下列四種相等質量之物質：甲烷（CH4）、乙醇（C2H5OH）、乙炔（C2H2）及丙烯（C3H6），何者燃燒時具有最高之理論空氣量？

本題考點

等質量條件下各燃料理論空氣量之比較，關鍵在把完全燃燒化學計量式換算成每公克燃料的需氧質量。

正解理由

理論空氣量由完全燃燒的化學計量式決定，等質量比較時要換算成每公克燃料所需的氧氣質量。甲烷 CH4 加 2 莫耳 O2，需氧六十四公克對分子量十六，每公克需氧四點零公克；丙烯 C3H6 加 4.5 莫耳 O2，一百四十四對四十二，約三點四公克；乙炔 C2H2 加 2.5 莫耳 O2，八十對二十六，約三點一公克；乙醇 C2H5OH 加 3 莫耳 O2，九十六對四十六，約二點一公克。甲烷單位質量需氧最多，理論空氣量亦最高，故選 A。

逐項排除

1. (A)

   甲烷的氫質量分率達四分之一，是四者中最高者，每公克需氧約四點零公克，四者之中最大，為應選項。

2. (B)

   乙醇分子內已含一個氧原子，等於自帶部分氧化劑，每公克需氧約二點一公克，是四者之中最小者。

3. (C)

   乙炔為不飽和烴，氫碳比僅為一，氫質量分率不到百分之八，每公克需氧約三點一公克，未達甲烷之數值。

4. (D)

   丙烯氫碳比為二，每公克需氧約三點四公克，數值在乙炔與甲烷之間，未達甲烷之數值。

記憶點

理論空氣量指燃料完全燃燒所需的最少空氣量，可以用質量基準或體積基準表示。空氣中氧氣約占體積的百分之二十一、質量的百分之二十三點二，因此每公克燃料的理論空氣量等於每公克需氧質量除以零點二三二。依此換算，甲烷約為十七點二公克空氣、丙烯約為十四點八公克、乙炔約為十三點三公克、乙醇約為九點零公克，順序與需氧質量完全一致，可見比較時只要算到需氧質量即可分出高下。

各燃料的化學計量式為：CH4 ＋ 2O2 → CO2 ＋ 2H2O；C3H6 ＋ 4.5O2 → 3CO2 ＋ 3H2O；C2H2 ＋ 2.5O2 → 2CO2 ＋ H2O；C2H5OH ＋ 3O2 → 2CO2 ＋ 3H2O。把每一式的需氧質量除以燃料分子量，即得四點零、三點四三、三點零八與二點零九。之所以甲烷勝出，可以從元素的需氧量理解：每公克碳完全燃燒需氧約二點六七公克，每公克氫則需氧八公克，因此在純烴類中，氫的質量分率越高，單位質量需氧量就越大。

甲烷的氫質量分率為四除以十六，等於百分之二十五，是烴類中的最大值；乙炔僅為二除以二十六，約百分之七點七，在本題四者中最低，單位質量需氧量在本題三種烴類中也最少（氫質量分率更低的烴類仍所在多有，例如萘為百分之六點二五）。乙醇的氫質量分率雖有百分之十三，但分子內已有一個氧原子扣抵了外部供氧的需求，最終需氧量四者最低。

最容易失分的陷阱是比較基準。若題目改問「每莫耳」或「同溫同壓下等體積（四者均以氣態計，乙醇常溫為液體）」的理論空氣量，答案會翻轉成丙烯，因為它每莫耳需氧四點五莫耳，是四者中最多；若改問理論燃燒溫度或最大爆炸壓力，順序又不同。作答時務必先確認題幹寫的是相等質量、相等體積還是相等莫耳數。

延伸考點包括空氣過剩率與空氣比的計算、燃燒界限的化學計量濃度估算，以及以理論空氣量推算燃燒產物中的水蒸氣與二氧化碳量。