若空氣中的氧氣體積百分比為 21%，則甲烷完全燃燒的化學理論濃度為多少%？

本題考點

可燃氣體「化學理論濃度」（Cst）之計算，即燃料與空氣恰好完全燃燒、無剩餘氧氣時的燃料體積百分比。

正解理由

依燃燒化學計量式，甲烷完全燃燒為 CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O，每1莫耳甲烷需2莫耳氧；空氣中氧佔21體積百分比，故所需空氣為 2÷0.21 莫耳。化學理論濃度定義為燃料體積除以（燃料＋空氣）體積，計算得約9.48%，四捨五入後與選項9.4最接近，故選B。

演算步驟

1. 需氧莫耳數 n = 2 mol。
2. 理論空氣量 = 2 mol ÷ 0.21 = 9.524 mol。
3. Cst = 1 mol ÷ (1 mol + 9.524 mol) × 100% = 9.5%，以通式 100 ÷ (1 + 4.773 × 2) = 9.48%，取9.4。

逐項排除

1. (A)

   5.2接近甲烷燃燒下限約5%，是可燃範圍低端值，非恰好完全燃燒之理論濃度。

2. (B)

   9.4即上述計算值，位於可燃範圍中央偏下，符合理論濃度特性，正確。

3. (C)

   11.0來自分母漏加燃料本身1莫耳，只用1÷9.524得10.5進位而來。

4. (D)

   15.4接近甲烷燃燒上限約15%，屬可燃範圍高端值，與理論濃度無關。

記憶點

化學理論濃度是火災學計算題的骨幹公式，來源是道爾頓分壓觀念下的體積比：理想氣體同溫同壓時，莫耳比即體積比，所以把配平式的莫耳數直接當體積用即可。式中的常數4.773正是1÷0.21，代表每需要1莫耳氧就得帶進4.773莫耳空氣（含約3.773莫耳氮氣當作陪伴的惰性氣體），因此通式寫成 Cst = 100 ÷ (1 + 4.773n)。只要能寫出正確的配平式取得n，任何碳氫化合物都能套：甲烷n=2得9.5%，乙烷n=3.5得5.6%，丙烷n=5得4.0%，丁烷n=6.5得3.1%，可以看出分子愈大、需氧愈多，理論濃度愈低，這個遞減趨勢本身就是選擇題的判斷捷徑。含氧或含氯的燃料則要把分子自帶的氧扣掉，如甲醇 CH3OH 的n為1.5。

這個數值真正的用處在於與燃燒界限互相驗證。經驗上燃燒下限約為化學理論濃度的0.55倍、上限約為3.5倍（瓊斯法則），甲烷以9.5%推算得下限約5.2%、上限約33%，下限與實測5%非常吻合，上限則因實際反應動力學限制而落在15%左右，這也解釋了為何選項會同時放進5.2與15.4當誘答——它們是同一組數列上的鄰居，考生若只背「甲烷5至15」而沒理解各自意義就會誤選。

延伸考點還有勒沙特列公式：混合氣體的燃燒下限為 100 ÷ Σ(各成分體積百分比 ÷ 各自下限)，常與本題同章出現。另外要區分理論濃度與「最易引燃濃度」，後者通常略高於理論濃度，因為稍富燃料側的火焰傳播速度最快、最小引火能量最低，這也是瓦斯外洩事故中爆炸威力最大的濃度區。把配平、常數4.773、瓊斯倍率三件事串起來，火災學的氣體計算題幾乎都能一式通解。