工廠使用之乙炔（C2H2），為防止爆炸引起火災，常利用裝有某化學物質與多孔性物質充填物之鋼瓶加壓保存，請問該化學物質為何？

本題考點

溶解乙炔鋼瓶的充填原理——乙炔加壓易生分解爆炸,須以溶劑溶解後貯存。

正解理由

乙炔分子含碳碳三鍵,本身為吸熱化合物,單獨加壓至約二個大氣壓以上或受衝擊、局部高溫時,不需要氧氣也會自行分解為碳與氫並放出大量熱,形成分解爆炸。因此工業用乙炔不以純氣體高壓充填,而是先在鋼瓶內填滿矽藻土、活性碳一類多孔性物質,再浸潤丙酮,使乙炔大量溶解其中,以溶解乙炔的形態安定貯存,故選 C。

逐項排除

1. (A)

   氮氣為惰性氣體,只能稀釋或作為封氣使用,對乙炔幾乎不具溶解能力,無法把大量乙炔留在瓶內。

2. (B)

   氦氣同屬惰性氣體且分子極小,在液體中的溶解度是所有氣體裡最低的一群,更不可能作為溶解介質。

3. (C)

   正確。丙酮在常溫常壓下每單位體積可溶解約二十餘倍體積的乙炔,溶解量並隨壓力升高而增加,正是鋼瓶採用的溶劑。

4. (D)

   二氧化碳用於惰性化與滅火,本身即為氣體,無法扮演液態溶劑的角色,也不能抑制乙炔的分解反應。

記憶點

乙炔的危險性可從三個層面理解。第一是分解爆炸:碳碳三鍵的生成熱為正值,分解為固體碳與氫氣時放熱甚鉅,屬於不需要氧化劑即可自持的化學性爆炸,壓力愈高、管徑愈大愈容易由局部起爆傳播為整管分解,所以乙炔的充填壓力必須壓在很低的範圍。第二是燃燒範圍極寬:乙炔在空氣中的爆炸界限約為 2.5% 至 81%,上限之高在常見可燃氣體中名列前茅,微量洩漏即落入範圍內。第三是與金屬的反應:乙炔遇銅、銀會生成極敏感的乙炔銅與乙炔銀,受衝擊即爆,因此相關配管器材避開高含銅材質。

鋼瓶內兩種填充物分工明確。多孔性物質(矽藻土、活性碳、木炭與水泥的燒結體)把瓶內空間切割成無數細小孔隙,即使某處發生分解,火焰也難以在細孔中傳播,等於內建阻火作用,同時支撐溶劑不致晃動;丙酮則負責溶解。氣體在溶劑中的溶解量大致遵循亨利定律,溶解量與該氣體分壓成正比,因此加壓後瓶內可貯存的乙炔量遠大於同體積的純氣體。也因為溶劑會隨氣體一起帶出,乙炔瓶必須直立使用,橫放會使丙酮流失。

數值上,乙炔瓶的充填壓力約為每平方公分十五公斤,遠低於氧氣瓶的每平方公分一百五十公斤;兩者外觀相近而壓力相差約十倍,是考題常設的對比點。乙炔與氧混合燃燒的火焰溫度可達約攝氏三千三百度,為氣體熔接的主要熱源,也反映其反應放熱之劇。

易混淆對照:分解爆炸(乙炔、環氧乙烷、聯胺)不需空氣,氧化爆炸(一般可燃氣體)必須與空氣形成混合氣;前者的抑制方向是降壓、阻火與稀釋,後者則是把濃度控制在爆炸範圍之外。延伸考點常見於氣體分類題,以及以乙炔 2.5% 的下限代入勒沙特列公式求混合氣體爆炸下限的計算題。