原油

化学· 4.7–4.18（第4(b)节）· 18 分钟阅读

1. 原油的组成★☆☆☆☆⏱ 3 min

原油是不可再生的化石燃料，由数百万年前死亡的海洋生物遗骸在沉积物下经过高压、高温环境形成。

📘 定义

原油

主要由烷烃类烃组成的复杂混合物，烃链长度范围从1个碳原子到超过70个碳原子不等。

📐 例题

某学生声称原油是纯净化合物，请解释该说法为什么是错误的。

1
纯净化合物仅包含单一类型的分子，具有固定的沸点。
2
原油包含数百种不同链长的烃分子，每种分子都有独特的沸点，因此原油是混合物而非纯净物。

Exam tip:

考试中有多道题目会要求你说明原油是烃的混合物，请务必牢记这一核心知识点。

2. 原油的分馏★★☆☆☆⏱ 4 min

分馏在工业分馏柱中将原油分离为多组沸点相近的烃类，即馏分。分馏柱底部温度最高（约350°C），顶部温度最低（约20°C）。

📘 定义

馏分

一组链长与沸点相近的烃类，从原油中分离出来后可用于特定商业用途。

原油被加热至约400°C，使混合物几乎全部汽化，随后被泵入分馏柱底部。短链烃的沸点较低，因此会沿柱上升，在温度更低、位置更高的区域冷凝。长链烃的沸点较高，因此会在温度更高、位置更低的柱段冷凝，或者保持液态从柱底排出。

Fraction (top to bottom)	Boiling point	Viscosity	Colour	Main use
Refinery gases	Lowest (<40°C)	Runniest	Colourless	Bottled heating/cooking fuel
Gasoline	40–100°C	Very runny	Pale yellow	Petrol for cars
Kerosene	100–250°C	Runny	Yellow	Aircraft fuel, paraffin lamps
Diesel	250–350°C	Thick	Dark yellow	Lorry, car and generator fuel
Fuel oil	350–600°C	Very thick	Dark brown	Ship and power station fuel
Bitumen	Highest (>600°C)	Most viscous	Black	Road surfacing, roof sealant

📐 例题

说出煤油与燃料油的两项不同性质，并解释差异产生的原因。

1
煤油的沸点远低于燃料油，这是因为煤油由更短的烃链组成，汽化所需的能量更少。
2
煤油的黏度也远低于燃料油，因为短烃链比长而缠绕的烃链更易流动。

Exam tip:

考试中经常要求你按照沸点、黏度或颜色对馏分排序，请务必牢记馏分从顶部到底部的排列顺序。

3. 烃类燃料的燃烧★★★☆☆⏱ 4 min

📘 定义

燃料

与氧气发生燃烧反应时能够释放热能的物质。

烃类被广泛用作燃料，因为它们在燃烧时会释放大量热能。根据可获得的氧气量不同，燃烧可分为两种类型。

完全燃烧发生在氧气供应充足的条件下，其唯一产物为二氧化碳和水蒸气，烃中储存的全部能量都会被释放出来。

CH_4(g) + 2O_2(g) \rightarrow CO_2(g) + 2H_2O(g)

不完全燃烧发生在氧气供应受限的条件下，产物包括水蒸气、一氧化碳（一种有毒气体）和/或固态碳（炭黑）。与完全燃烧相比，不完全燃烧释放的能量更少。

2CH_4(g) + 3O_2(g) \rightarrow 2CO(g) + 4H_2O(g)

一氧化碳是一种无色无味的有毒气体，它会降低血液向全身输送氧气的能力，若长时间暴露会导致昏迷甚至死亡。在本考试大纲要求的作答中，你无需提及血红蛋白相关内容。

📐 例题

写出丙烷（C₃H₈）不完全燃烧生成固态碳和水蒸气的配平化学方程式，包含状态符号。

1
首先写出未配平的反应物和产物：C₃H₈ + O₂ → C + H₂O
2
$C_3H_8 + O_2 \rightarrow 3C + H_2O \quad \text{(balance carbon)}$
3
$C_3H_8 + O_2 \rightarrow 3C + 4H_2O \quad \text{(balance hydrogen)}$
4
$C_3H_8 + 2O_2 \rightarrow 3C + 4H_2O \quad \text{(balance oxygen)}$
5
添加状态符号得到最终答案： $C_{3} H_{8} (g) + 2 O_{2} (g) \to 3 C (s) + 4 H_{2} O (g)$

Exam tip:

在书写燃烧反应方程式前，务必先确认题目指定的是完全燃烧还是不完全燃烧。若题干说明「空气充足」，则采用完全燃烧反应；若说明「空气不足」，则采用不完全燃烧反应。

4. 燃烧污染物与酸雨★★★☆☆⏱ 3 min

除了作为温室气体的二氧化碳之外，燃烧烃类燃料还会释放多种有害的大气污染物。

氮氧化物（NOₓ）： 在汽车发动机中，燃烧产生的极高温度会让空气中的氮气和氧气发生反应，生成一氧化氮和二氧化氮（二者统称为NOₓ）。

二氧化硫： 许多烃类燃料都含有少量硫杂质。当燃料燃烧时，这些硫杂质会与氧气反应生成二氧化硫气体。

NOₓ和二氧化硫都会在大气中溶于雨水，发生反应生成酸性溶液，随雨水降下形成酸雨。酸雨会腐蚀石质建筑、杀死水生生物，同时危害树木和其他植物。

📐 例题

解释即使汽油不含任何硫杂质，在汽车发动机中燃烧汽油仍会导致酸雨形成的原因。

1
汽车发动机内部的高温会使空气中的氮气和氧气发生反应，生成氮氧化物（NOₓ）。
2
NOₓ气体上升到大气中，溶于雨水形成酸性溶液，随雨水降下形成酸雨。

Exam tip:

不要混淆氮氧化物（NOₓ）的来源：它们来自发动机内的空气，而非燃料本身。二氧化硫则来自燃料中的硫杂质。

5. 长链烷烃的催化裂化★★★☆☆⏱ 4 min

原油的分馏得到的长链馏分（如燃料油）产量高于全球市场需求，而短链馏分（如汽油）的产量却不足。裂化反应可以解决这种供需不平衡的问题。

📘 定义

裂化

一种热分解反应，可将长链烷烃断裂为更短、更具利用价值的烷烃和烯烃。

催化裂化使用二氧化硅或氧化铝作为催化剂，在600–700°C的温度下断裂长链烷烃中的碳-碳键。反应产物始终是至少一种短链烷烃和至少一种烯烃的混合物。

C_{10}H_{22} \rightarrow C_8H_{18} + C_2H_4

生成的短链烷烃可用于生产汽油等需求量更高的燃料，而烯烃则作为原料用于制造聚合物（塑料）和其他有机化学品。

📐 例题

长链烷烃C₁₆H₃₄发生裂化反应，生成丙烯（C₃H₆）和另一种烷烃产物，写出该反应的配平化学方程式。

1
反应方程式两侧的碳原子总数和氢原子总数必须相等。
2
$\text{Carbon in alkane product} = 16 - 3 = 13$
3
$\text{Hydrogen in alkane product} = 34 - 6 = 28$
4
$C_{16}H_{34} \rightarrow C_{13}H_{28} + C_3H_6$

Exam tip:

你必须牢记催化裂化的精确反应条件：二氧化硅/氧化铝催化剂，温度600–700°C。考生常因遗漏这些细节失分。

6. 常见陷阱

错误做法:

Stating that crude oil is a pure substance

原因:

Crude oil is a mixture of hundreds of different hydrocarbons, not a single compound

正确做法:

Always explicitly state that crude oil is a mixture of hydrocarbons

错误做法:

Mixing up the order of fractions in the distillation column, e.g. putting bitumen at the top

原因:

Longer-chain hydrocarbons have higher boiling points, so they condense at the hotter bottom of the column

正确做法:

Recall the top-to-bottom order: refinery gases → gasoline → kerosene → diesel → fuel oil → bitumen

错误做法:

Writing carbon dioxide as a product of incomplete combustion

原因:

Incomplete combustion has limited oxygen, so carbon is only partially oxidised to CO or C, not fully to CO₂

正确做法:

Only include CO₂ as a product if the question specifies complete combustion

错误做法:

Stating oxides of nitrogen come from sulfur impurities in fuel

原因:

NOₓ form when nitrogen and oxygen from air react at high engine temperatures, not from fuel impurities

正确做法:

Separate sources: SO₂ from sulfur impurities, NOₓ from air in hot engines

错误做法:

Forgetting cracking conditions or only writing alkenes as products

原因:

Exam questions award marks for recalling exact conditions and both alkane and alkene products

正确做法:

Always state silica/alumina catalyst, 600–700°C, and include one alkane + one alkene in cracking equations

7. 速查表

Key Concept	Facts to Recall
Crude oil	Mixture of hydrocarbons
Fraction order (top to bottom)	Refinery gases → Gasoline → Kerosene → Diesel → Fuel oil → Bitumen
Top column fraction trend	Lower boiling point, paler, less viscous
Complete combustion products	CO₂ + H₂O
Incomplete combustion products	CO/C + H₂O
CO toxicity	Reduces blood oxygen transport capacity
NOₓ source	High temp reaction of N₂ and O₂ in car engines
SO₂ source	Combustion of sulfur impurities in fuels
Acid rain cause	NOₓ and SO₂ dissolve in rainwater to form acids
Cracking conditions	Silica/alumina catalyst, 600–700°C
Cracking products	Shorter alkane + alkene
Cracking purpose	Matches supply of long fractions to demand for short fractions

8. 常见问题

分馏柱中从上到下的馏分顺序是什么？

从顶部（沸点最低）到底部（沸点最高）的顺序为：炼厂气、汽油、煤油、柴油、燃料油、沥青。

为什么长链烷烃的裂化是必要操作？

裂化可以解决供需失衡问题：分馏过程会产出过量需求较低的长链馏分（例如燃料油），而高需求的短链馏分（例如车用汽油）产量不足。

完全燃烧与不完全燃烧的产物有什么区别？

氧气充足时发生完全燃烧，仅生成二氧化碳和水。氧气不足时发生不完全燃烧，产物除水外还包含一氧化碳和/或固态碳（炭黑）。

下一步

Now that you have mastered crude oil content, you are ready to move on to the properties and reactions of alkanes, the main component of crude oil fractions. You will then learn about alkenes, the valuable product of cracking, including their characteristic reactions and use in polymer production. Make sure to practice past paper questions on fractional distillation and cracking, as these are high-frequency exam topics worth 3–6 marks per question. You should also practice balancing combustion and cracking equations to avoid losing easy marks in your exam.