溫度對反應速率的影響

溫度對反應速率的影響 (The Effect of Temperature on Reaction Rate)
國立林口高級中學化學科林明祥老師/國立臺灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

東西吃不完怎辦？放到冰箱去避免食物腐敗；鎂帶放到加了酚酞的熱水裡，一下子鎂帶就冒泡且溶液變成桃紅色。兩者表面上看起來是完全沒有關係的事，實際上他們卻傳達了一個相同的概念：溫度影響了反應速率。十九世紀末瑞典化學家阿瑞尼士(Svante Arrhenius, 1859-1927)探討溫度與反應速率的關係，發現速率常數k(rate constant)的自然對數和絕對溫度T的倒數呈正比，又稱為「阿瑞尼士行為 (Arrhenius behavior)」。

ln k = b (1/T) + a   (a, b 常數)
上式積分得k=

A為頻率因子(frequency factor)和碰撞頻率與位相有關；Ea為反應活化能(activation energy)。

反應活化能，大家比較熟悉，「頻率因子」可能瞭解的人就不多了。要解釋頻率因子就必須先瞭解化學反應是如何發生的。化學反應的發生來自於分子之間的原子重組，有化學鍵的斷裂與生成；兩個分子之間要發生反應必須先發生碰撞，這就是「碰撞學說(collision theory)」的濫觴。根據碰撞學說(collision theory)，反應的發生來自於反應分子間產生有效碰撞，有效碰撞必須符合兩大必要條件：能量足夠及位相(Orientation)正確。因此反應速率與有效碰撞頻率成正比，只要能提升有效碰撞頻率，也就能加速反應速率。頻率因子即是考慮了分子間的有效碰撞參數，包含了(1) 碰撞頻率、(2) 位相因素、(3) 分子擁有足夠能量的碰撞比率（即分子能量E > Ea）。

根據生活經驗大家都知道溫度上升會加速反應的進行，但是溫度的改變是如何影響反應速率呢？最直覺的想法是：溫度上升使分子運動速度加快，造成分子碰撞頻率增加，所以反應速率加快。用個例子來檢驗一下這個假設的對錯；參考書和老師說常溫附近溫度每增加10℃時反應速率會加倍。首先，我們考慮溫度對「碰撞頻率」的影響。當溫度上升時，粒子的運動速率會變快。例如溫度由25℃上升至35℃時，根據分子動能和溫度的關係，

得知當粒子的的溫度由25℃上升至35℃其運動速率增加約2%，又粒子運動速率與碰撞頻率成正比，所以碰撞頻率也增加約 2 %。對照前面提到室溫附近(25℃)反應速率上升10℃ 反應速率增倍的經驗而言，顯示溫度上升、粒子動能增加、碰撞頻率增加絕對不是影響反應速率的主因。究竟溫度上升，什麼才是使反應速率增快的主因呢？碰撞學說告訴我們：反應的發生來自於反應分子間產生有效碰撞，即能量足夠的分子以對的方位互撞才能反應。所以真正影響反應速率的是溫度上升讓帶有足夠能量的分子增加了，足夠的能量即是超過反應活化能的能量。

回到「參考書和老師說常溫附近溫度每增加10℃時反應速率會加倍」，這個觀察是不是適用於所有的反應。已知

k=Ae^-Ea/RT   或

故

若反應溫度由25℃升高為35℃，某反應的反應速率增為2倍，代入以上關係式：

因此我們可推論「溫度每增加10℃，反應速率增加2倍」只適用於常溫附近，且活化能約50(KJ/mol)的反應。

參考資料
1. 曾國輝，《化學（上冊）第二版》，藝軒圖書出版社，第468-470頁，2001年1月。
2. 陳秋炳等人，《高中化學（下）教師手冊》，翰林出版社，第11頁，2010年再版。
3. P.W. Atkins，《Physical Chemistry》Fifth edition，OXFORD，p877-p878，1994。