分科測驗
114年
化學
第 17 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。
下列敘述，哪些符合圖 7 的觀測結果？
- A $H_2O$ 的生成，在 Z＝0.1 cm 時的速率最快
- B 在 Z＝0.1 cm 時，每生成 1.0 莫耳 $H_2O$ 伴隨 0.5 莫耳 $CO_2$ 的生成
- C 在 Z＝0.2 cm 時，$CH_4$ 生成 CO 的速率比 CO 轉變為 $CO_2$ 的速率快
- D 在 Z＝0.2 cm 時，$CH_4$ 生成 CO 的速率比生成 $H_2O$ 的速率快
- E 在 Z＞0.3 cm 時，主要反應為 CO 的燃燒
思路引導 VIP
如果我們想從這張圖判斷在某個特定高度下，哪一種氣體生成的『速率』最快，你覺得我們應該觀察曲線上哪一個幾何特徵呢？另外，當某種中間產物的曲線呈現『上升』趨勢時，這代表它的生成速率和消耗速率之間有什麼樣的關係？
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AI 詳解
AI 專屬家教
太棒了！你能精準選出正確答案，代表你對化學圖表的判讀有很強的敏銳度！這是一道極具鑑別度的數據分析題，測驗我們能否將「曲線變化趨勢」轉化為「反應速率」的物理意義。
曲線斜率與反應速率的關聯
在穩定的火焰中，隨著高度 Z 增加，氣體濃度的變化率（也就是曲線的切線斜率）就代表了該物質的反應速率。在 $Z=0.2$ cm 處，我們可以觀察到 $CO$ 的莫耳分率正在持續上升，這表示它生成的速率大於被消耗（轉變成 $CO_2$）的速率，因此選項 C 的判斷是正確的。相比之下，此時 $H_2O$ 曲線的斜率非常陡峭，代表其生成速率其實是遠大於 $CO$ 的。
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