化石燃料与生物燃料在化学上并非互相对立的类别

两种燃料在燃烧时,可能产生几乎相同分量的二氧化碳,但其中一种燃料在整个生命周期中,可能向大气增加少得多的化石碳。与此同时,这种「较环保」的燃料,也可能让汽车在使用相同体积燃料的情况下,行驶较短的距离。 那么,哪一种燃料比较好? 继续阅读之前,先作一个预测。假设一辆汽车使用汽油,另一辆使用由近期种植的甘蔗制成的乙醇。如果两辆汽车的排气管都会排放二氧化碳,为甚么乙醇仍可能具有环境方面的优势? 关键在于

两种燃料在燃烧时,可能产生几乎相同分量的二氧化碳,但其中一种燃料在整个生命周期中,可能向大气增加少得多的化石碳。与此同时,这种「较环保」的燃料,也可能让汽车在使用相同体积燃料的情况下,行驶较短的距离。

那么,哪一种燃料比较好?

继续阅读之前,先作一个预测。假设一辆汽车使用汽油,另一辆使用由近期种植的甘蔗制成的乙醇。如果两辆汽车的排气管都会排放二氧化碳,为甚么乙醇仍可能具有环境方面的优势?

关键在于,选择燃料并不只是燃烧反应的问题。你需要同时追踪三件事:燃料能提供多少能量、燃料中的碳来自哪里,以及燃料进入引擎之前经历了哪些生产过程。

01化石燃料与生物燃料在化学上并非互相对立的类别

这里有一个很容易令人混淆的术语问题。

在化学中,有机物主要是指以碳为基础的物质。汽油含有有机化合物,乙醇也是一种有机化合物。因此,乙醇这类生物燃料本身也是有机燃料。

更有意义的比较是:

燃料类型碳的来源常见例子
化石来源燃料在地下储存了数百万年的碳汽油、柴油、天然气
生物燃料近期仍有生命的生物材料,称为生物质(biomass)生质乙醇、生质柴油、沼气

两者最终都具有生物来源。重要的差别在于时间尺度。

燃烧化石燃料会把碳从长期的地质储存库转移到活跃的碳循环中。燃烧生物燃料同样会释放二氧化碳,但用来制造燃料的植物,可能在近期生长时已从大气中吸收了二氧化碳。

因此,单凭「它会产生 \(\ce{CO2}\)」并不足以比较两种燃料对环境的影响。

Two vertical carbon pathways compare fossil carbon moving from underground storage through fossil fuel and combustion to atmospheric carbon dioxide, with biofuel carbon cycling from atmospheric carbon dioxide through plant biomass and biofuel back to the atmosphere.
Fossil fuels move long-stored geological carbon into the atmosphere, while biofuels can cycle recently captured atmospheric carbon.

02燃料实际上如何发挥作用

燃料储存了化学能。在燃烧过程中,燃料与氧气反应,形成较稳定的产物,通常是二氧化碳和水。

乙醇的完全燃烧反应为:

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

因此,一莫耳乙醇完全燃烧时会产生两莫耳二氧化碳。

在简化模型中,我们经常以辛烷(octane)\(\ce{C8H18}\) 代表汽油。真正的汽油是一种混合物,因此辛烷只是有用的模型,而不是对汽油成分的精确描述。

辛烷的完全燃烧反应可写成:

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

到了这一步,你可能会预测辛烷对环境的影响一定严重得多,因为一个辛烷分子含有八个碳原子,而乙醇只有两个。

但这样的比较并不完整。辛烷分子也大得多,而且每莫耳释放的能量远高于乙醇。要公平比较燃料,我们通常需要问:在提供相同能量的情况下,会产生多少二氧化碳?

03比较燃料可提供的能量

燃烧焓(enthalpy of combustion)\(\Delta H_c\),是指一莫耳物质在指定条件下完全燃烧时的焓变。

燃烧是放热反应,因此 \(\Delta H_c\) 为负值。数值越负,代表每莫耳释放的能量越多。

例如,假设我们采用以下数据:

  • 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约为乙醇的四倍。但这是以每莫耳计算。一莫耳辛烷的质量远大于一莫耳乙醇。

在实际比较燃料时,每克或每公升所提供的能量通常更有用。

计算范例:哪种燃料每克释放的能量较多?

乙醇的莫耳质量为 \(46.1\ \text{g mol}^{-1}\),燃烧焓为 \(-1367\ \text{kJ mol}^{-1}\)。辛烷的莫耳质量为 \(114.2\ \text{g mol}^{-1}\),燃烧焓为 \(-5470\ \text{kJ mol}^{-1}\)。

比较两者每克释放的能量。

步骤 1:使用燃烧焓的绝对值。

我们要比较的是释放的能量,因此使用正的绝对值 \(1367\ \text{kJ mol}^{-1}\) 和 \(5470\ \text{kJ mol}^{-1}\)。

步骤 2:计算一克乙醇释放的能量。

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

步骤 3:以相同方法计算辛烷。

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

步骤 4:解释结果。

每克辛烷约释放 \(47.9\ \text{kJ}\),而每克乙醇约释放 \(29.7\ \text{kJ}\)。

因此,在燃料质量相同的情况下,辛烷释放的能量明显较多。

这在实际应用上十分重要。使用乙醇的车辆,一般需要消耗更大的燃料质量,而且通常也需要更大的燃料体积,才能获得相同的化学能。

04为甚么乙醇每克所含的能量较少

乙醇的化学式为:

\[ \ce{C2H5OH} \]

辛烷等碳氢化合物只含有碳和氢:

\[ \ce{C8H18} \]

乙醇本身已含有氧。从化学角度来看,与碳氢化合物中的碳相比,乙醇中的碳原子已经部分被氧化。

你可以把燃烧过程想像成沿著能量斜坡向下移动,最终到达 \(\ce{CO2}\) 和 \(\ce{H2O}\)。碳氢化合物从斜坡较高的位置开始,而乙醇因为分子中已经含有氧,所以相当于已经沿斜坡下降了一部分。

这个比喻有助于比较化学能,但并不代表个别化学键真的会「沿斜坡向下掉落」。焓取决于反应物与生成物之间的总能量差。

最重要的是实际结果:乙醇每单位质量所含的能量,低于汽油等常见碳氢化合物燃料。

05排气管排放的二氧化碳只反映部分情况

现在回到最初的问题。

当乙醇和碳氢化合物燃料提供相同能量时,它们是否可能产生质量相近的二氧化碳?

令人意外的是,答案是可能的。

计算范例:比较提供相同能量时释放的二氧化碳

假设一部引擎需要 \(10.0\ \text{MJ}\) 的化学能。比较乙醇和辛烷完全燃烧时产生的二氧化碳。

使用以下数据:

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

假设引擎将两种燃料的化学能转换成其他形式能量时,效率相同。

步骤 1:将所需能量转换为千焦耳。

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

步骤 2:计算所需乙醇的物质的量。

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

根据反应式:

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

每莫耳乙醇会产生两莫耳 \(\ce{CO2}\)。

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

因此:

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

步骤 3:计算所需辛烷的物质的量。

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

每莫耳辛烷会产生八莫耳二氧化碳。

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

因此:

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

步骤 4:解释这个看似奇怪的结果。

根据这些简化数据,乙醇和辛烷在释放相同能量时,产生的二氧化碳质量几乎一样。

因此,支持生质乙醇的主要环境论点,并不是它的废气不含二氧化碳。事实上,它显然会产生二氧化碳。

真正的差别在于这些碳来自哪里。

06化石碳与近期吸收的碳

想像大气有一个「碳银行帐户」。

生物质在生长过程中,透过光合作用从大气中提取二氧化碳。燃烧由这些生物质制成的燃料,会将其中部分碳送回大气。

化石燃料的情况则不同。它的碳在地质时间尺度上一直被封存在地下。燃烧化石燃料,会把这些原本储存的碳转移到大气中。

然而,如果我们假设每一笔碳的存入与提取都会自动发生,或两者的数量必然相等,这个银行帐户的比喻便不再适用。种植、收割、运输、加工和精炼生物质都需要资源,也可能产生额外的温室气体排放。

因此,我们不应自动将生物燃料描述为「碳中和」。

07如何利用生物质生产乙醇燃料

一种常见的生产途径,是从生物质中取得碳水化合物。

糖类可以进行发酵:

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

葡萄糖会产生乙醇和二氧化碳。

接著,必须从发酵混合物中分离乙醇。蒸馏需要能量,因为必须加热混合物,并将乙醇与大量水分离。

若乙醇要用作燃料,可能还需要进一步去除水分。

这带出一个重要的环境问题:加工所需的能量来自哪里?

如果生质乙醇工厂在种植作物、制造肥料、运输生物质及蒸馏乙醇的过程中,消耗大量化石燃料,那么它对温室气体排放的整体影响,可能远不如简单的植物生长示意图所呈现的那样理想。

08评估任何燃料的实用方法

在 HSC 考试中,比较燃料的答案应避免只用「可再生」或「清洁」等单一词语作判断。

相反,应从能量、环境和实际应用三个方面进行比较。

比较准则汽油等化石来源燃料生质乙醇
每单位质量的能量一般较高低于汽油类碳氢化合物
每单位体积的能量一般较高较低,因此要获得相同能量,可能需要更多燃料
燃烧时产生的碳排放产生 \(\ce{CO2}\)同样产生 \(\ce{CO2}\)
碳的来源长期储存的地质碳近期仍有生命的生物质
可再生性在人类时间尺度上不可再生如果生物质能以可持续方式重新生长,便有可能再生
生产过程的影响开采、精炼、运输农业生产或生物质收集、发酵、分离、运输
土地需求开采会对环境造成影响,但需要的作物种植土地较少以作物为原料的燃料可能与其他用途竞争土地、水及其他资源
储存与运输现有基础设施已相当成熟乙醇容易与水混合,可能需要不同的储存和运输安排
供应取决于有限的化石资源取决于原料、气候、土地及生产能力

「有可能再生」这个说法很重要。如果森林被砍伐的速度快于生物质重新生长的速度,即使把所产生的燃料称为可再生燃料,也不会令环境破坏消失。

09最容易令人误解的观念:生物燃料等于碳中和

学生可能会这样推论:

植物吸收 \(\ce{CO2}\)。我们把植物制成乙醇。燃烧乙醇时,会释放相同的 \(\ce{CO2}\)。因此,净排放量为零。

这是一个有用的初步模型,但它忽略了系统中的几个部分。

更完整的生命周期评估可能包括:

  • 种植、收割及加工原料所消耗的能量
  • 运输生物质和乙醇所使用的燃料
  • 分离和纯化发酵产物所需的能量
  • 肥料生产及农业活动造成的排放
  • 土壤碳含量的变化
  • 清除现有植被的影响
  • 水资源使用
  • 作物是否取代粮食生产或其他土地用途
  • 副产物及废弃物的处理方式

因此,生物燃料的生命周期温室气体排放量可以低于化石燃料,但不代表它的排放量为零。

如果生产途径效率低,或造成重大土地用途变化,生物燃料的环境表现也可能很差。

「生物」一词只告诉你燃料的来源,并不能直接判定它对环境的最终影响。

10完全燃烧也不是必然发生的

前面的燃烧方程式都假设发生完全燃烧。

要达到完全燃烧,必须有足够氧气,使碳形成 \(\ce{CO2}\),氢形成 \(\ce{H2O}\)。

当氧气不足时,不完全燃烧可能产生一氧化碳及含碳微粒。

例如,乙醇可能形成一氧化碳:

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

真实引擎的情况比单一化学方程式复杂得多。温度、氧气供应、引擎设计及燃烧条件都会影响产物。

因此,另一种常见的简化推论也不成立:仅仅知道燃料含有氧,并不能保证它一定完全燃烧,或燃烧时完全不产生污染物。

11为甚么乙醇的物理性质很重要

燃料除了能释放能量,还必须适合储存、运输和使用。

乙醇含有极性的 \(\ce{-OH}\) 基团,而且能形成氢键。因此,它的物理性质与汽油中的非极性碳氢化合物有明显差异。

特别是,乙醇与水具有高度互溶性。因此,在储存及处理燃料时,水分污染可能成为重要问题。

分子间作用力也会影响沸腾特性等性质,而这在从发酵混合物中分离乙醇时尤其重要。如果你对这个关联还不熟悉,可以阅读醇类分子间作用力指南,从分子层面深入理解。

如果一种燃料虽然在化学上表现出色,但储存、运输、分离或使用它需要不合理的大量能量,或需要不适合的基础设施,那么它的优点便可能失去实际意义。

12比「可再生与不可再生」更好的判断方法

比较燃料时,可以依照以下顺序思考。

  1. 每单位质量或体积的燃料可以提供多少有用能量?
  2. 燃料燃烧时会形成哪些产物?
  3. 燃料中的碳来自哪里?
  4. 生产燃料需要消耗哪些能量和资源?
  5. 燃料原料能否以可持续方式补充?
  6. 在储存、运输和使用过程中,会遇到哪些实际问题?

请注意,没有任何单一准则可以决定最终答案。

汽油在能量密度方面具有优势。生质乙醇在碳循环方面可能具有优势。然而,某一种乙醇生产途径是否真正具有环境优势,还取决于农业活动、加工过程及土地使用方式,这些因素可能增加或削弱它的优势。

这正是 HSC 题目通常要求的比较深度。

13题目与解答

题目 1

一份含有 \(2.00\ \text{mol}\) 乙醇的样本进行完全燃烧。

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

计算:

a. 释放的能量
b. 产生的二氧化碳的物质的量
c. 产生的二氧化碳质量。

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

解答 1

\(2.00\ \text{mol}\) 乙醇完全燃烧会释放 \(2.73\times10^3\ \text{kJ}\) 能量,并产生 \(176\ \text{g}\) 二氧化碳。

燃烧方程式为:

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

对于 a 小题,释放能量的绝对值为:

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

因此:

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

对于 b 小题,莫耳比为:

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

因此:

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

对于 c 小题:

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

所以质量约为:

\[ 176\ \text{g} \]

一个容易犯的错误是认为,由于植物生长时吸收了二氧化碳,所以生质乙醇燃烧时不会产生二氧化碳。这是生命周期层面的论点,而不是燃烧反应的结果。化学方程式清楚显示,乙醇完全燃烧时确实会产生 \(\ce{CO2}\)。

题目 2

一个简化的汽油模型使用辛烷,其 \(\Delta H_c=-5470\ \text{kJ mol}^{-1}\),莫耳质量为 \(114.2\ \text{g mol}^{-1}\)。

乙醇的 \(\Delta H_c=-1367\ \text{kJ mol}^{-1}\),莫耳质量为 \(46.1\ \text{g mol}^{-1}\)。

一辆车需要 \(30.0\ \text{MJ}\) 的化学能。

计算所需的两种燃料各自的质量,并据此求出所需乙醇质量是辛烷的多少倍。

假设引擎效率相同。

解答 2

车辆需要约 \(1.01\ \text{kg}\) 乙醇或 \(0.626\ \text{kg}\) 辛烷,因此所需乙醇质量约为辛烷的 \(1.62\) 倍。

对于乙醇:

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

接著:

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

所以:

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

对于辛烷:

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

接著:

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

所以:

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

两者的比值为:

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

一个看似合理但错误的方法,是只比较两者的莫耳燃烧焓,然后声称辛烷提供的能量约为乙醇的四倍。这忽略了一莫耳辛烷的质量远大于一莫耳乙醇。若要进行实际的质量比较,相关的数值应是每克所提供的能量。

题目 3

一名学生提出以下论点:

生质乙醇一定比汽油环保,因为乙醇是可再生的,而汽油是不可再生的。

评估这项陈述。你的答案必须考虑燃烧、碳循环、生产过程,以及乙醇的一项实际应用相关性质。

解答 3

这项陈述过于绝对:生质乙醇可能比汽油具有环境优势,但可再生并不代表它在所有情况下都一定比较好。

两种燃料完全燃烧时都会产生二氧化碳。以乙醇为例:

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

重要的差别在于碳的来源。汽油会将长期储存在地质环境中的碳转移到大气。由近期生长的生物质制成的乙醇,则可能让植物近期从大气 \(\ce{CO2}\) 中吸收的碳重新进入循环。

然而,乙醇的生命周期影响也取决于种植、肥料使用、收割、运输、发酵,以及蒸馏等高耗能分离过程。为了种植燃料作物而清除高碳储量的植被,也可能造成额外排放,削弱甚至抵销原本预期的环境效益。

此外,乙醇每单位质量所含的能量低于汽油类碳氢化合物,因此要提供相同的化学能,可能需要更多燃料。

一项实际差异是乙醇与水的相互作用。由于乙醇含有极性的 \(\ce{-OH}\) 基团,而且能形成氢键,因此它容易与水混合。这可能带来与非极性碳氢化合物燃料不同的储存及燃料处理问题。

容易犯的错误,是把「可再生」当成完整的环境评估。可再生性描述的是资源能否在有实际意义的时间尺度内得到补充,并不能衡量所有排放、资源投入或实际后果。

题目 4

一公吨干燥废弃生物质含有 \(18.0\ \text{GJ}\) 的化学能。某地方议会正考虑以下两种用途。

方案 A: 在供暖系统中燃烧生物质,将其化学能的 \(85\%\) 转换为有用热能。这些有用热能将取代一套效率为 \(90\%\) 的天然气供暖系统所提供的热能。每燃烧一吉焦耳天然气,会释放 \(56.0\ \text{kg}\) 的化石来源 \(\ce{CO2}\)。

方案 B: 将生物质转换为乙醇。所得乙醇含有原本生物质能量的 \(55\%\)。乙醇在车辆中取代相同化学能量的汽油。每燃烧一吉焦耳汽油,会释放 \(73.0\ \text{kg}\) 的化石来源 \(\ce{CO2}\)。制造乙醇时使用的化石能源,会令每公吨经加工的生物质额外产生 \(150\ \text{kg}\) 的 \(\ce{CO2}\) 排放。

假设生物质本身能以可持续方式再生,并忽略所有其他排放。

哪个方案能避免更多化石来源的二氧化碳排放?计算两者的差异,并解释为甚么选择生产运输用生物燃料,并不一定是使用生物质的较佳方法。

解答 4

方案 A 能避免更多化石来源的二氧化碳排放:约 \(952\ \text{kg}\),而方案 B 约为 \(573\ \text{kg}\),两者每公吨生物质的差异约为 \(379\ \text{kg}\) \(\ce{CO2}\)。

对于方案 A,从生物质获得的有用热能为:

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

效率为 \(90\%\) 的天然气系统需要:

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

因此,避免的化石来源二氧化碳排放量为:

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

对于方案 B,乙醇所含的能量为:

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

因此,它取代了 \(9.90\ \text{GJ}\) 的汽油。

避免的汽油排放量为:

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

但是,乙醇制造过程会额外产生 \(150\ \text{kg}\) 的化石来源二氧化碳排放。

因此,净避免排放量为:

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

所以:

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

方案 A 能额外避免约 \(379\ \text{kg}\) 的化石来源 \(\ce{CO2}\) 排放。

容易令人选错的答案是方案 B,因为「以生物燃料取代汽油」听起来像是更先进的环保用途。但这种想法忽略了一项限制:生物质的供应量有限。因此,正确的比较不只是「生物燃料与化石燃料」,而是「这些生物质用于哪一种替代用途,能取代最多的化石燃料?」

转换过程中的能量损失很重要。方案 B 只有 \(55\%\) 的生物质能量保留在乙醇中,而且加工过程也会产生化石来源的排放。方案 A 则利用了更多原有能量来取代另一种化石燃料。

这并不证明生物质永远应该直接燃烧。如果改变效率、被取代的燃料、加工排放量,或所需的能量形式,结果便可能不同。

题目 5

考虑一个理想化的生质乙醇循环,起点是透过光合作用产生的葡萄糖。

假设由大气中的二氧化碳形成一莫耳葡萄糖的过程,可用以下方程式表示:

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

发酵反应为:

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

燃烧反应为:

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

某工厂将一莫耳葡萄糖转换为乙醇,并把所产生的两莫耳乙醇全部作为燃料燃烧。

a. 追踪整个理想化循环中,从大气吸收及向大气释放的二氧化碳。

b. 一名学生说:「每莫耳乙醇会产生两莫耳 \(\ce{CO2}\),所以要使燃料达到碳中和,作物每生产一莫耳乙醇,只需要吸收两莫耳 \(\ce{CO2}\)。」解释这项推论的错误。

c. 现在假设发酵产生的所有 \(\ce{CO2}\) 都被捕集并永久储存,而不是释放到大气。种植及加工足以制造两莫耳乙醇的生物质所使用的化石能源,会额外产生 \(0.80\ \text{mol}\) 的 \(\ce{CO2}\)。假设生物质完全按照题目所述重新生长,计算整个循环中大气 \(\ce{CO2}\) 的净变化量。

解答 5

一般的理想化循环中,大气 \(\ce{CO2}\) 的净变化量为零;如果发酵产生的二氧化碳被永久储存,并计入题目所述的加工排放,整个循环会从大气中净移除 \(1.20\ \text{mol}\) 的 \(\ce{CO2}\)。

对于 a 小题,光合作用吸收:

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

接著,发酵释放:

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

一莫耳葡萄糖会产生两莫耳乙醇。每莫耳乙醇燃烧时会产生两莫耳二氧化碳,因此燃烧共释放:

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

因此,释放的二氧化碳总量为:

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

理想化的净变化量为:

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

对于 b 小题,该学生的结论忽略了发酵过程中释放的二氧化碳。

每产生一莫耳最终的乙醇,原本的葡萄糖中便含有相当于三个碳原子的碳。其中两个碳原子保留在乙醇中,之后在燃烧时以两个 \(\ce{CO2}\) 分子的形式释放。剩下的一个碳原子则在发酵过程中以 \(\ce{CO2}\) 的形式释放。

因此,平均每莫耳乙醇所对应的光合作用,最初从大气中移除了三莫耳二氧化碳,而不是两莫耳:

\[ 3\ \text{mol 吸收} = 1\ \text{mol 发酵时释放} + 2\ \text{mol 燃烧时释放} \]

这是本题的关键。只观察排气管的排放,便会忽略在生产过程较早阶段已经离开生物质的碳。

对于 c 小题,作物仍然移除:

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

发酵产生的 \(2\ \text{mol}\) 二氧化碳现在被捕集并永久储存,因此不会返回大气。

燃烧释放:

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

加工过程另外增加:

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

因此,向大气释放的总量为:

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

大气中的净变化量为:

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

因此,在题目所给的假设下,大气净减少:

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

即使是能力较强的学生,最初也可能认为最理想的结果只能是「碳中和」,因为生物燃料中的碳原本来自大气。这里重要的相互关系是:碳可以在循环中的多个阶段离开系统。如果近期被吸收并进入生物质的部分碳能够永久储存,而其余生物质又能重新生长,理想化系统便有可能从整体上移除大气中的碳。

这个结论完全取决于题目的假设。如果生物质没有重新生长、碳储存并非永久、土地清理释放额外的碳,或加工排放量足够大,结果便会改变。

更广泛的启示是,单凭燃料分子本身,无法判断它对环境的影响。燃烧化学告诉我们反应内部发生了甚么;生命周期比较则会追踪反应物的来源,以及反应前后发生的事情。

下一个有用的学习步骤,是将这些比较与实际测量的能量变化联系起来。醇类燃烧焓指南说明如何测定 \(\Delta H_c\),以及为甚么实验数值经常与公认值不同。