一公升之可燃性氣體氫（H2）、乙炔（C2H2）、甲烷（CH4）、乙烯（C2H4）在空氣中燃燒所需之理論空氣量分別為 a、b、c、d，下列順序何者正確？

本題考點

由完全燃燒反應式計算等體積可燃性氣體的理論空氣量並排序。

正解理由

依亞佛加厥定律，同溫同壓下等體積氣體含相同莫耳數，故配平式的係數即可直接當體積比使用；理論空氣量等於理論氧氣量除以空氣中氧的體積分率（約0.21），四者同除一個常數不影響大小順序。逐一配平：氫2H2＋O2→2H2O，每體積氫需氧0.5體積；乙炔2C2H2＋5O2→4CO2＋2H2O，需氧2.5體積；甲烷CH4＋2O2→CO2＋2H2O，需氧2體積；乙烯C2H4＋3O2→2CO2＋2H2O，需氧3體積。故a為0.5、b為2.5、c為2、d為3，順序是d＞b＞c＞a，故選A。

逐項排除

1. (A)

   乙烯3、乙炔2.5、甲烷2、氫0.5，四者由大到小排列與配平計算完全一致，本選項正確。

2. (B)

   把氫排在首位，等於認定氫的需氧量最大，但每體積氫僅需0.5體積氧，是四者中最小者。

3. (C)

   將甲烷置首、乙炔置末，然而甲烷需氧2體積小於乙烯的3與乙炔的2.5，順序不成立。

4. (D)

   以乙炔為首、甲烷為末，但乙烯需氧3體積大於乙炔的2.5，且氫的0.5小於甲烷的2，前後均不符。

記憶點

本題的計算基礎是亞佛加厥定律：同溫同壓下，等體積的任何氣體含有相同莫耳數，因此氣體之間的體積比等於莫耳比，可以直接把配平反應式的係數當成體積比使用。理論氧氣量取自完全燃燒反應式，理論空氣量再除以空氣中氧的體積分率約0.21換算；由於四者同除一個常數，排序不受影響，這也是本題只需比大小、不必真的算出空氣量的解題捷徑。

四式的需氧體積換算成理論空氣量分別約為：氫0.5除以0.21約2.38體積、乙炔2.5除以0.21約11.9體積、甲烷2除以0.21約9.52體積、乙烯3除以0.21約14.3體積，順序仍為乙烯大於乙炔、乙炔大於甲烷、甲烷大於氫，與只比氧係數的結果相同。

一般化公式可記為：碳氫化合物CxHy完全燃燒的需氧莫耳數為x＋y／4。代入驗算：乙烯C2H4為2＋4／4等於3、乙炔C2H2為2＋2／4等於2.5、甲烷CH4為1＋4／4等於2，與逐式配平結果一致；氫可視為x為0、y為2，得0＋2／4等於0.5。考場上用這個公式比逐一配平快得多。

易混淆提醒：本題比的是等體積的需氧量。若題目改成等重量，排序會完全不同，因為要先除以分子量：氫分子量僅2，每公克需氧0.25莫耳，反而是四者中最大；甲烷每公克0.125莫耳、乙烯約0.107莫耳、乙炔約0.096莫耳。看到理論空氣量題，第一件事就是確認基準是體積、重量還是發熱量。

延伸考點：理論空氣量算完後常接著考理論燃燒溫度、空氣過剩率與燃燒生成氣體量。空氣過剩率定義為實際空氣量除以理論空氣量，數值大於一表示供氣過剩，過剩空氣會帶走熱量而使燃燒溫度下降；不足時則生成一氧化碳等不完全燃燒產物。另有燃燒界限與化學計量濃度的關係也源自同一組配平式，化學計量濃度等於燃料體積除以燃料與理論空氣量之和，乙炔的燃燒範圍約為百分之二點五至一百，屬相當寬者，也常一併入題。