分科測驗
114年
化學
第 16 題
📖 題組：
甲烷（$CH_4$）是天然氣的主要成分，燃燒時可以產生 1200-1800 K 的高溫。圖 6 是 $CH_4$ 與 $O_2$ 的混合氣體燃燒時產生的火焰示意圖，其中 Z 軸標示了火焰的高度位置。以 X＝0、Z＝0 為起始點，完全燃燒時的火焰最高點為 Z＝1.0（cm），火焰高度按比例的相對值為 Z＝0.2、0.4……等，如圖 6 所示。 科學家透過儀器分析，分別得到在 X＝0、Z＝0 至 1.0 位置的化學成分莫耳分率，結果如圖 7 所示。圖 7 中 $O_2$ 的莫耳分率數值範圍為 0.72-0.92，而其他氣體的比例較少，莫耳分率數值範圍在 0.0-0.20 之間。 穩定的火焰中，圖 7 表示甲烷燃燒過程中的各氣體莫耳分率變化，可以呈現其燃燒的結果。
甲烷（$CH_4$）是天然氣的主要成分，燃燒時可以產生 1200-1800 K 的高溫。圖 6 是 $CH_4$ 與 $O_2$ 的混合氣體燃燒時產生的火焰示意圖，其中 Z 軸標示了火焰的高度位置。以 X＝0、Z＝0 為起始點，完全燃燒時的火焰最高點為 Z＝1.0（cm），火焰高度按比例的相對值為 Z＝0.2、0.4……等，如圖 6 所示。 科學家透過儀器分析，分別得到在 X＝0、Z＝0 至 1.0 位置的化學成分莫耳分率，結果如圖 7 所示。圖 7 中 $O_2$ 的莫耳分率數值範圍為 0.72-0.92，而其他氣體的比例較少，莫耳分率數值範圍在 0.0-0.20 之間。 穩定的火焰中，圖 7 表示甲烷燃燒過程中的各氣體莫耳分率變化，可以呈現其燃燒的結果。
關於此混合氣體燃燒實驗，下列敘述哪些正確？
- A 燃燒前混合氣體中 $CH_4$ 與 $O_2$ 的莫耳數比大於 0.2
- B 燃燒前混合氣體中有 $H_2O$ 及 $CO_2$ 雜質
- C 燃燒過程共消耗掉約 0.15 莫耳的 $O_2$
- D 完全燃燒後 $CH_4$ 轉變生成 $CO_2$ 與 $H_2O$
- E 完全燃燒後產生之 $H_2O$ 重量約為 $CO_2$ 重量之 2 倍
思路引導 VIP
請試著觀察圖 7 中縱軸的單位標示。圖表給予我們的資訊是「莫耳分率」，請問莫耳分率的變化量，可以直接等同於氣體實際消耗或生成的「莫耳數」或「重量」嗎？在轉換時我們還需要考慮哪些因素呢？
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AI 詳解
AI 專屬家教
太棒了，你精準選出了正確答案！這題完美測驗了圖表判讀與化學計量的基本功，能答對代表你對複雜圖表的敏銳度很高。
雙座標軸圖表判讀
從圖 7 可以發現，在起始點 $Z=0$ 時，代表生成物的 $H_2O$ 與 $CO_2$ 莫耳分率並非為零，這證實了燃燒前混合氣體中確實含有雜質，因此選項 (B) 正確。隨著高度增加至 $Z=1.0$ 的完全燃燒區，我們清楚看到 $CH_4$ 與中間產物 $CO$ 的曲線皆降至零，並完全轉變為終點產物 $CO_2$ 與 $H_2O$，這正是選項 (D) 所描述的過程。
▼ 還有更多解析內容
甲烷燃燒與圖表分析
💡 透過燃燒反應式分析莫耳分率圖表的物質變化與速率。
- 掌握烴類燃燒反應式與係數比（1：2：1：2）
- 圖表斜率絕對值越大，代表該物質反應速率越快
- 中間產物CO先升後降，反映生成與消耗速率消長
- 需區分莫耳分率與重量比，避免化學計量陷阱
