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
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核心考點
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：若有顏色變化，可用比色計量度顏色深度，例如紫色 MnO₄⁻ 或溴水褪色。Na₂S₂O₃ 與 HCl 生成硫沉澱的混濁反應可用固定可見度終點所需時間比較相對速率；混濁不等同有色物質的濃度。
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
- 平均形成速率 = Δ[生成物]/Δt；平均消耗速率 = −Δ[反應物]/Δt。若量度氣體體積增加，形成速率可用 ΔV/Δt 表示；先看清縱軸及單位。若要比較按整條方程定義的反應速率，須另考慮化學計量係數。
- 瞬間形成或消耗速率由指定時間的切線求得。生成物增加的圖用正斜率；反應物減少的圖用負斜率的相反數，所得形成／消耗速率為正值。
- 初速是反應剛開始（t = 0）的瞬間速率。量度初速時，反應物尚未有顯著消耗，可在控制其他條件下比較不同起始濃度的影響。初速不一定是整個反應過程的最高速率。
- 反應物消耗、濃度下降時，速率通常減慢。若曲線變平，表示所量度的物種已無淨變化；可能是反應停止，也可能是達動態平衡，後者的正逆反應仍繼續。
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⁻：在酸性條件下，紫色 MnO₄⁻ 被還原為淡粉紅色的 Mn²⁺（稀溶液近乎無色）。量度紫色逐漸變淡的顏色深度，例如用比色計追蹤反應進度。
- 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
- 平均速率用一段時間的濃度變化量除以時間差；生成物用 Δ[P]/Δt，反應物消耗用 −Δ[A]/Δt。
- 瞬間速率由指定時間的切線求得；同樣按生成物增加或反應物減少決定符號。
- 平均速率對應割線，瞬間速率對應切線；時間間隔縮短時，割線斜率趨近切線斜率。
- 例如 [A] 由 1.0 降至 0.6 mol dm⁻³，歷時 10 s，平均消耗速率為 (1.0 − 0.6)/10 = 0.04 mol dm⁻³ s⁻¹。初速大小須按 t = 0 的切線判斷。
認識初速 (initial rate) 的意義及其重要性
- 初速是時間 t = 0 時的瞬間速率，即反應剛開始時的速率。
- 此時反應物未有顯著消耗，便於在控制溫度等條件下比較起始濃度的影響；初速不一定是全程最高速率。
- 在 t = 0 畫切線：生成物增加的曲線取正斜率，反應物減少的曲線取負斜率的相反數；亦可用很短時間的平均速率近似。
- 初速法可用於研究濃度與速率的關係；選修工業化學進一步用實驗數據求速率方程。
解釋反應進度圖為何通常呈現「先快後慢」的曲線
- 在溫度等條件固定、速率隨反應物濃度增加的反應中，開始時濃度較高，反應通常較快。
- 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）。
- 若限量反應物用盡，該反應可停止；若達動態平衡，正逆反應仍進行但淨變化為零。兩種情況都可使濃度曲線變平。
- 先看清縱軸代表反應物、生成物或其他量，再用適當的切線斜率與單位描述速率；不用由曲線外形假定反應級數。
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。
說明 Na₂S₂O₃ 與 HCl 的十字消失法如何定義計時起點、終點及相對速率
- 反應：Na₂S₂O₃ + 2HCl → 2NaCl + SO₂ + S + H₂O；硫沉澱使溶液變混濁。
- 混合時啟動秒錶，是計時的起點；記錄底下的 × 剛不能看見時為固定可見度終點。起點與終點不是兩種互相取代的速率方法。
- 保持總體積、液體深度、容器、光線、觀察方式及溫度一致，可用 1/t 比較達同一終點的相對速率。
- 1/t 不是反應物濃度消耗的初速；終點亦不代表反應物全部用盡。
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
- 以反應物 A 的消耗速率計：在 t=30 s 處畫 [A]–時間曲線的切線。切線斜率 = Δ[A]/Δt，為負值；瞬間消耗速率 = −斜率，即斜率的絕對值。
- 例：切線於 20–40 s 間由 0.8 降至 0.4 mol/dm³，斜率 = (0.4 − 0.8)/20 = −0.02 mol dm⁻³ s⁻¹，瞬間消耗速率為 0.02 mol dm⁻³ s⁻¹。
- 0–60 s 的平均消耗速率 = −Δ[A]/Δt = ([A]₀ − [A]₆₀)/60；使用曲線上兩端的實際濃度。
- 例：t=0 時 [A]=1.0 mol/dm³，t=60 s 時 [A]=0.3 mol/dm³，平均消耗速率 = (1.0 − 0.3)/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。