反應速率 / 子課題
化學反應的速率
Rate of Chemical Reaction
追蹤反應進度的4種方法、平均速率、瞬間速率及初速
核心考點 (Knowledge Groups)
1. 追蹤反應進度的方法
考評提示：依反應物/生成物性質選擇合適方法
- 方法一：滴定分析——於不同時間取出樣本驟冷或加試劑終止反應，再以酸鹼或氧化還原滴定定量分析；適用於酯水解、KMnO₄/C₂O₄²⁻ 反應。
- 方法二：量度氣體體積或壓強變化——若反應有氣體生成或消耗，用氣體針筒或壓力感應器記錄；適用於 CaCO₃ + HCl、Mg + HCl、H₂O₂ 分解。
- 方法三：量度反應混合物質量變化——若產生氣體逸出，於電子天平上記錄質量減少；適用於碳酸鹽與酸的反應。
- 方法四：量度顏色深度變化——若反應物或生成物有顏色，用分光光度計量度吸光度；適用於 MnO₄⁻ 褪色、溴水褪色、Na₂S₂O₃ + HCl 混濁度。
2. 速率的定量描述
考評提示：平均速率 vs 瞬間速率；初速為 t=0 的瞬間速率
- 平均速率 = Δ(濃度或體積) / Δt = 兩時間點間的變化量除以時間差；代表一段時間內的平均速率。
- 瞬間速率：在特定時間 t 的速率，等於濃度-時間圖上該點切線的斜率。
- 初速 (initial rate)：時間 t=0 時的瞬間速率，為反應物濃度最高時之速率，最能反映反應內在速度而免受產物影響。
- 反應進行時速率通常下降（反應物消耗、濃度降低）；反應完成後速率為零（曲線趨於水平）。
常見題型 · scoring points
選擇追蹤反應進度的合適方法並解釋：(a) 酯鹼水解 (b) CaCO₃ + 稀 HCl (c) KMnO₄ + C₂O₄²⁻
- (a) 酯鹼水解：滴定分析。取樣驟冷後用標準 HCl 滴定剩餘的 OH⁻，求出各時間點 OH⁻ 濃度。
- (b) CaCO₃ + 稀 HCl：量度 CO₂ 體積（氣體針筒）或反應混合物質量變化（天平上燒杯）。
- (c) KMnO₄ + C₂O₄²⁻：量度顏色深度變化。紫色 MnO₄⁻ 變無色 Mn²⁺，可用分光光度計量度吸光度。
- 選擇原則：依據反應物或生成物的性質——是否有氣體、顏色變化或可滴定的物質。
解釋平均速率與瞬間速率的差異並以圖表說明
- 平均速率：一段時間內的平均反應速率，= Δ(反應物或生成物濃度)／Δt。
- 瞬間速率：某特定時間 t 的速率，等於濃度-時間曲線上該點切線的斜率。
- 兩者關係：平均速率等於割線的斜率；瞬間速率等於切線斜率。時間間隔越短，割線越接近切線，平均速率越接近瞬間速率。
- 例：若反應物濃度由 0–10 秒從 1.0 降至 0.6 mol/dm³，平均速率 = 0.04 mol dm⁻³ s⁻¹；但 t=0 時切線較陡，瞬間速率較大。
認識初速 (initial rate) 的意義及其重要性
- 定義：初速為時間 t = 0 時的瞬間速率，即反應剛開始、未有顯著反應物消耗時的速率。
- 重要性：反應物濃度為最高、未受產物干擾，最能反映反應內在速度。
- 求法：在濃度-時間圖上於 t=0 點畫切線，量其斜率；或用小時間間隔的平均速率逼近。
- 應用：初速法常用於研究濃度對反應速率的定量影響（探究速率方程）。
解釋反應進度圖為何通常呈現「先快後慢」的曲線
- 反應開始時反應物濃度最高，粒子間碰撞頻率最大，反應速率最快（曲線陡峭）。
- 隨反應進行反應物被消耗，濃度下降，有效碰撞頻率降低，速率下降（曲線變緩）。
- 最終反應物耗盡或達平衡，濃度不再變化，曲線趨於水平（速率為零）。
- 數學關係：若反應對反應物呈一階，速率 ∝ [A]，[A] 隨時間指數衰減。
設計用氣體針筒量度 Mg + 稀 HCl 反應速率的實驗
- 器材：圓底燒瓶、橡膠塞、氣體針筒（100 cm³）、秒錶、電子天平、量筒。
- 步驟：量取 0.10 g Mg 條放入燒瓶；加入 50 cm³ 1.0 M HCl 後立即塞緊並啟動秒錶。
- 每 15 秒記錄一次 H₂ 體積；直至反應停止或 Mg 完全溶解。
- 繪製 V(H₂) 對 t 之圖；斜率代表瞬間速率；於 t=0 畫切線求初速。
解釋量度混合物質量變化如何追蹤 CaCO₃ + HCl 的反應
- 原理：反應生成 CO₂ 逸出至空氣中，反應混合物質量隨時間減少。
- 裝置：錐形瓶上蓋棉花（阻止酸霧逸出但容許 CO₂ 通過）放於電子天平上。
- 程序：每 30 秒記錄質量；計算 Δm = m(初始) − m(當時)，對時間作圖。
- 優點：儀器簡單、數據連續；缺點：CO₂ 質量較小、誤差較大；需用較高濃度／較多反應物提高精度。
比較 Na₂S₂O₃ + HCl 反應中「開始時間」與「混濁時間」兩種計時方法
- 反應：Na₂S₂O₃ + 2HCl → 2NaCl + SO₂ + S + H₂O，生成黃色硫沉澱使溶液變混濁。
- 「混濁時間」法：於燒杯下放置寫有「×」號的紙，記錄從加酸至 × 號消失的時間 t；1/t 與平均速率成正比。
- 「開始時間」法：記錄剛混合的 t=0 為計時起點，不易定義何時為反應完成。
- 結論：混濁時間法簡單直觀、可比較不同條件下的相對速率；但受觀察者主觀判斷影響，宜用相同觀察者及光源。
從濃度-時間圖推算 t=30 s 的瞬間速率及 0–60 s 的平均速率
- 瞬間速率：於 t=30 s 點畫濃度-時間曲線的切線，量切線斜率 = −Δ[A]/Δt，斜率絕對值即瞬間速率。
- 例：切線於 20–40 s 間由 0.8 降至 0.4 mol/dm³，瞬間速率 = 0.4 / 20 = 0.02 mol dm⁻³ s⁻¹。
- 平均速率：= [Δ(反應物)]/Δt 取 t=0 與 t=60 兩點的濃度差。
- 例：t=0 [A]=1.0 mol/dm³，t=60 [A]=0.3 mol/dm³，平均速率 = 0.7/60 ≈ 0.012 mol dm⁻³ s⁻¹。
反應速率 其他子課題
關於本文：由 DSE 神器團隊整理，資料以香港考試及評核局（HKEAA）最新公佈為準，含歷屆考評建議引用。最後更新：2026 年 4 月。想隨時隨地溫習？下載 DSE 化學神器 App。
