的量。

\[ n(\text{乙醇}) = \frac{10\,000\ \text{kJ}}{1367\ \text{kJ mol}^{-1}} = 7.32\ \text{mol} \]

根據反應式：

\[ \ce{C2H5OH + 3O2 -> 2CO2 + 3H2O} \]

每莫耳乙醇會產生兩莫耳 \(\ce{CO2}\)。

\[ n(\ce{CO2}) = 2(7.32)=14.6\ \text{mol} \]

因此：

\[ m(\ce{CO2}) = 14.6\ \text{mol}\times44.01\ \text{g mol}^{-1} \approx 644\ \text{g} \]

步驟 3：計算所需辛烷的物質的量。

\[ n(\text{辛烷}) = \frac{10\,000\ \text{kJ}}{5470\ \text{kJ mol}^{-1}} = 1.83\ \text{mol} \]

每莫耳辛烷會產生八莫耳二氧化碳。

\[ n(\ce{CO2})=8(1.83)=14.6\ \text{mol} \]

因此：

\[ m(\ce{CO2}) = 14.6\ \text{mol}\times44.01\ \text{g mol}^{-1} \approx 644\ \text{g} \]

步驟 4：解釋這個看似奇怪的結果。

根據這些簡化數據，乙醇和辛烷在釋放相同能量時，產生的二氧化碳質量幾乎一樣。

因此，支持生質乙醇的主要環境論點，並不是它的廢氣不含二氧化碳。事實上，它顯然會產生二氧化碳。

真正的差別在於這些碳來自哪裏。

06化石碳與近期吸收的碳

想像大氣有一個「碳銀行帳戶」。

生物質在生長過程中，透過光合作用從大氣中提取二氧化碳。燃燒由這些生物質製成的燃料，會將其中部分碳送回大氣。

化石燃料的情況則不同。它的碳在地質時間尺度上一直被封存在地下。燃燒化石燃料，會把這些原本儲存的碳轉移到大氣中。

然而，如果我們假設每一筆碳的存入與提取都會自動發生，或兩者的數量必然相等，這個銀行帳戶的比喻便不再適用。種植、收割、運輸、加工和精煉生物質都需要資源，也可能產生額外的溫室氣體排放。

因此，我們不應自動將生物燃料描述為「碳中和」。

07如何利用生物質生產乙醇燃料

一種常見的生產途徑，是從生物質中取得碳水化合物。

糖類可以進行發酵：

\[ \ce{C6H12O6(aq) -> 2C2H5OH(aq) + 2CO2(g)} \]

葡萄糖會產生乙醇和二氧化碳。

接著，必須從發酵混合物中分離乙醇。蒸餾需要能量，因為必須加熱混合物，並將乙醇與大量水分離。

若乙醇要用作燃料，可能還需要進一步去除水分。

這帶出一個重要的環境問題：加工所需的能量來自哪裏？

如果生質乙醇工廠在種植作物、製造肥料、運輸生物質及蒸餾乙醇的過程中，消耗大量化石燃料，那麼它對溫室氣體排放的整體影響，可能遠不如簡單的植物生長示意圖所呈現的那樣理想。

08評估任何燃料的實用方法

在 HSC 考試中，比較燃料的答案應避免只用「可再生」或「清潔」等單一詞語作判斷。

相反，應從能量、環境和實際應用三個方面進行比較。

「有可能再生」這個說法很重要。如果森林被砍伐的速度快於生物質重新生長的速度，即使把所產生的燃料稱為可再生燃料，也不會令環境破壞消失。

09最容易令人誤解的觀念：生物燃料等於碳中和

學生可能會這樣推論：

植物吸收 \(\ce{CO2}\)。我們把植物製成乙醇。燃燒乙醇時，會釋放相同的 \(\ce{CO2}\)。因此，淨排放量為零。

這是一個有用的初步模型，但它忽略了系統中的幾個部分。

更完整的生命週期評估可能包括：

• 種植、收割及加工原料所消耗的能量
• 運輸生物質和乙醇所使用的燃料
• 分離和純化發酵產物所需的能量
• 肥料生產及農業活動造成的排放
• 土壤碳含量的變化
• 清除現有植被的影響
• 水資源使用
• 作物是否取代糧食生產或其他土地用途
• 副產物及廢棄物的處理方式

因此，生物燃料的生命週期溫室氣體排放量可以低於化石燃料，但不代表它的排放量為零。

如果生產途徑效率低，或造成重大土地用途變化，生物燃料的環境表現也可能很差。

「生物」一詞只告訴你燃料的來源，並不能直接判定它對環境的最終影響。

10完全燃燒也不是必然發生的

前面的燃燒方程式都假設發生完全燃燒。

要達到完全燃燒，必須有足夠氧氣，使碳形成 \(\ce{CO2}\)，氫形成 \(\ce{H2O}\)。

當氧氣不足時，不完全燃燒可能產生一氧化碳及含碳微粒。

例如，乙醇可能形成一氧化碳：

\[ \ce{C2H5OH + 2O2 -> 2CO + 3H2O} \]

真實引擎的情況比單一化學方程式複雜得多。溫度、氧氣供應、引擎設計及燃燒條件都會影響產物。

因此，另一種常見的簡化推論也不成立：僅僅知道燃料含有氧，並不能保證它一定完全燃燒，或燃燒時完全不產生污染物。

11為甚麼乙醇的物理性質很重要

燃料除了能釋放能量，還必須適合儲存、運輸和使用。

乙醇含有極性的 \(\ce{-OH}\) 基團，而且能形成氫鍵。因此，它的物理性質與汽油中的非極性碳氫化合物有明顯差異。

特別是，乙醇與水具有高度互溶性。因此，在儲存及處理燃料時，水分污染可能成為重要問題。

分子間作用力也會影響沸騰特性等性質，而這在從發酵混合物中分離乙醇時尤其重要。如果你對這個關聯還不熟悉，可以閱讀醇類分子間作用力指南，從分子層面深入理解。

如果一種燃料雖然在化學上表現出色，但儲存、運輸、分離或使用它需要不合理的大量能量，或需要不適合的基礎設施，那麼它的優點便可能失去實際意義。

12比「可再生與不可再生」更好的判斷方法

比較燃料時，可以依照以下順序思考。

1. 每單位質量或體積的燃料可以提供多少有用能量？
2. 燃料燃燒時會形成哪些產物？
3. 燃料中的碳來自哪裏？
4. 生產燃料需要消耗哪些能量和資源？
5. 燃料原料能否以可持續方式補充？
6. 在儲存、運輸和使用過程中，會遇到哪些實際問題？

請注意，沒有任何單一準則可以決定最終答案。

汽油在能量密度方面具有優勢。生質乙醇在碳循環方面可能具有優勢。然而，某一種乙醇生產途徑是否真正具有環境優勢，還取決於農業活動、加工過程及土地使用方式，這些因素可能增加或削弱它的優勢。

這正是 HSC 題目通常要求的比較深度。

13題目與解答

題目 1

一份含有 \(2.00\ \text{mol}\) 乙醇的樣本進行完全燃燒。

使用 \(\Delta H_c(\text{乙醇})=-1367\ \text{kJ mol}^{-1}\)。

計算：

a. 釋放的能量
b. 產生的二氧化碳的物質的量
c. 產生的二氧化碳質量。

使用 \(M(\ce{CO2})=44.01\ \text{g mol}^{-1}\)。

解答 1

\(2.00\ \text{mol}\) 乙醇完全燃燒會釋放 \(2.73\times10^3\ \text{kJ}\) 能量，並產生 \(176\ \text{g}\) 二氧化碳。

燃燒方程式為：

\[ \ce{C2H5OH + 3O2 -> 2CO2 + 3H2O} \]

對於 a 小題，釋放能量的絕對值為：

\[ E = n|\Delta H_c| = 2.00\ \text{mol}\times1367\ \text{kJ mol}^{-1} = 2734\ \text{kJ} \]

因此：

\[ E=2.73\times10^3\ \text{kJ} \]

對於 b 小題，莫耳比為：

\[ 1\ \text{mol 乙醇}:2\ \text{mol }\ce{CO2} \]

因此：

\[ n(\ce{CO2})=2(2.00)=4.00\ \text{mol} \]

對於 c 小題：

\[ m=nM = 4.00\ \text{mol}\times44.01\ \text{g mol}^{-1} = 176.04\ \text{g} \]

所以質量約為：

\[ 176\ \text{g} \]

一個容易犯的錯誤是認為，由於植物生長時吸收了二氧化碳，所以生質乙醇燃燒時不會產生二氧化碳。這是生命週期層面的論點，而不是燃燒反應的結果。化學方程式清楚顯示，乙醇完全燃燒時確實會產生 \(\ce{CO2}\)。

題目 2

一個簡化的汽油模型使用辛烷，其 \(\Delta H_c=-5470\ \text{kJ mol}^{-1}\)，莫耳質量為 \(114.2\ \text{g mol}^{-1}\)。

乙醇的 \(\Delta H_c=-1367\ \text{kJ mol}^{-1}\)，莫耳質量為 \(46.1\ \text{g mol}^{-1}\)。

一輛車需要 \(30.0\ \text{MJ}\) 的化學能。

計算所需的兩種燃料各自的質量，並據此求出所需乙醇質量是辛烷的多少倍。

假設引擎效率相同。

解答 2

車輛需要約 \(1.01\ \text{kg}\) 乙醇或 \(0.626\ \text{kg}\) 辛烷，因此所需乙醇質量約為辛烷的 \(1.62\) 倍。

對於乙醇：

\[ n = \frac{30\,000\ \text{kJ}}{1367\ \text{kJ mol}^{-1}} = 21.9\ \text{mol} \]

接著：

\[ m = nM = 21.9\ \text{mol}\times46.1\ \text{g mol}^{-1} \approx1010\ \text{g} \]

所以：

\[ m(\text{乙醇})\approx1.01\ \text{kg} \]

對於辛烷：

\[ n = \frac{30\,000\ \text{kJ}}{5470\ \text{kJ mol}^{-1}} = 5.48\ \text{mol} \]

接著：

\[ m = 5.48\ \text{mol}\times114.2\ \text{g mol}^{-1} \approx626\ \text{g} \]

所以：

\[ m(\text{辛烷})\approx0.626\ \text{kg} \]

兩者的比值為：

\[ \frac{1.01}{0.626}\approx1.62 \]

一個看似合理但錯誤的方法，是只比較兩者的莫耳燃燒焓，然後聲稱辛烷提供的能量約為乙醇的四倍。這忽略了一莫耳辛烷的質量遠大於一莫耳乙醇。若要進行實際的質量比較，相關的數值應是每克所提供的能量。

題目 3

一名學生提出以下論點：

生質乙醇一定比汽油環保，因為乙醇是可再生的，而汽油是不可再生的。

評估這項陳述。你的答案必須考慮燃燒、碳循環、生產過程，以及乙醇的一項實際應用相關性質。

解答 3

這項陳述過於絕對：生質乙醇可能比汽油具有環境優勢，但可再生並不代表它在所有情況下都一定比較好。

兩種燃料完全燃燒時都會產生二氧化碳。以乙醇為例：

\[ \ce{C2H5OH + 3O2 -> 2CO2 + 3H2O} \]

重要的差別在於碳的來源。汽油會將長期儲存在地質環境中的碳轉移到大氣。由近期生長的生物質製成的乙醇，則可能讓植物近期從大氣 \(\ce{CO2}\) 中吸收的碳重新進入循環。

然而，乙醇的生命週期影響也取決於種植、肥料使用、收割、運輸、發酵，以及蒸餾等高耗能分離過程。為了種植燃料作物而清除高碳儲量的植被，也可能造成額外排放，削弱甚至抵銷原本預期的環境效益。

此外，乙醇每單位質量所含的能量低於汽油類碳氫化合物，因此要提供相同的化學能，可能需要更多燃料。

一項實際差異是乙醇與水的相互作用。由於乙醇含有極性的 \(\ce{-OH}\) 基團，而且能形成氫鍵，因此它容易與水混合。這可能帶來與非極性碳氫化合物燃料不同的儲存及燃料處理問題。

容易犯的錯誤，是把「可再生」當成完整的環境評估。可再生性描述的是資源能否在有實際意義的時間尺度內得到補充，並不能衡量所有排放、資源投入或實際後果。

題目 4

一公噸乾燥廢棄生物質含有 \(18.0\ \text{GJ}\) 的化學能。某地方議會正考慮以下兩種用途。

方案 A： 在供暖系統中燃燒生物質，將其化學能的 \(85\%\) 轉換為有用熱能。這些有用熱能將取代一套效率為 \(90\%\) 的天然氣供暖系統所提供的熱能。每燃燒一吉焦耳天然氣，會釋放 \(56.0\ \text{kg}\) 的化石來源 \(\ce{CO2}\)。

方案 B： 將生物質轉換為乙醇。所得乙醇含有原本生物質能量的 \(55\%\)。乙醇在車輛中取代相同化學能量的汽油。每燃燒一吉焦耳汽油，會釋放 \(73.0\ \text{kg}\) 的化石來源 \(\ce{CO2}\)。製造乙醇時使用的化石能源，會令每公噸經加工的生物質額外產生 \(150\ \text{kg}\) 的 \(\ce{CO2}\) 排放。

假設生物質本身能以可持續方式再生，並忽略所有其他排放。

哪個方案能避免更多化石來源的二氧化碳排放？計算兩者的差異，並解釋為甚麼選擇生產運輸用生物燃料，並不一定是使用生物質的較佳方法。

解答 4

方案 A 能避免更多化石來源的二氧化碳排放：約 \(952\ \text{kg}\)，而方案 B 約為 \(573\ \text{kg}\)，兩者每公噸生物質的差異約為 \(379\ \text{kg}\) \(\ce{CO2}\)。

對於方案 A，從生物質獲得的有用熱能為：

\[ E_{\text{有用}} = 18.0\ \text{GJ}\times0.85 = 15.3\ \text{GJ} \]

效率為 \(90\%\) 的天然氣系統需要：

\[ E_{\text{天然氣}} = \frac{15.3\ \text{GJ}}{0.90} = 17.0\ \text{GJ} \]

因此，避免的化石來源二氧化碳排放量為：

\[ m(\ce{CO2}) = 17.0\ \text{GJ}\times56.0\ \text{kg GJ}^{-1} = 952\ \text{kg} \]

對於方案 B，乙醇所含的能量為：

\[ E_{\text{乙醇}} = 18.0\ \text{GJ}\times0.55 = 9.90\ \text{GJ} \]

因此，它取代了 \(9.90\ \text{GJ}\) 的汽油。

避免的汽油排放量為：

\[ m(\ce{CO2}) = 9.90\ \text{GJ}\times73.0\ \text{kg GJ}^{-1} = 723\ \text{kg} \]

但是，乙醇製造過程會額外產生 \(150\ \text{kg}\) 的化石來源二氧化碳排放。

因此，淨避免排放量為：

\[ 723-150=573\ \text{kg} \]

所以：

\[ 952-573=379\ \text{kg} \]

方案 A 能額外避免約 \(379\ \text{kg}\) 的化石來源 \(\ce{CO2}\) 排放。

容易令人選錯的答案是方案 B，因為「以生物燃料取代汽油」聽起來像是更先進的環保用途。但這種想法忽略了一項限制：生物質的供應量有限。因此，正確的比較不只是「生物燃料與化石燃料」，而是「這些生物質用於哪一種替代用途，能取代最多的化石燃料？」

轉換過程中的能量損失很重要。方案 B 只有 \(55\%\) 的生物質能量保留在乙醇中，而且加工過程也會產生化石來源的排放。方案 A 則利用了更多原有能量來取代另一種化石燃料。

這並不證明生物質永遠應該直接燃燒。如果改變效率、被取代的燃料、加工排放量，或所需的能量形式，結果便可能不同。

題目 5

考慮一個理想化的生質乙醇循環，起點是透過光合作用產生的葡萄糖。

假設由大氣中的二氧化碳形成一莫耳葡萄糖的過程，可用以下方程式表示：

\[ \ce{6CO2 + 6H2O -> C6H12O6 + 6O2} \]

發酵反應為：

\[ \ce{C6H12O6 -> 2C2H5OH + 2CO2} \]

燃燒反應為：

\[ \ce{C2H5OH + 3O2 -> 2CO2 + 3H2O} \]

某工廠將一莫耳葡萄糖轉換為乙醇，並把所產生的兩莫耳乙醇全部作為燃料燃燒。

a. 追蹤整個理想化循環中，從大氣吸收及向大氣釋放的二氧化碳。

b. 一名學生說：「每莫耳乙醇會產生兩莫耳 \(\ce{CO2}\)，所以要使燃料達到碳中和，作物每生產一莫耳乙醇，只需要吸收兩莫耳 \(\ce{CO2}\)。」解釋這項推論的錯誤。

c. 現在假設發酵產生的所有 \(\ce{CO2}\) 都被捕集並永久儲存，而不是釋放到大氣。種植及加工足以製造兩莫耳乙醇的生物質所使用的化石能源，會額外產生 \(0.80\ \text{mol}\) 的 \(\ce{CO2}\)。假設生物質完全按照題目所述重新生長，計算整個循環中大氣 \(\ce{CO2}\) 的淨變化量。

解答 5

一般的理想化循環中，大氣 \(\ce{CO2}\) 的淨變化量為零；如果發酵產生的二氧化碳被永久儲存，並計入題目所述的加工排放，整個循環會從大氣中淨移除 \(1.20\ \text{mol}\) 的 \(\ce{CO2}\)。

對於 a 小題，光合作用吸收：

\[ 6\ \text{mol }\ce{CO2} \]

接著，發酵釋放：

\[ 2\ \text{mol }\ce{CO2} \]

一莫耳葡萄糖會產生兩莫耳乙醇。每莫耳乙醇燃燒時會產生兩莫耳二氧化碳，因此燃燒共釋放：

\[ 2\times2=4\ \text{mol }\ce{CO2} \]

因此，釋放的二氧化碳總量為：

\[ 2+4=6\ \text{mol }\ce{CO2} \]

理想化的淨變化量為：

\[ 6\ \text{mol 吸收}-6\ \text{mol 釋放}=0 \]

對於 b 小題，該學生的結論忽略了發酵過程中釋放的二氧化碳。

每產生一莫耳最終的乙醇，原本的葡萄糖中便含有相當於三個碳原子的碳。其中兩個碳原子保留在乙醇中，之後在燃燒時以兩個 \(\ce{CO2}\) 分子的形式釋放。剩下的一個碳原子則在發酵過程中以 \(\ce{CO2}\) 的形式釋放。

因此，平均每莫耳乙醇所對應的光合作用，最初從大氣中移除了三莫耳二氧化碳，而不是兩莫耳：

\[ 3\ \text{mol 吸收} = 1\ \text{mol 發酵時釋放} + 2\ \text{mol 燃燒時釋放} \]

這是本題的關鍵。只觀察排氣管的排放，便會忽略在生產過程較早階段已經離開生物質的碳。

對於 c 小題，作物仍然移除：

\[ 6\ \text{mol }\ce{CO2} \]

發酵產生的 \(2\ \text{mol}\) 二氧化碳現在被捕集並永久儲存，因此不會返回大氣。

燃燒釋放：

\[ 4\ \text{mol }\ce{CO2} \]

加工過程另外增加：

\[ 0.80\ \text{mol }\ce{CO2} \]

因此，向大氣釋放的總量為：

\[ 4+0.80=4.80\ \text{mol }\ce{CO2} \]

大氣中的淨變化量為：

\[ 4.80-6.00=-1.20\ \text{mol }\ce{CO2} \]

因此，在題目所給的假設下，大氣淨減少：

\[ 1.20\ \text{mol }\ce{CO2} \]

即使是能力較強的學生，最初也可能認為最理想的結果只能是「碳中和」，因為生物燃料中的碳原本來自大氣。這裏重要的相互關係是：碳可以在循環中的多個階段離開系統。如果近期被吸收並進入生物質的部分碳能夠永久儲存，而其餘生物質又能重新生長，理想化系統便有可能從整體上移除大氣中的碳。

這個結論完全取決於題目的假設。如果生物質沒有重新生長、碳儲存並非永久、土地清理釋放額外的碳，或加工排放量足夠大，結果便會改變。

更廣泛的啟示是，單憑燃料分子本身，無法判斷它對環境的影響。燃燒化學告訴我們反應內部發生了甚麼；生命週期比較則會追蹤反應物的來源，以及反應前後發生的事情。

下一個有用的學習步驟，是將這些比較與實際測量的能量變化聯繫起來。醇類燃燒焓指南說明如何測定 \(\Delta H_c\)，以及為甚麼實驗數值經常與公認值不同。