若空氣中的氧氣體積百分比為 21%，則甲烷完全燃燒的化學理論濃度為多少%？

本題考點

由完全燃燒反應式與空氣含氧比例推算甲烷的化學理論濃度。

正解理由

化學理論濃度指燃料與空氣恰好完全反應時，燃料在混合氣中所占的體積百分比，通式為一百除以（一加上所需氧莫耳數除以空氣含氧率）。甲烷完全燃燒為 CH4 加 2O2 生成 CO2 與 2H2O，每莫耳需氧二莫耳；空氣含氧百分之二十一，故所需空氣九點五二莫耳，總莫耳數十點五二莫耳，甲烷約占百分之九點五，選項中與此相對應者為 9.4，故選 B。

逐項排除

1. (A)

   5.2 約為甲烷的燃燒下限。依瓊斯經驗式，下限約為化學理論濃度的百分之五十五，0.55 乘以 9.5 約得 5.2，非本題所問。

2. (B)

   依化學計量比算得約百分之九點五，與本選項相對應，為正解。

3. (C)

   11.0 高於算得之值；要得 11.0，總莫耳數須降到約九點一，與本題條件不合。

4. (D)

   15.4 接近甲烷的燃燒上限（約百分之十五），題目問的是化學理論濃度，兩者是不同的物理量。

演算步驟

1. 反應式：CH4 加 2O2 生成 CO2 加 2H2O，需氧 n 等於 2 mol O2／mol CH4。
2. 所需空氣：2 ÷ 0.21 等於 9.52 mol。總莫耳數：1 加 9.52 等於 10.52 mol。
3. 化學理論濃度：1 ÷ 10.52 乘以 100％ 等於 9.5％。

記憶點

化學理論濃度（stoichiometric concentration）是火災學裡串起燃燒化學與爆炸界限的樞紐。它的定義是燃料與空氣恰好完全反應、既無剩餘燃料也無剩餘氧的混合比例，此時單位體積放熱量最大、燃燒速度最快、火焰溫度最高，實驗上量到的最大爆炸壓力也落在這個濃度附近，因此爆炸界限的下限與上限往往以它為基準來推估。

公式的由來很直觀。取一莫耳燃料為基準，若完全燃燒需氧 n 莫耳，而空氣中氧占體積分率 0.21，則所需空氣為 n 除以 0.21 莫耳；混合氣總莫耳數為一加上該值，燃料所占比例即為一除以總莫耳數。以理想氣體而言體積比等於莫耳比，故直接得到百分濃度。需氧莫耳數可用碳氫化合物通式速算：CnHm 完全燃燒需氧 n 加 m 除以四莫耳。甲烷 CH4 為 1 加 1 等於 2；乙烷 C2H6 為 2 加 1.5 等於 3.5，化學理論濃度約百分之五點七；丙烷 C3H8 為 3 加 2 等於 5，約百分之四點零。可以看出碳數越多、需氧越多，化學理論濃度越低，這與烷類爆炸下限隨碳數增加而下降的趨勢一致。

瓊斯（Jones）經驗式是本題選項設計的來源之一：燃燒下限約為化學理論濃度的百分之五十五。甲烷代入得約百分之五點二，與教科書所載的甲烷爆炸下限百分之五相當接近，選項 (A) 的 5.2 正是這個值。至於選項 (D) 的 15.4，則貼近甲烷爆炸上限百分之十五附近的數值。命題者把「下限、化學理論濃度、上限」三個數字並排成選項，考的就是能不能分辨這三者。

延伸考點還有兩個方向。其一是氧濃度改變的影響：在富氧環境下同一燃料的化學理論濃度會上升、爆炸範圍會顯著加寬，這是氧氣鋼瓶洩漏場所火災風險特別高的原因。其二是勒沙特列（Le Chatelier）混合氣體爆炸界限公式，多成分可燃氣體的下限由各成分體積分率除以各自下限之和的倒數求得，考題常與化學理論濃度接連出現，計算時務必先確認題目問的是化學計量濃度還是爆炸界限。