111學測自然 第12題 詳解

相圖・判區 · 多選 · 題目出處：111 學年度學科能力測驗 自然考科（大學入學考試中心）

答案(A)(E)看逐步解析 ↓

題目

在低溫高壓的狀態下，甲烷的氣體分子被水分子包覆，形成類似冰晶的化合物，稱為甲烷水合物。圖 6 是甲烷水合物的相圖，依此，下列敘述哪些正確？（應選 2 項）
(A) 甲烷水合物點燃時，發生燃燒反應的應為甲烷氣體
(B) 甲烷氣體與水不會同時存在
(C) 在 0°C、140 大氣壓時，甲烷水合物與冰同時存在
(D) 在 -15°C 時，不會有甲烷水合物的存在
(E) 在 0°C、10 大氣壓時，不會有甲烷水合物的存在

逐步解析

1. 1

   帶學生讀圖

   先看兩條相界：虛線是「冰與水的相界」，大約在 $0^\circ\mathrm{C}$；粗實線是「甲烷水合物與甲烷的相界」。題目已告訴你判讀規則：在同一溫度下，壓力若高於該溫度對應的門檻，也就是落在粗線下方，甲烷水合物才能穩定存在；若壓力低於門檻，就以甲烷氣體為主。
2. 2

   判斷甲烷水合物的存在條件

   由圖可知，$-30^\circ\mathrm{C}$ 到接近 $0^\circ\mathrm{C}$ 時，門檻壓力約為 $20\,\mathrm{atm}$；溫度再升高，門檻迅速上升，到 $15^\circ\mathrm{C}$ 左右約需 $140\,\mathrm{atm}$。所以只要壓力夠高，甲烷水合物就可能存在，不能因為溫度是負值就直接判定「沒有」。
3. 3

   逐項判析

   (A) 正確。甲烷水合物受熱點燃時，真正可燃、發生燃燒反應的是其中的甲烷分子。
   (B) 錯誤。圖中顯示甲烷水合物的穩定區是和甲烷氣體分開的，但題意不能推成「甲烷氣體與水絕不可能同時存在」；實際上在不同相區條件下，甲烷與水可以同時出現，只是是否形成水合物要看壓力溫度。
   (C) 錯誤。$0^\circ\mathrm{C}$、$140\,\mathrm{atm}$ 雖然在甲烷水合物穩定區內，但 $0^\circ\mathrm{C}$ 正好在冰與水的相界上，不能直接說一定是「甲烷水合物與冰同時存在」。
   (D) 錯誤。$-15^\circ\mathrm{C}$ 時，門檻壓力仍約 $20\,\mathrm{atm}$，只要壓力達門檻以上，甲烷水合物仍可存在。
   (E) 正確。$0^\circ\mathrm{C}$ 時門檻約 $20\,\mathrm{atm}$，而 $10\,\mathrm{atm}$ 低於門檻，位於甲烷氣體區，不會有甲烷水合物。
4. 4

   整理正解

   本題應選 $(A)$、$(E)$。最容易誤判的是 $(C)$：看到 $0^\circ\mathrm{C}$ 與高壓，就以為一定有冰和水合物共存；但題目圖上顯示的是冰水相界，並不等於一定有冰存在。

關鍵觀念：#相圖判讀 #穩定區 #相界線