同學 你知道沙漏瓶頸的寬窄 對於沙子從上到下流動的速度 是否有影響嗎？ 瓶頸的寬窄 與我們接下來要探討的 反應機構及瓶頸反應有關 就讓我們慢慢來瞭解吧 在前面的學習單元中 我們常常看到 如畫面上的反應位能圖 這張圖表能表達反應物 生成物的位能 告知反應熱 而這條曲線就是其反應路徑 科學家認為 大多數的化學反應是經由連續性 多步驟碰撞所完成 這一系列的連續性多步驟稱為 該反應的反應機構 每一步驟反應都屬於基本反應 基本反應的特性 是速率定律中的反應物濃度級數 即為該反應式的係數 例如 A和B反應生成C是基本反應 此反應式 是表達有一個A分子 與一個B分子 這兩個分子同時碰撞在一起 並且發生反應 其速率定律如畫面所示 另一個例子 若A分解生成D和E 此反應式是表達 有一個A分子發生分解反應 其速率定律如畫面所示 反應機構無法從全反應的 反應式得知各步驟 因此會出現很多不同理論 以推測合理的反應機構 一個合理的反應機構 必須符合兩個條件 一 所有步驟的基本反應相加 會得到該反應的全反應式 二 由反應機構推導出的速率定律 應與實驗結果一致 反應機構的多步驟中 反應速率最慢的步驟 稱為速率決定步驟 此步驟決定 整個反應的反應快慢 又被稱為瓶頸反應 之前的學習單元 提到反應機構 是指反應過程中的每一步 都是基本反應 如畫面上的圖 表達某個反應機構 只有一個步驟 即AB和C反應生成A和BC 其反應方程式中的係數 等於速率定律式的級數 也就是R等於k 乘以AB濃度乘以C濃度 若反應機構是二步驟反應 如藍色的線 若推測其步驟為 步驟一 AB反應生成X 步驟二 X和C反應生成A和BC 當我們將兩條方程式相加 可以得知X為中間產物 此外 全反應方程式為 AB和C反應生成A和BC 在藍線的部分 因為有兩步反應 第一個能量高點為 活化複合體1 第二個高點為 活化複合體2 比較這兩步驟的活化能 形成活化複合體1的活化能較高 此即為速率決定步驟 也就是瓶頸反應 接下來請試著思考 反應級數與粒子碰撞的狀況 我們來練習從這兩個例子 來思考反應機構 與速率定律式的關係 我們可以知道速率慢的為 速率決定步驟 因此左右兩個的速率決定步驟不同 我們先來探討這兩個反應機構 從畫面中可得知 兩個方程式的全反應 皆為2A和B反應生成D C是中間產物 例一的全反應速率如畫面所示 例二可依此類推 但要小心的地方是 因為第一組較快達平衡狀態 其正反應速率等於逆反應速率 k正乘以A濃度乘以B濃度 等於k逆乘以C濃度 轉化一下變成C濃度 等於k乘以A濃度乘以B濃度 全反應速率等於R2 等於k1乘以A濃度乘以C濃度 等於k2乘以A濃度平方乘以B濃度 所以我們可以知道相同反應式 反應速率定律式不相同 想想看 二氧化氮和一氧化碳 反應生成一氧化氮和二氧化碳 它的反應機構包括兩個一步反應 二氧化氮和二氧化氮反應 生成一氧化氮和三氧化氮 以及三氧化氮和一氧化碳反應 生成二氧化氮和二氧化碳 一 反應機構中 第一步或第二步 哪個反應速率比較慢？ 為甚麼？ 二 根據反應機構 寫出反應速率定律式 回到片頭的問題 沙漏瓶頸的寬窄 對於沙子從上到下流動的速度 是否有影響呢？ 一個化學反應的反應機構 可用連續沙漏的方式來比擬 沙子從最上方下落 至最下方的速率 將由瓶頸開口最小的地方來決定 正如同化學機構中 速率最慢的步驟 即為化學反應的速率決定步驟 左圖的第二步和右圖的第一步 分別是該反應的 反應速率決定步驟 因此答案是 瓶頸寬窄會影響沙子落下的速度 決定沙子的流動時間 我們來回顧一下 這個單元學到的內容 大多數的化學反應是經由連續性 多步驟碰撞完成 即該反應之反應機構 每一步驟反應都屬於基本反應 反應機構中 反應速率最慢的步驟 為速率決定步驟 此步驟決定整個反應速率 又稱瓶頸反應 經過這一單元的學習 你都學會了嗎？ 歡迎在留言區 與我們分享你的心得 我們下次見！