你是否注意過在炎熱的夏天時 擺在常溫環境中的食物很容易酸敗 為了避免食物壞掉 通常會盡快把剩下的食物收到冰箱裡 為什麼放進冰箱裡的食物 就比較不會壞掉呢？ 還有 參加演唱會的時候 常會使用螢光棒來增加氣氛 你是否注意到夏天的螢光棒似乎亮度比較高 但發光的時間較短 冬天的螢光棒雖然亮度稍低一點 可是能夠發光的時間似乎比較長？ 以上談到的都是 溫度影響化學反應速率的例子 但當溫度發生改變時 是如何影響化學反應速率呢？ 為了更進一步了解 我們可以從碰撞學說談起 在碰撞學說中我們知道 反應的發生一定要經由物質粒子間的碰撞後才會進行 但粒子間即使發生碰撞 並不代表就一定會發生反應 主要是因為碰撞時必須要同時考慮 是否有「正確的位向」以及「足夠的能量」兩項因素 當兩者兼具時 所發生的碰撞稱為「有效碰撞」 才會引發化學反應 當溫度發生變化 表示能量也發生改變 當溫度提高 我們可以觀察到反應速率確實明顯的上升 科學家們經過研究後發現 對於活化能約為每莫耳50千焦耳的化學反應 在室溫附近的溫度下 溫度每上升10度C 反應速率大約會變為2倍 想想看 這是為什麼呢？ 首先 我們知道粒子的平均動能與絕對溫度呈正比 而「動能增加」在化學反應中代表了兩個意義 分別是「粒子能量較高」以及「粒子運動速率較快」 究竟哪個因素對反應速率的影響較為顯著呢？ 從研究結果可以知道 當系統的溫度上升時 具有高動能的反應物粒子數目會增加 這代表超過低限能的粒子數量也會隨之增加 所以有效碰撞的分率提高 使得反應速率變快 但是 儘管動能提高也會造成粒子的運動速率變快 導致粒子間的碰撞頻率增加 但增加的幅度較不顯著 換句話說 碰撞頻率增加並不是導致反應速率變快的主要原因 超越低限能的分子數目比例顯著提高 才是反應速率加快的主要因素 那什麼是低限能呢？ 低限能是指如果要使化學反應發生 粒子至少應具有的最低動能 也就是恰好可越過反應活化能的動能 當粒子的動能大於低限能時 只要碰撞位向正確 就可引發化學反應 因此當溫度升高 超越低限能的粒子數目會顯著增加 就會導致反應速率加快 那活化能的大小 是否會造成當溫度升高時 反應速率增加的量值不同呢？ 首先我們假設一特定的化學反應 其反應方向與能量的關係圖如畫面所示 由圖可以知道 正反應方向為放熱反應 逆反應方向則為吸熱反應 也就是正反應的活化能比較低 而逆反應的活化能比較高 這同時也表示逆反應的低限能也會比較大 由粒子動能分布曲線來看 當溫度升高 對於低限能較大的逆反應來說 超越低限能的粒子數量增加的比例較大 也代表逆反應速率增加的幅度較為明顯 反過來說 對於低限能較小的正反應而言 原本超過低限能的粒子數量就很多了 倘若溫度升高 此時超越低限能的粒子數量增大的比例較不顯著 所以正反應速率提高的幅度也會比較小 所以我們可以下個結論 不論是吸熱反應或是放熱反應 當溫度增加時 反應速率都一定會上升 但溫度對於活化能較高的反應來說 影響會較為顯著 由前面的內容我們可以瞭解 溫度的改變是如何影響反應速率 如果以速率定律式的觀點來看 我們應該在哪一項中表示溫度對反應速率的影響呢？ 沒錯！就是速率常數k 也就是溫度會造成速率常數k的改變 如同前面所提 經由研究可以知道 對於活化能約為每莫耳50千焦耳的反應 且反應溫度接近常溫附近時 若溫度每上升10度C 反應速率大約會變為原本的兩倍 也就是說 速率常數k也變為原本的兩倍 碰撞學說可用以說明溫度升高 反應速率加快 下列敘述哪些正確？ 讓我們再回頭想想影片開頭所提及的問題 為什麼夏天時食物較容易酸敗 必須要放冰箱保存呢？ 因為夏天的平均溫度較高 不只會使化學反應速率較快 連微生物滋生的速率也會增加 所以利用冰箱低溫的環境 不僅使化學反應的速率變慢 也同時減緩微生物繁殖的速率 所以降低溫度可以減緩食物酸敗 但是冰箱並不是萬能的 食物放置在冰箱太久 還是會有變質的風險 所以不論夏天還是冬天 美味的食物還是要趁新鮮享用才是 至於螢光棒也是一樣 螢光棒發光是利用化學反應發生 將化學能以光能的方式釋放出來 所以溫度較高時 化學反應速率快 在短時間內會釋放出較多的能量 因此螢光棒會顯得比較亮 相對來說 在冬天時 由於平均氣溫較低 所以反應速率慢 造成螢光棒的亮度較低 但是可以持續發光的時間就會比較長 這也是為什麼許多反應性較高的化學藥品 會保存在冰箱較低溫的環境裡 這也可以避免化學藥品的變質喔 最後我們再整理一下溫度如何影響反應速率 會受溫度影響的包含粒子的平均動能 粒子的動能分布曲線 超越低限能的粒子數量 有效碰撞的頻率 反應速率 速率常數以及反應熱 而不受溫度影響的則有活化能的大小 低限能的大小以及化學反應途徑 同學們 這一個單元 你是否都學會了呢？ 歡迎在影片下方留言區告訴我們你的心得 我們下次見