在充足的能量下，下列何種濃度（vol%）的氫氣（H2）為燃燒界限範圍內？

本題考點

氫氣在空氣中的燃燒(爆炸)界限,下限約 4 vol%、上限約 75 vol%。

正解理由

可燃氣體必須與空氣形成適當比例的混合氣,濃度落在燃燒下限與燃燒上限之間,火焰才能自行傳播;低於下限因燃料太稀、釋熱量不足以加熱鄰近未燃混合氣,高於上限則因氧化劑不足,兩者皆無法持續燃燒。氫氣的燃燒界限約為 4～75 vol%,是常見可燃氣體中範圍最寬者之一。50 vol% 正落在此區間內,故選 C。

逐項排除

1. (A)

   100%:代表純氫環境、完全沒有氧化劑存在,遠高於上限 75%,即使能量充足亦無從氧化,不可能燃燒。

2. (B)

   80%:高於上限 75%,空氣比例過低而氧氣不足,屬過濃無法傳播火焰的範圍。

3. (C)

   50%:介於 4% 與 75% 之間,位於燃燒界限範圍內,正確。

4. (D)

   2%:低於下限 4%,燃料過稀,釋熱不足以維持火焰傳播。

記憶點

燃燒界限並非固定不變的物性,而是隨條件變動的實驗值。溫度升高時,分子動能增加、反應更易維持,下限會下移、上限會上移,範圍變寬;壓力升高對上限影響尤其明顯(下限相對穩定);加入氮氣、二氧化碳等惰性氣體則使氧濃度下降,上限先急速壓縮,最終上下限收斂於一點,該點對應的氧濃度即為最小氧濃度,是惰化與窒息式滅火的理論依據。

常考的界限數值宜整批背:甲烷 5～15、乙烷 3～12.4、丙烷 2.1～9.5、丁烷 1.8～8.4、一氧化碳 12.5～74、氨 15～28、乙炔 2.5～100(上限達 100 是因其可自行分解放熱)。可用危險度 H =(上限 − 下限)÷ 下限 量化風險:氫氣為(75 − 4)÷ 4 ≈ 17.8,乙炔高達 39,甲烷僅 2,數字越大代表越容易落入可燃範圍。

混合氣體的下限則用勒沙特列公式:100 ÷ L =(V₁ ÷ L₁)+(V₂ ÷ L₂)+ …,其中 V 為各成分體積百分比、L 為各自的下限。這條式子與本題屬同一考點群,常搭配「某混合氣是否已達可燃範圍」的判斷題出現。另需留意題目問的是體積百分比而非質量百分比,兩者不可混用——燃燒界限一律以體積(莫耳)濃度定義。

溫度的量化影響可用柏格斯–惠勒法則概估:溫度每升高 100 ℃,下限約下降原值的 8%、上限約上升 8%,用以評估高溫環境中原本安全的濃度是否已進入可燃範圍。壓力方面則不對稱,下限受影響甚小,上限隨壓力升高而顯著擴大,因此高壓儲氣設備的風險評估不能直接套用常壓數據。