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

壓力對氣體爆炸界限的影響,以及一氧化碳這個著名反例。

正解理由

一般可燃性氣體在壓力升高時,分子間碰撞頻率增加、反應鏈更易延續,爆炸上限明顯上升而下限變動不大,爆炸範圍因此變廣;但一氧化碳是公認的例外,其燃燒反應高度依賴微量水分提供的自由基,且高壓下三體碰撞使自由基提前結合而終止連鎖反應,導致爆炸上限下降、爆炸範圍反而縮小。故選 D。

逐項排除

1. (A)

   甲烷屬典型的碳氫化合物,高壓下爆炸上限顯著提高、範圍變廣,是壓力效應的正面例證,並非本題所問的例外。

2. (B)

   二氧化碳為不燃性氣體,本身不具爆炸界限,常被用作惰化與稀釋用氣體,連討論上限升降的前提都不存在。

3. (C)

   乙烷與甲烷同屬烷類,加壓後同樣呈現爆炸上限升高、範圍擴大的趨勢,行為與一般可燃氣體一致。

4. (D)

   一氧化碳在高壓下爆炸上限與整體爆炸範圍反而縮小,是燃燒學教材明確標舉的特例,為本題應選者。

記憶點

爆炸界限(燃燒界限)指可燃氣體在空氣中能夠傳播火焰的濃度範圍,下限以下燃料不足、上限以上氧氣不足,兩者之外皆無法持續燃燒。影響界限寬窄的因素可整理成六項:溫度升高使界限變寬(下限降、上限升)、壓力升高一般使上限升高、氧濃度提高使上限大幅上升(下限幾乎不變)、加入惰性氣體使範圍收縮、容器管徑過小低於消焰距離則無法傳播、點火能量增大亦使可燃範圍略微擴張。

一氧化碳的反常行為源自其反應機構。一氧化碳與氧的直接反應速率極慢,實際燃燒主要透過含氫自由基(如氫氧自由基)的循環進行,因此乾燥的一氧化碳極難點燃,微量水分反而是必要條件。當壓力升高,三體碰撞機率上升,自由基與第三體結合而失活的終止反應速率增加得比鏈增長反應更快,於是在高濃度燃料側(對應爆炸上限)最先撐不住,上限下降、範圍變窄。此外,一氧化碳的爆炸下限亦隨壓力略有上升,與多數碳氫化合物不同。

數值記憶方面,常壓下一氧化碳的爆炸範圍約為 12.5% 至 74%,屬上限極高的氣體;甲烷約 5% 至 15%,乙烷約 3% 至 12.4%。危險度可用 H 等於上限減下限再除以下限來量化,一氧化碳的危險度接近五,遠高於甲烷的二左右,這也是不完全燃燒累積的一氧化碳在密閉空間容易造成爆燃的原因。

混合氣體的爆炸下限則以勒沙特列公式推算,即混合氣下限的倒數等於各成分體積分率除以各自下限之和,是同一章節的必考公式。

易混淆概念對照:爆炸界限與閃火點不同,前者描述濃度範圍,後者描述溫度門檻,但兩者可互相換算——液體達閃火點時,其蒸氣濃度恰好接近爆炸下限,這層關係常成為跨題型的連結考點。