在日常生活中 充斥著不同的化學反應 例如 絢爛美麗的國慶煙火 不常用的鐵器會生鏽 毫無人煙的鐘乳石洞內石筍的生成 這些都是典型的化學反應 但是這些化學反應所需的時間卻有天壤之別 國慶煙火只是一瞬間 鐵器生鏽讓工具無法使用 可能需要數年的時間 而石筍卻需要數千年 甚至數萬年才能形成 有的反應很快 有的卻很慢 我們稱為化學反應速率不同 國中的時候曾學過速率這個名詞 所用的形容詞通常都是快或慢 速率指的是單位時間內某些特徵的變化量 例如 在氣象報告中記者會說 颱風中心附近最大風速在 每秒17.2到32.6公尺間 是屬於輕度颱風 或是2021年大胃王比賽 冠軍在10分鐘內吃下76個熱狗麵包 這也是關於速率的描述 那在化學反應中 只用快與慢的形容詞來定性描述 似乎不符合科學研究該有的態度 那該如何用數字來具體而定量的描述反應速率呢 在化學反應中 反應物參與反應變成生成物 所以系統中會有兩種角色 在科學上可以利用這兩者的變化來描述化學反應速率 以反應物的觀點來說 反應物消耗速率就是一段時間內反應物的消耗量 若是以生成物的觀點 生成物生成速率就是一段時間內生成物的生成量 因為是在一段時間內發生的 所以會稱為平均消耗速率及平均生成速率 如果用濃度來表示 並寫成數學式 可以這樣來表示 反應物平均消耗速率 等於Delta t分之負Delta反應物濃度 生成物平均生成速率 等於Delta t分之Delta生成物濃度 數學式中的這個類似三角形的符號 讀音為Delta 在科學上是表示某物理量的變化量 而且是變化後減去變化前 在這裡分母Delta t 是指後來的時間減去原來的時間 也就是所消耗的時間 在反應物平均消耗速率中 一般都是用正值來表示 式中的分子是指反應物後來的濃度減去反應物原來的濃度 那為什麼Delta前面要加一個負號呢 這是因為反應發生後反應物會消耗 原來反應物濃度消耗後會變小 而造成分子的數值為負值 所以在公式上 加上一個負號 讓數值變為正值 而在描述生成物的時候 因為生成物是會隨時間拉長數量會越多 所以相減之後還是正值 因此就不需要加上負號了 如果描述反應速率可以用不同的物質變化量來表示 那所得到的反應速率數值是否會有不同 如果不同 會有甚麼關係嗎 先舉一個例子來說明 若有一個實驗的變化如下 如何計算實驗的反應速率呢 若以藍色圓形圖案表示A 藍色線作圖 以黃色三角形表示B 黃色線作圖 以綠色的菱形表示C 綠色線作圖 由上面資料可以寫出這個反應的方程式為 2A + B 生成 C 如果選定3分鐘至4分鐘的變化來計算平均反應速率 在圖中 可以看到A消失2個 可用畫面中的數學式表示 或是B 則消失1個 可表達為畫面中的數學式 或是C生成1個 則可表達如畫面的數學式 也就是說當計算速率所用的物質不同時 速率的數值也會不同 但這些數值有甚麼關係呢 你發現了嗎 由這個例子來看 三個物質的反應速率數值為2比1比1 就是反應方程式的係數比 因此可以下一個結論 在同一段反應時間內 各物質的反應速率比 為反應方程式中各物質間的平衡係數比 如果用一個通式來表達 反應方程式若為aA + bB 生成 cC + dD 則參與物質的反應速率比為 rA : rB : rC : rD = a : b : c : d 也可以將這個數學式子移項 變成畫面上的樣子 因為不同反應物和生成物所求得的反應速率 可以互相轉換 所以在實驗進行中 為了方便 在實驗操作上會選擇容易測量的物理量變化來進行 例如壓力、體積和質量等 所以反應速率的單位也變得很多元 可以是質量、壓力、莫耳數、濃度等 時間所用的單位也會因為反應所需的時間長短 可以用秒、分、小時、甚至是年 例如 描述前面提到的煙火 時間可以用秒 鐵器生鏽可以用年 而根據英國國家廣播公司BBC的科學新知介紹 石筍的生長 1000年長不到10公分 所以可以用千年為時間單位呢 反應速率測量方式之一是 記錄所選定的物理量 再利用這些數據與時間作圖 若是測量生成物的濃度 可以得到這個圖形 計算時 通常會選用一段時間的變化量作計算 這時的反應速率是平均反應速率 而在計算反應速率時所選用的Delta t極小 也就是t2很靠近t1時 所得到的反應速率可以稱為瞬時反應速率 等於濃度對時間曲線圖中的切線斜率 當切線斜率愈大表示反應速率越快 切線斜率愈小 表示反應進行速率越慢 但一般而言 因為反應出現明顯變化通常都需要一段時間 所以提到的反應速率 一般都是指平均反應速率 既然已經瞭解了反應速率的定義 那就來小試身手吧 讓我們來整理一下關於反應速率的學習重點 速率是單位時間內 某物理量的變化量 所以化學反應速率為單位時間內反應物或生成物的變化量 反應方程式若為aA + bB 生成cC + dD 則參與物質的反應速率有這樣的關係 rA : rB : rC : rD = a : b : c : d 速率的描述一定要包含單位 並且會因為所測量的物理量不同 所以反應速率所使用的單位也會有所不同 一般所稱的反應速率是指平均反應速率 如果測量的時間間隔極小 所得到的速率就稱為瞬時反應速率 當切線斜率愈大表示反應速率越快 切線斜率愈小 表示反應進行速率越慢 同學們 你是否已經學會了呢 歡迎到留言區與我們分享你的學習心得 我們下次再見