高壓氣體的爆炸界限，通常較常壓下為廣，爆炸上限也明顯提高，但下列何種氣體之爆炸範圍及爆炸上限在高壓下卻降低？

本題考點

壓力對可燃性氣體爆炸（燃燒）界限的影響，以及不遵循該通則的例外氣體。

正解理由

提高壓力會使單位體積內的分子數增加、分子碰撞頻率上升，連鎖反應較易維持，因此多數可燃性氣體在高壓下爆炸範圍變寬，且爆炸上限明顯提高，下限則變動較小。一氧化碳是這個通則的著名例外：加壓後其爆炸範圍不但沒有變寬，反而縮小，爆炸上限亦隨壓力升高而下降。題目問何種氣體的爆炸範圍及上限在高壓下反而降低，故選 D。

逐項排除

1. (A)

   甲烷：屬遵循通則者。常壓下爆炸界限約為 5% 至 15%，加壓後上限提高、範圍變寬，是高壓下範圍擴大的典型例子。

2. (B)

   二氧化碳：本身不可燃，也不助燃，沒有爆炸界限可言，常用作滅火藥劑與惰化稀釋氣體；既無爆炸範圍，自然談不上範圍在高壓下降低。

3. (C)

   乙烷：屬遵循通則者。常壓下爆炸界限約為 3% 至 12.4%，與甲烷同為烷類，加壓後同樣呈現上限升高、範圍變寬。

4. (D)

   一氧化碳：常壓下爆炸界限約為 12.5% 至 74%，範圍極寬，但加壓後爆炸上限下降、整體範圍縮小，與其他可燃氣體的行為相反，為正解。

記憶點

爆炸界限（燃燒界限）指可燃性氣體與空氣混合後能夠傳播火焰的濃度區間，下限以下燃料不足、上限以上氧氣不足，兩端都無法維持連鎖反應。影響界限寬窄的因素主要有三個：溫度、壓力與惰性氣體含量。溫度升高會使分子動能增加、活化能門檻相對變低，下限略降、上限升高，範圍變寬；惰性氣體（氮、二氧化碳、水蒸氣）比例增加則會吸收熱量並稀釋反應物，使範圍收窄，濃度足夠時可將上下限收攏到一點而完全失去可燃性，這正是氣體滅火與惰化防爆的原理。

壓力的影響通常最顯著地表現在上限。加壓後分子間距縮短、碰撞頻率提高，即使燃料濃度很高、氧相對不足，仍可能維持火焰傳播，因此上限被推高而範圍變寬；下限受壓力影響相對小，因為下限側的限制因素是燃料不足而非碰撞頻率。工程上常提醒高壓製程的可燃氣體風險比常壓大得多，原因即在於此。反過來，壓力降低時範圍收窄，降到某一臨界壓力以下甚至無法燃燒。

一氧化碳的反常行為與其燃燒反應的特殊性有關。一氧化碳的氧化反應高度依賴含氫物種（如水蒸氣中的氫氧自由基）作為鏈載體，完全乾燥的一氧化碳極難點燃；當壓力升高時，三體終止反應（自由基與第三體碰撞而被移除）的速率隨壓力平方增加，比鏈支化反應成長得更快，自由基被消耗的比例上升，於是在燃料濃度高的上限側先失去維持連鎖反應的能力，表現出來就是上限下降、範圍收窄。這也解釋了為什麼它在常壓下的範圍極寬（約 12.5% 至 74%），卻不隨加壓而更寬。

與本題相關的延伸考點是混合氣體的爆炸界限計算。多種可燃氣體混合時，其界限可用勒沙特列（Le Chatelier）公式估算：以各成分在可燃氣體中所占的體積百分率除以各自的界限值，取其總和之倒數，即 L＝100／Σ(Vi／Li)，上下限各自代入對應的界限值計算。另一個常一起考的觀念是危險度（H），定義為（上限－下限）／下限，用來比較不同氣體的相對危險程度；一氧化碳的下限雖不算特別低，但因上限極高，危險度數值相當可觀。把「界限的影響因素」「混合氣體計算」「危險度」三者串起來記，可以涵蓋此類題目的多數變化。