2-3 影響反應速率的因素

影響反應速率的因素 2-3 反應物的本質 濃度 接觸面積 溫度 催化劑 2

影響反應速率的因素 2-3 2-3.1 反應物的本質 2-3.2 濃度與接觸面積 2-3.3 溫度 2-3.4 催化劑與催化反應 3

反應物的本質 2-3.1 鋅＋鹽酸 (1 M) 鉛＋鹽酸 (1 M) 快 慢 4

反應物的本質 2-3.1 反應物對反應速率的影響，有下列的規則性： 1. 在反應過程中，未涉及化學鍵的破壞者，在常 溫時的反應速率很快。例如： (1) 酸鹼中和： (2) 沉澱反應： (3) 僅涉及電子轉移的氧化還原反應： 5

反應物的本質 2-3.1 反應物對反應速率的影響，有下列的規則性： 2. 在反應過程中，涉及化學鍵的破壞與生成者， 在常溫時的反應速率很慢。例如： (1) 酯化反應： (2) 甲烷的燃燒： 3. 一般而言，在溶液中離子間反應的反應速率較 分子間之反應快。 6

範例 2-8 室溫時，下列何者的反應速率最快？ (A) CH3COOH(l) + C2H5OH(l) → CH3COOC2H5(l) + H2O(l)　 (B) C3H8(g) + 5O2(g) → 3CO2(g) + 4H2O(g)　 (C) H+(aq) + OH－(aq) → H2O(l)　 (D) 5C2O42－(aq) + 2MnO4－(aq) + 16H+(aq) → 10CO2(g) + 2Mn2+(aq) + 8H2O(l) (E) P4(s) + 5O2(g) → P4O10(s) 7

練習題 2-8 常溫時，下列何者的反應速率最慢？ (A) Cr2+(aq) + Fe3+(aq) → Cr3+(aq) + Fe2+(aq) (B) Ag+(aq) + Cl－(aq) → AgCl(s)　 (C) CH4(g) + Cl2(g) → CH3Cl (g) + HCl(g)　 (D) Mg(s) + 2H+(aq) → Mg2+(aq) + H2(g) (E) 5Fe2+(aq) + MnO4－(aq) + 8H+(aq) → 5Fe3+ (aq) + Mn2+(aq) + 4H2O(l) 8

濃度與接觸面積 2-3.2 在反應中，所有反應物能混合成單一相而沒有 界面者，稱為 ， 在反應中，所有反應物能混合成單一相而沒有 界面者，稱為 ， 　例如：所有的氣態反應、酸溶液和鹼溶液的中 　　　和反應……等。 反應物不能混合成單一相者，該反應稱為 ， 　例如：木柴在空氣中燃燒、大理石與鹽酸反應 　　　……等。 勻相反應 不勻相反應 9

濃度與接觸面積 勻相反應與濃度的關係 2-3.2 根據速率方程式 r＝k[A]m[B]n 　在勻相反應中，反應速率與反應物濃度冪 次方的乘積成正比，故增加反應物濃度會使 反應速率增快。 因為反應物濃度增加時，反應粒子間的碰撞 頻率增加，因而使反應速率變快。 10

濃度與接觸面積 不勻相反應 慢 快 快 慢 2-3.2 反應速率與 及 有關， 濃度 接觸面積 大理石＋濃鹽酸 大理石顆粒 ＋鹽酸(1 M) 反應速率與 及 有關， 　反應物的濃度愈大或反應物間的接觸面積愈 大，反應愈快。 濃度 接觸面積 慢 快 大理石＋濃鹽酸 快 大理石顆粒 ＋鹽酸(1 M) 大理石粉末 ＋鹽酸(1 M) 大理石＋稀鹽酸 慢 11

濃度與接觸面積 不勻相反應 2-3.2 日常生活中，不乏因反應物表面積增加而讓 反應變快的例子。例如： 日常生活中，不乏因反應物表面積增加而讓 反應變快的例子。例如： 烤肉時，我們常將粗大的木炭敲碎成一塊塊的 小木炭； 麵粉工廠爆炸，常一發不可收拾； 煤礦坑內若含大量的煤粉塵，不慎引燃，也可能 造成嚴重的爆炸災難。 【流言追追追】 粉塵爆破 動畫：濃度對反應速率的影響 12

範例 2-9 已知固體鋅和鹽酸反應的反應速率與鋅塊的表面積成正比，若將正立方體的鋅塊分割成邊長為原來四分之一的小正立方體，如右圖，則反應速率變為原來的幾倍？ 解答 設正方體的邊長為 l，則其表面積 A 為 6l2 當邊長分割成 1/4l 時，可得 43＝64 個小立方體 其總表面積 A' 為 4 倍 13

練習題 2-9 已知固體鋅和鹽酸反應的反應速率與鹽酸濃度的平方成正比，且與鋅塊的表面積成正比。若將鹽酸的濃度由 0.1 M 增為 0.2 M，且將正立方體的鋅塊分割成邊長為原來二分之一的小正立方體，則反應速率變為原來的幾倍？ 解答 設鋅塊的邊長為 l，則其表面積 A1 為 6l2 當邊長分割成 1/2l 時，可得 23＝8 個小立方體 其總表面積 A2 為 又由題意知， r ∝ [HCl]2×A 8倍 14

溫 度 2-3.3 不論是吸熱反應或是放熱反應，溫度升高，反應速率均增大。 原因有二： 溫　度 2-3.3 不論是吸熱反應或是放熱反應，溫度升高，反應速率均增大。 原因有二： 溫度升高時，反應粒子的運動速率變快，碰撞頻率增大，故反應速率增大， ★但此效應不是影響反應速率的主要因素。 溫度升高時，粒子的平均動能增加，即超過低限能的粒子數增多，使得有效的碰撞頻率大增，因此反應速率變快， ★此效應為影響反應速率的主要因素。 15

溫 度 不同溫度之粒子動能分布曲線圖 2-3.3 T2＞T1 ⇒ 溫度升高，反應速率變大 T1：超過低限能的粒子數目較少 溫　度 2-3.3 不同溫度之粒子動能分布曲線圖 T2＞T1 ⇒ 溫度升高，反應速率變大 T1：超過低限能的粒子數目較少 動畫：溫度對反應 　　　速率的影響 T2：超過低限能的粒子數目較多 一般而言，溫度每升高 10 ℃，反應速率約增為兩倍，即 16

範例 2-10 下列何者為溫度升高使反應速率增加的主因？ (A)活化能降低 (B)超過低限能的粒子數增多 (C)粒子碰撞頻率增加 (D)反應熱降低 (E)低限能降低 17

練習題 2-10 氣體分子的運動速率隨著溫度的升高而增快，單位時間內的碰撞次數隨之變大，參與反應的分子比率也跟著增大。在 T1、T2 及 T3 不同溫度時，某氣體分子的運動速率及分子數分布曲線如右圖。下列敘述何者正確？(多重選擇題) (A)溫度高低順序為：T3＞T2＞T1　 (B)溫度高低順序為：T2＞T1＞T3　 (C)在相同溫度時，每一個氣體分子的運動速率均相同　 (D)溫度升高後，具有較高動能的分子數增加，因此反應速率增快　 (E)溫度升高後，具有較高動能的分子數減少，因此反應速率增快 18

催化劑與催化反應 2-3.4 催化劑 (catalyst) 又稱為觸媒，是一種添加於反應物中，以增加反應速率的物質， 它會參與反應，但不被消耗。 可使反應速率降低的物質稱為抑制劑。 催化劑之所以能加速反應的進行，是因為在反應中加入催化劑後，它會與反應物形成位能較低的活化複合體，降低反應所需的活化能，即提供另一條活化能較低的反應途徑，因此有效碰撞頻率增加，因而反應速率加快。 MAGICHEM 魔幻化境 化學實驗幕後特輯【瓶 中精靈】 催化劑 19

催化劑與催化反應 2-3.4 催化原理示意圖 降低反應所需的活化能 降低低限能，反應加快 20

催化劑與催化反應 催化劑的分類 2-3.4 勻相催化劑：催化劑與反應物為同一相者。 所進行的反應稱為勻相催化反應。 例如：Fe2+ 催化加速雙氧水分解的反應， 又如：臭氧層中氯原子或一氧化氮催化 臭氧的分解， 21

催化劑與催化反應 2-3.4 常見的勻相催化反應與其使用的催化劑 22

催化劑與催化反應 2-3.4 不勻相催化劑：催化劑與反應物為不同相者。 所進行的反應稱為不勻相催化反應。 例如：汽、機車內部的觸媒轉化器， 鉑(Pt)、鈀(Pd)或銠(Rh)為固態催化劑 哈柏法製氨，則是以鐵粉為催化劑，摻混少量的 氧化鉀 (K2O) 和氧化鋁 (Al2O3) 當作輔催化劑， 以增強鐵粉的催化能力。 23

催化劑與催化反應 2-3.4 常見的不勻相催化反應與其使用的催化劑 24

催化劑與催化反應 2-3.4 在催化反應中，同一個反應可能不只一種催化劑。 有些催化劑能催化多種反應， 　例如：過氧化氫的分解，其催化劑可為： Br2(aq)、Fe2+(aq)、Fe3+(aq) 或 MnO2(s)。 有些催化劑能催化多種反應， 　例如： MnO2(s) 可催化過氧化氫及氯酸鉀的分解， Pt(s) 可催化二氧化硫氧化、工業製氫、 氫化加成……等多種反應。 25

催化劑與催化反應 2-3.4 相同的反應物，在使用不同的催化劑及反應條件時，會生成不同的產物。 26

催化劑與催化反應 2-3.4 隨著奈米科技的進步，奈米材料在許多的催化反應上發揮了極佳的功效。 例如：二氧化鈦 (TiO2) 奈米光觸媒。 動畫：超氧陰離子與氫氧自由基的結構式 27

催化劑與催化反應 2-3.4 水氣與氧氣接觸二氧化鈦奈米顆粒產生氫氧自由基 (‧OH) 與超氧陰離子 (‧O2－) 二氧化鈦奈米顆粒照射 紫外光產生電子與電洞 這些具有高度活性的粒子與附著於塗料表面上或大氣中的汙染物，如細菌、有機化合物、臭味等接觸時，可將它們分解，達到消毒或去除汙染物的目的。 應用：塗敷於燈管、口罩織布等的表面或噴灑於牆壁上。 動畫：奈米光觸媒的作用機制 28

催化劑與催化反應 2-3.4 銀本身具有獨特的催化性質，特別是應用在烯 類環氧化的反應上。 使乙烯反應成環氧乙烷， 將甲醇氧化成甲醛。 　例如： 使乙烯反應成環氧乙烷， 將甲醇氧化成甲醛。 將銀顆粒大小縮至奈米尺寸形成奈米銀時，其 表面積增加，因而活性大幅提升，可加速反應 的進行。 29

催化劑與催化反應 酵 素 2-3.4 在生物體內進行的催化反應屬於勻相催化反應， 所使用的催化劑稱為酵素或酶， 酵　素 在生物體內進行的催化反應屬於勻相催化反應， 所使用的催化劑稱為酵素或酶， 酶為蛋白質，其作用有高度的專一性，一種酶通常只能催化特定的受質。 例如： 唾液中的澱粉酶，只能催化澱粉分解， 尿素酶只能催化尿素分解。 酶的作用會受溫度及 pH 值的影響。 動畫：催化劑與反應速率的關係 30

範例 2-11 下列有關催化劑的敘述，何者正確？ (A)催化劑會參與反應 (B)催化劑會改變反應的途徑 (C)催化劑會改變反應的活化複合體 (D)催化劑會改變反應的速率 (E)催化劑會改變活化能 31

練習題 2-11 下列何者為勻相催化反應？ (A)在製造氨的哈柏法中，使用鐵為催化劑 (B)在雙氧水分解製氧的反應中，使用二氧化錳 為催化劑 (C)利用接觸法製備硫酸 (D)在汽車排氣系統中，使用觸媒轉化器 (E)在臭氧層中，一氧化氮加速臭氧分解 32

學習成果評量 比較下列三種反應於常溫下的反應速率大小： 答：(2)＞(1)＞(3) 33

學習成果評量 答： 勻相催化反應：(4) 不勻相催化反應：(1)、(2)、(3) 指出下列何者為勻相催化反應 ？ 何者為不勻相催化反應？ (1) 汽、機車的觸媒轉化器的廢氣淨化反應 (2) 氯酸鉀和二氧化錳共熱製備氧氣 (3) 乙烯氣體和氫氣反應，以金屬鎳作催化劑 (4) 二氧化硫和氧氣反應，以二氧化氮為催化劑 答： 勻相催化反應：(4) 不勻相催化反應：(1)、(2)、(3) 34

學習成果評量 溫度增高時，反應速率增加的主要因素為 ？ (A)每秒中碰撞次數增加 (B)濃度變大 (C)活化能降低 (D)超越低限能分子數目增多 35

學習成果評量 有關催化劑對化學反應的影響，何者有誤？ (A)加催化劑，可改變化學反應的途徑 (B)催化劑在化學反應過程中均未參與反應 (C)加催化劑不會使平衡移動，只是會縮短達 到平衡所需時間而已　 (D)反應物相同，所加催化劑不同，可產生不 同的產物 36

本章摘要 CH2 2-1 反應速率 化學動力學為研究化學反應速率的科學。 2-1 反應速率 化學動力學為研究化學反應速率的科學。 反應速率 (r) 的表示法：以單位時間內反應物的消耗量或產物的增加量來表示。例如：氣相反應 A 的消耗速率： B 的消耗速率： D 的生成速率： C 的生成速率： 37

本章摘要 CH2 又 (1) 平均反應速率：上列各式中，某一段時間間隔所 測得的反應速率。 (1) 平均反應速率：上列各式中，某一段時間間隔所 測得的反應速率。 (2) 瞬時反應速率：當 Δt 趨近於 0，即某一瞬間時， 所求得的反應速率。 38

本章摘要 CH2 反應初速率為反應一開始時所測得的瞬時反應速率。 反應速率的測定，可依反應物或產物的特性，選擇適 當的物理量來測量，如顏色、沉澱物、壓力、體積、 導電度或 pH 值等的變化量。 描述反應速率與反應物濃度間的數學關係式，稱為速 率定律或速率方程式，如 r＝k[A]m[B]n，其中， k 稱為反應速率常數； m、n 稱為反應級數，須由實驗求得。 半生期：反應物濃度降到初濃度的一半，所需要的時 間。 39

本章摘要 CH2 2-2 碰撞理論 碰撞理論：化學反應要能發生，反應物粒子間彼 此要發生有效碰撞，即粒子需具備足夠的能量及 適當的碰撞位向。 2-2 碰撞理論 碰撞理論：化學反應要能發生，反應物粒子間彼 此要發生有效碰撞，即粒子需具備足夠的能量及 適當的碰撞位向。 低限能為粒子間發生有效碰撞所需具備的最低動 能。 活化複合體是反應物彼此碰撞所形成具有高位能、 極不穩定的中間物質，可轉變成產物，也可變回 原來的反應物。 活化能為活化複合體與反應物之間的位能差。 40

本章摘要 CH2 2-3 影響反應速率的因素 影響反應速率的因素有反應物的本質、濃度與接 觸面積、溫度及催化劑。 2-3 影響反應速率的因素 影響反應速率的因素有反應物的本質、濃度與接 觸面積、溫度及催化劑。 勻相反應為在反應中，所有反應物能混合成單一 相的反應，不勻相反應為在反應中，反應物不能 混合成單一相的反應；不勻相反應的速率與濃度 及接觸面積均有關。 溫度升高，不論是吸熱反應或是放熱反應，反應 速率均變快。主要原因是溫度升高時，超過低限 能的碰撞數目增加。 41

本章摘要 CH2 催化劑又稱為觸媒，可提高反應速率，因為加入 催化劑，會改變反應途徑，降低反應的活化能。 催化劑與反應物為同一相者，稱為勻相催化劑， 所進行的反應稱為勻相催化反應；催化劑與反應 物不同相時，該催化劑則稱為不勻相催化劑，所 進行的反應稱為不勻相催化反應。 42