反應速率

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)。

零級、一級與二級反應(Zero-Order、First-Order and Second-Order Reactions)與半衰期(Half-life)
國立三重高級中學化學科許余任老師/國立台灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

零級反應(Zero-Order Reactions)

零級反應的速率與反應物的濃度無關，增加反應物的濃度不會增進反應速率。零級反應的典型例子很多是催化分解反應。零級反應的速率定律式(Rate law)為

(式一)     \(\displaystyle r=-\frac{d[A]}{dt}=k\)

速率定律式 (Rate Law)與反應級數 (Rate order)
國立三重高級中學化學科許余任老師/國立臺灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

速率定律式(Rate Law)

化學反應的速率定律式(rate law)是以數學方式描述反應速率和溶液中反應物濃度關係的反應式。舉一般的反應為例，\(A+B\rightarrow C\)，反應速率式為時間的函數， 有兩種表示型式分別為「微分速率定律式（式一）」或「積分速率定律式（式二）」或：

\(\displaystyle r=-\frac{d[A]}{dt}\)（式一）

\( r=k[A]^m[B]^n\) （式二）

\([A]\) 與 \([B]\) 分別表示反應物 \(A\) 與反應物 \(B\) 的濃度（通常單位為M, 莫耳每公升），\(m\) 與 \(n\) 各為 \(A\) 與 \(B\) 的反應級數(rate order)，不過不一定等於平衡方程式中化學計量的係數；數值由實驗結果決定。\(k\) 稱為速率常數(rate constant)。\(k\) 值的大小要視反應當時的情況而定，像是溫度、離子強度、吸附劑的表面積大小或照光…等。

反應速率(Reaction Rate)
台北市立第一女子高級中學二禮3號婕,二禮 40號 鄭佳怡/台北市立第一女子高級中學化學科周芳妃老師修改/國立台灣師範大學化學系葉名倉教授責任編輯

對特定反應而言，反應速率(reaction rate)的定義是單位時間內反應物或產物生成的快慢。研究反應速率的理論屬於化學動力論(Chemical kinetics)，這些化學動力論的觀念用在許多領域，像是：化學工程學、酵素學、和環境工程學等。影響反應速率的因素很多：物質本性、溫度、濃度、壓力、固體顆粒總表面積、催化劑、溶劑種類、電磁波、同位素、試劑添加順序及攪拌等，分別簡介如下： (1) 物質本性 某些反應本質上就比其他來的迅速，舉例而言，在空氣中鐵的氧化，是長達數年的緩慢反應，但是丁烷的燃燒卻只需要數秒的時間。依據碰撞學說(collision theory)，活化能愈高的系統，其反應速率愈慢。 (2) 溫度 依據碰撞學說，通常在較高溫下進行反應，透過增加分子的碰撞，可以使反應速率提高。然而主要的原因，是因為碰撞的分子擁有比較高的能量，而導致有效碰撞的增加，也就是說原子間的化學鍵較易被打斷和生成。溫度的影響在阿瑞尼士方程式(Arrhenius equation)裡有被提及，一般而言，溫度每上升10℃，反應速率會增為2~3倍。 (3) 濃度、壓力及固體顆粒總表面積。