化學·重點筆記與兩個例題

DSE Chem 反應速率|實驗、曲線與答題方法

必修 IX:選擇反應進度測量方法、讀初速/平均/瞬間速率,定性解釋濃度、溫度及表面面積。選修 XIII 另連繫初速法、活化能、Maxwell–Boltzmann 分佈及催化作用。

化學:DSE Chem 反應速率|實驗、曲線與答題方法主題插畫
目錄
  1. 1.必修 IX:測量、讀圖與定性解釋
  2. 2.把測量方法配對到反應
  3. 3.三種速率,先看座標軸
  4. 4.用碰撞理論說明原因
  5. 5.選修 XIII:初速法、活化能與催化作用
  6. 6.答題用完整意思,按題目選內容
  7. 7.兩個例題
  8. 8.練習順序
  9. 9.連繫課題與來源
DSE Chem 反應速率

做速率題,先看你量度甚麼,再把「曲線怎樣變」連到粒子層面的原因。濃度、溫度和表面面積影響的環節不同;只寫「反應快了」未能交代原因。

必修 IX:測量、讀圖與定性解釋

必修課題要求選擇並論證跟隨反應進度的方法,由合適曲線找出平均及瞬間速率,認識初速是 t = 0 的瞬間速率,並定性解釋濃度、溫度和表面面積的影響;也要認識催化劑在工業及生物體系的作用。

把測量方法配對到反應

方法適用情況與注意點
氣體體積/壓力反應有氣體生成或消耗;例如 CaCO₃ 與稀 HCl 反應,可用氣體針筒收集 CO₂。裝置要氣密,並控制溫度。
質量變化氣體能逸出時,量度混合物質量隨時間下降;質量下降量與逸出氣體有關。
顏色深度反應物或生成物有色時,可跟隨顏色深度;其他會影響顏色讀數的條件須一致。
定時取樣與滴定取樣後先用合適方法驟停反應,再滴定測剩餘反應物;取樣不能讓反應在測量期間繼續改變。
混濁程度Na₂S₂O₃ 與稀 HCl 生成硫。相同容器、總體積、光線和觀察標準下,以十字剛消失所需時間比較相對速率。

三種速率,先看座標軸

  • 平均速率:在兩個時刻之間,以實際數值變化除以時間間隔。
  • 瞬間速率:在指定時刻畫切線,量斜率。
  • 初速:在 t = 0 的實際曲線起點畫切線。它是否最大,要由曲線及反應條件判斷。

若縱軸是反應物濃度,曲線下降,消耗速率取斜率的絕對值;若縱軸是生成氣體體積,生成速率通常對應正斜率。平台代表該量沒有再淨改變,不能省略反應、收集方式及縱軸的判斷。

用碰撞理論說明原因

改變定性推理
增加濃度單位體積內反應物粒子較多,碰撞較頻繁,有效碰撞增加,速率加快。
升高溫度粒子平均動能增加,運動較快,碰撞較頻繁;較多粒子具足夠能量引起反應,有效碰撞增加。
增加固體表面面積更多固體粒子暴露於接觸面,可與另一反應物碰撞,速率加快。比較時保持固體質量及其他條件一致。
加入催化劑反應加快,催化劑在反應前後質量及化學性質不變;比較實驗時保持反應物量、溫度等條件一致。深入的活化能解釋見選修 XIII。

溫度實驗應由數據判斷趨勢,不能假定每升高 10°C 必定加倍。壓力對速率的常見討論涉及氣態反應物濃度,不能把這個解釋直接套到一般溶液反應。

選修 XIII:初速法、活化能與催化作用

修讀工業化學時,要由實驗初速判定速率方程、反應級數及濃度的關係,並利用能量圖、Maxwell–Boltzmann 分佈及 Arrhenius 方程處理溫度和活化能。初速法比較時,須選擇只改變一種反應物濃度、其餘條件相同的實驗。級數由數據決定,不能從總反應方程式的係數直接讀出。

催化劑提供活化能較低的另一反應途徑。在相同溫度下,粒子的能量分佈不因加入催化劑而改變;改變的是途徑所需的能量門檻。催化劑不改變反應的焓變,也不改變平衡位置,只令體系較快到達平衡。

選修 XIII:同一粒子數,T₂ > T₁粒子的動能 / Kinetic energy粒子數 / Number of particlesT₁(較低)T₂(較高):峰較低、分佈較闊Eₐ門檻右方:具足夠能量的粒子有效碰撞亦須方向合適
選修 XIII 的能量分佈示意:相同粒子數下,曲線下面積相同;較高溫的峰較低,分佈較闊,具足夠能量的粒子比例較大。必修 IX 先用碰撞理論作定性解釋。

答題用完整意思,按題目選內容

有效碰撞要有足夠能量及合適方向;催化劑的說明要連到反應加快及本身在反應前後不變。選修題問能量分佈,才把門檻及粒子比例連到有效碰撞。每題應按所問部分回答,不把一套固定句式當作全部題目的配分表。

兩個例題

例題 1:選修 XIII · 催化 H₂O₂ 分解

題目:加入 MnO₂ 到 H₂O₂(aq),用 Maxwell-Boltzmann 分布解釋點解反應加快。

參考推理:MnO₂ 提供活化能較低的另一反應途徑。在相同溫度、同一能量分佈下,較低的門檻令較多粒子具足夠能量,因而有效碰撞較頻繁,反應加快;MnO₂ 本身不被消耗。不要畫成催化劑把能量分佈曲線改成高溫曲線。

例題 2:十字消失時間與相對速率

題目:用不同濃度 Na₂S₂O₃ + HCl,記錄「十字消失時間 t」。解釋 1/t 點解可以代表 rate,並預測 [Na₂S₂O₃] 加倍時 t 嘅變化。

參考推理:相同觀察條件下,十字消失代表約相同的混濁程度,因此達到這個終點的時間越短,反應越快,可用 1/t 比較相對速率。只有終點前消耗少量反應物時,這個量才可近似反映初速。較高濃度通常令 t 縮短,但單憑題前文字不能算出縮短多少;若實驗初速數據支持濃度與速率成正比,濃度加倍才可推得 t 約減半。

練習順序

先在反應速率教材核對測量量與座標軸,再練用一句粒子層面原因解釋曲線差別。修讀工業化學時,再把初速實驗數據連到速率方程與能量圖。

化學平衡連到正逆反應速率;工業化學處理催化、活化能及工業條件的取捨。課程依據見EDB 化學課程及評估指引 IX 及 XIII。