下列物質各取 1 莫耳進行完全燃燒，何者所需的理論空氣量（kg）最少？

本題考點

完全燃燒反應式之配平與理論空氣量比較——等莫耳燃料的理論空氣量,正比於完全燃燒所需之理論氧氣莫耳數。

正解理由

空氣中氧氣約占 21 體積%、23.2 質量%,故理論空氣量與需氧莫耳數成正比。將四者配平後,乙醛只需 2.5 莫耳氧,其餘三者均需 3 莫耳氧,乙醛所需理論空氣量最少,故選 C。

逐項排除

1. (A)

   乙醇 C2H5OH + 3O2 → 2CO2 + 3H2O,需氧 3 莫耳;分子雖含一個氧原子,但氫數較多,抵銷後仍為 3 莫耳。

2. (B)

   乙烯 C2H4 + 3O2 → 2CO2 + 2H2O,需氧 3 莫耳;分子完全不含氧,所需氧全由空氣供應。

3. (C)

   乙醛 CH3CHO + 2.5O2 → 2CO2 + 2H2O,需氧僅 2.5 莫耳,為四者最低,理論空氣量最少,為本題應選者。

4. (D)

   二甲醚 CH3OCH3 + 3O2 → 2CO2 + 3H2O,與乙醇互為同分異構物,需氧同樣是 3 莫耳。

記憶點

理論空氣量的求法是先配平完全燃燒反應式取得理論需氧莫耳數,再除以空氣含氧比例。以體積(莫耳)計,空氣含氧 21%,理論空氣莫耳數等於需氧莫耳數除以 0.21;要化為質量時,可取空氣平均分子量約 28.96 g/mol,或直接以空氣含氧 23.2 質量% 換算。以乙醛為例:2.5 mol × 32 g/mol = 80 g 氧,80 g ÷ 0.232 ≈ 345 g 空氣;乙醇、乙烯、二甲醚皆為 3 mol × 32 g/mol = 96 g 氧,96 g ÷ 0.232 ≈ 414 g 空氣,兩者相差約兩成。

含氧有機物有一條速算式:化學式寫成 CxHyOz 時,理論需氧莫耳數 = x + y/4 − z/2。乙醇與二甲醚同為 C2H6O,得 2 + 1.5 − 0.5 = 3;乙醛 C2H4O 得 2 + 1 − 0.5 = 2.5;乙烯 C2H4 得 2 + 1 = 3。用這條式子可在考場上數十秒內解完整題,不必逐式配平,分子中自帶的氧會折抵所需外部供氧,正是乙醛勝出的原因。

最容易被設陷阱的是「基準」:本題以每莫耳為基準,若改問每公斤燃料所需理論空氣量,須再除以分子量(乙醛 44、乙醇與二甲醚 46、乙烯 28),此時乙烯反而躍升為需空氣最多者,約 14.8 kg 空氣/kg 燃料,乙醛約 7.8。讀題時務必先確認是莫耳基準或質量基準。

延伸考點:理論空氣量乘以空氣過剩係數即為實際供氣量;燃燒生成之二氧化碳與水蒸氣量、理論燃燒溫度推估,乃至燃燒界限與化學計量濃度,都建立在同一條配平式上。