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反应速率(Reaction Rate)

2020-06-22


反应速率(Reaction Rate)
反应速率是指化学反应发生快慢程度,直接观察的到的变化就是反应物减少或生成物增加的速度。例如:铁的氧化在一般的情形下很慢,通常需要经年累月,是一个「慢」反应;而丙酮在火焰中燃烧一瞬间就可燃烧完毕,是一个「快」反应。

研究反应速率的学问称为「化学动力学(Chemical kinetics)」,属于物理化学的一部份。化学动力学包含探讨反应条件,反应机构和反应过程模型的建立等基础核心知识,对于化学工程、酵素学及环境工程方面应用,具有很大的意义。

反应速率的定义(Formal Definition of Reaction Rate)
假设一个典型的化学反应如下:
aA + bB → pP + qQ

大写的A和B代表反应物,P和Q代表生成物;小写的a、b、p和q代表反应係数。

在一个密闭系统中体积不变的情形下,不考虑中间产物,反应速率r定义反应物消失的速度或产物生成的速度,方程式如下:
(式一)
反应速率(Reaction Rate)

反应速率恆为正值,反应速率的单位通常为Ms-1。考虑反应係数,式一修正为:
(式二)
反应速率(Reaction Rate)

t为反应时间。当t为一段(a period)时间时,得到的反应速率为「平均反应速率(average rate)」,如果t为一个特定时间,得到的反应速率为那个特定时间的「瞬时反应速率(instantaneous rate)」。

影响反应速率的因素(Factors Influencing Rate of Reaction)
反应速率受到很多因素影响,如参与反应的反应物数目、反应物的状态(固体小粒子的运动速率就比气体或溶液中的慢)、反应的複杂程度…等因素。以下简述常见的影响反应速率因素。

浓度:增加浓度会加快反应速率。根据碰撞学说反应的发生,第一步就是反应物分子必须产生碰撞,当反应物浓度增加则碰撞机率也会增加。

压力:只有包含气体反应物的反应会收到压力的影响,在凝相(Condensed phase)反应中,压力的因素影响不大。反应物的分压增加相当于增加气体反应物的浓度,因此反应速率加快。

温度:温度升高时,代表系统内的分子拥有较多的能量,分子的移动速度变快。根据碰撞理论,分子间要产生反应,除了分子要发生碰撞外,分子本身也需要具有足够的能量才能在碰撞的同时有键结的断裂与生成。所以温度的升高增加了更多的快速运动的粒子,虽然是提高了分子间的碰撞频率,真正影响反应速率的是增加了有效碰撞的次数。

溶剂:许多反应都在溶液的状态下进行,而溶剂的性质此时就会影响反应速率。溶液中的离子强度也对反应速率有所影响。

电磁辐射及光的强度:电磁辐射是一种能量的形式,藉由提供反应物高能量, 加快反应速率甚至引发反应进行。当光的强度增加,粒子吸收比较多的能量,反应速率增加。

催化剂:催化剂的存在可以藉由提供不同的反应途径以降低活化能增加反应速率(正反应及逆反应同时增加)。例如:白金可以在室温下催化氢与氧生成水。

同位素:相同的分子如果有不同的同位素时,将影响到反应速率。常见的氢的同位素就是例子,因为氢与氘的质量不同,粒子的运动速率将不同,键能也所不同。

表面积:于物体表面上进行的反应(如异相间的催化反应),表面积愈大反应速率愈快,这是因为更多的固体粒子暴露在反应物分子的碰撞下所造成的结果。

搅拌:异相间的反应利用搅拌可以很有效的提高反应速率。

参考资料:
1. WIKIPEDIA网站–Reaction Rate  http://en.wikipedia.org/wiki/Reaction_Rate
2. WIKIPEDIA网站—Chemical kinetics  http://en.wikipedia.org/wiki/Chemical_kinetics

相关名词:
反应速率常数、速率式、反应速率式、碰撞学说、化学动力学、反应级数。


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