兩位同學在學校實驗室進行實驗時 A同學發現鎂帶點燃後 放進純氧中 會發出超級亮的白光 B同學附和後 也表示眼睛都快閃瞎了 隨即提出疑問 如果點燃後 不放進氧氣裡 好像不會那麼亮 這是為什麼呢？ 同學 你知道是什麼影響鎂帶的亮度嗎？ 這一集的影片要來示範鎂帶燃燒實驗 分別把鎂帶放進純氧和空氣中 看看有什麼差異呢？ 純氧與空氣 是不是跟其中的氧氣濃度有關呢？ 空氣中氧氣只有大約百分之20 而前面實驗收集的那瓶氧氣 幾乎是純氧 也就是百分之百 是因為氧氣濃度影響鎂帶亮度嗎？ 在解答這個問題前 先讓我們回顧一下過去曾經學過的「濃度」 和「分壓對濃度的影響」兩個概念 1.濃度 在計算反應速率時 常用體積莫耳濃度 而其定義為 體積莫耳濃度 等於溶質莫耳數 除以溶液體積 體積莫耳濃度的符號如畫面所示 大寫M為註腳 公式可寫成畫面中的形式 濃度越大 代表每公升所含溶質莫耳數越多 體積莫耳濃度的單位為莫耳每公升 常簡寫為大寫M 舉例如畫面所示 例如 濃度1M代表每公升溶液中 含有1莫耳溶質 也就是含有6.02 乘以10的23次方個溶質粒子 若濃度增為2M 則每公升溶液中含有2莫耳溶質 也就是含有12.04 乘以10的23次方個溶質粒子 2.分壓 在「氣體」這個單元中 我們曾學過 理想氣體方程式與分壓的概念 若從理想氣體方程式PV等於nRT來推導 得出結果如畫面所示 推導過程中 先將V移到等號右側n下方 就變成體積莫耳濃度了 從公式中可知 當溫度固定時 各氣體分壓與其濃度有正比關係 也就是說 分壓越大代表氣體濃度越濃 每單位體積內所含氣體粒子數也越多 例如 在25度C環境下 1atm的純氧 換算成濃度計算過程如畫面所示 最終得出結果0.041M 若為1atm的空氣 其中約含氧氣百分之20 分壓為0.2atm 換算成濃度只有0.008M 此外 在「碰撞學說」單元中 曾經學過 化學反應的發生 需要參與反應的各粒子互相碰撞 若反應物濃度越濃 也就意味著在每單位體積內 能參與反應的粒子數越多 也就是說碰撞次數會越多 反應速率就可能更快囉！ 以鎂帶的燃燒為例 在1atm的純氧中燃燒 可能與其碰撞而發生反應的氧氣分子 數量可能是1atm空氣中的5倍 反應速率自然會快很多 燃燒現象明顯更為劇烈！ 畫面上可看到空氣中 除了氧氣分子之外 還有氮氣與其他氣體分子 在乾燥空氣中的水蒸氣 二氧化碳等其他氣體分子含量都極少 所以先把其他氣體分子忽略不畫 接著看「反應速率定律」 大多數化學反應的速率快慢 會與濃度有關 經由實驗可確定濃度如何影響反應速率 而濃度與反應速率的關係式就稱為「反應速率定律」 其表示如畫面所示 在這個式子裡 r是反應速率 k是速率常數 和為體積莫耳濃度 x和y稱為反應級數 如果r等於k乘以A濃度 乘以B濃度平方 則表示A濃度對反應速率為1次方的影響 也就是說 如果A濃度增為2倍 則反應速率也增為2倍 而B濃度對反應速率為2次方影響 意即如果B濃度增為2倍 則反應速率會增為4倍 在式子中 可稱A對反應速率的影響為1級 B為2級 全反應級數為3級 反應速率定律必須經由實驗測得 其級數與化學反應式中的係數並無直接相關 商店販售的食品 為了食品保鮮 有許多種方法 其中一種即為填充氮氣 將食品包裝時 在容器中填充氮氣 把氧氣的濃度降到百分之1以下 即可有效延長食品的保存期限 因為大部分食品變質 都是因為好氧微生物作用所致 若環境中的氧氣濃度低於百分之1 則能有效抑制好氧微生物的繁殖 在1100K時 氫氣和一氧化氮反應產生水蒸氣和氮氣 當改變氫氣、一氧化氮濃度時 測得氫氣的消耗速率如附表 請回答下列問題 1. 速率定律為何？ 2. 承上題 速率常數為何？ 3.反應的總級數為何？ 4.若氫氣、一氧化氮的初濃度 分別為2 M、5 M時 氮氣的生成速率為何？ 讓我們來總結一下這支影片的學習內容 體積莫耳濃度越大 代表每公升所含溶質莫耳數越多 當溫度固定時 分壓越大代表氣體濃度越濃 每單位體積內所含氣體粒子數也越多 若反應物濃度越濃 在每單位體積內 能參與反應的粒子數越多 碰撞次數越多 反應速率就可能更快 濃度與反應速率的關係式稱為「反應速率定律」 反應速率定律必須經由實驗測得 其級數與化學反應式中的係數並無直接相關 同學 關於濃度與壓力對反應速率的影響 你還能想到其他的例子嗎？ 歡迎留言與我們分享你的答案 我們下次見！