單元柒:反應速率與化學平衡

一、 反應速率的定義

1.為表達化學反應的快慢程度,可用化學反應速率來描述。它的定義為:單位時間內,反應物的消耗量或生成物的增加量 通常上述變化量是指濃度】、【質量壓力的變化。

2.化學反應速率常使用的單位為公克/秒、毫升/(g/sml/s )

3.通常觀察化學反應速率,會選擇反應中明顯易觀察測量的物質為標的,例如:有顏色的反應物或生成物,反應所產生的氣泡…等物質。

4.以蠟燭的燃燒為例:欲描述蠟燭燃燒的速率,以每一秒內蠟燭消耗的質量來表示反應速率的快慢,單位是公克/秒。

5.例如:硫代硫酸鈉溶液與鹽酸的反應,通常是以生成物黃色的硫做為觀察化學反應速率的物質,會比觀察無色的硫代硫酸鈉溶液或鹽酸質量變化來得容易許多。

 

二、 碰撞學說

1.所謂化學反應即參與反應分子中的原子重新組合產生新的化合物。欲發生化學反應,反應粒子必須互相碰撞,但碰撞結果不一定發生反應,須為有效碰撞。粒子有效碰撞條件有下列兩項:

(1)碰撞能量:參與化學反應的各種粒子的【動能】,必須大於反應所需最低的能量才能產生有效碰撞。

(2)碰撞位向:粒子的【位向】適當才會發生有效的碰撞

2.例如:蠟燭是可燃物,氧氣是助燃物,但置於空氣中的蠟燭雖然與氧氣分子發生碰撞卻不會起火燃燒,是因為這些碰撞是能量不足的碰撞,必須為蠟燭點火加溫達到燃點,使蠟燭分子和氧氣分子有足夠的能量,兩者才能發有效碰撞而起火燃燒。

3.可逆反應的特性:假設正反應速率為R,逆反應速率為R,如圖一所示:當化學反應達成平衡時,正、逆反應速率相等,亦即反應速率並未停止,惟反應速率的快慢並不再隨著時間而改變。

 

三、 影響反應速率的因素

1.影響反應速率的因素有下列五項:反應物的活性反應時溫度反應物濃度接觸面積催化劑

2.反應物的活性:反應速率與物質本身的性質有關,活性愈【】的元素,反應速率愈快例如:鈉與氧的作用遠較銅為劇烈,因為鈉金屬的氧化活性大於銅金屬,這是物質本身就具有的特性。

3.反應時溫度:溫度愈【】,反應速率愈快例如:炎炎夏日食物較易腐敗,因為溫度決定物質粒子的能量,溫度愈高則發生有效碰撞的機會就愈高。

(1)在高溫時,粒子具有較【】的動能,碰撞時,有效碰撞次數增加,故反應速率加快。

(2)在化學實驗上,為使反應能在短時間內完成,常用【加熱】的方法使溫度升高,促使反應速率加快。

(3)硫代硫酸鈉與鹽酸的反應:反應式:

Na2S2O3 + 2HCl 2NaCl + SO2 + H2O + S(黃色)

(4)兩反應物溶液濃度一定下,溫度愈高,【黃色】的【】沉澱達一定量時,
所需的時間愈【
】,反應速率愈【】。(如圖二)。

4.反應物濃度:濃度愈【】,反應速率愈快

(1)例如:鐵在純氧中生鏽較在空氣中為快,因為空氣所含氧氣濃度較小。

(2)反應物的濃度愈大,則反應物粒子間的碰撞次數必定愈多,所以反應速率愈快

5.接觸面積:顆粒愈【】,接觸面積愈【反應速率愈快,且反應速率與接觸面積大小成正比例如:烤肉生火時常將木炭敲碎再燒。

(1)反應物的顆粒愈細,其總表面積愈大,則反應物粒子間的碰撞次數必愈多,故其反應速率愈快

(2)碳酸鈣與鹽酸的反應:
反應式:CaCO3 +2HCl → CaCl2 +CO2+H2O

(3)鹽酸濃度一定下,定量貝殼敲得愈細,接觸面積反應速率愈快。若定量貝殼在顆粒大小大約一定下,鹽酸濃度愈【】,則反應速率愈快

6.催化劑:本身曾經參加化學反應,但反應完成時又恢復原狀,而改變其他物質化學反應速率的物質,又叫觸媒。有催化劑,會改變反應速率。例如:雙氧水在觸及二氧化錳時大量冒泡。

(1)在化學反應中,催化劑既【不是反應物】,也【不是生成物】,但可改變化學反應速率的物質,而反應後,【質量】和本質都沒改變。

(2)雙氧水與二氧化錳反應式

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二氧化錳用作【催化劑】,反應後質量不變。可加速氧氣的製得,但不能增加氧氣的產量。

(3)生物體內的催化劑稱為酶或酵素。

 

四、 化學平衡

()可逆反應:

1.有些化學反應,除了可以向化學反應式的右邊進行反應(正反應),同時也可以向化學反應式的左邊進行反應(逆反應),這種反應稱為可逆反應。以「箭頭」表示可逆反應

2.可逆反應:凡是可正、逆兩方向進行的反應,稱為可逆反應。
AB  箭頭 XY
向右(→)表示正反應,向左(←)表示逆反應。

3.例如:酯化反應即為一可逆的化學反應,其反應式為:

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4.化學平衡:在可逆反應中,當【正反應反應速率=逆反應反應速率】,即代表該反應已達成化學平衡狀態。(如圖二)

註:R表示正反應反應速率;R表示逆反應反應速率。

(1)達化學平衡狀態時,在微觀上,化學反應仍進行中,為一種【動態平衡】;在巨觀上,反應物及生成物同時存在系統中,且各物質的濃度、質量不會再隨時間而改變。

(2)化學平衡條件須在【溫度均一】的【密閉系統】中。

 

五、 影響化學平的因素

()勒沙特列原理:

1.在平衡系統中加入某影響速率的因素,使平衡受到破壞,正、逆反應速率不相等,會使平衡產生移動。這些影響因素有【濃度】、【溫度】、【壓力】。

2.勒沙特列原理:對於一個已經達成平衡的系統加入一些因素(如上述第1點),則這些因素會破壞反應平衡而使某一方向(正或逆反應)的反應速率加速,而此一反應速率的加速以抵消外來因素為原則,此種關係稱為:勒沙特列原理。

3.例如

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的反應中,加入濃硫酸時,由於濃硫酸有脫水性,會使生成物中的H2O量減少,則反應速率會向有利於水的生成的反應方向加速,即向右(正反應速率)加速率。

4.承上第3點;加入濃硫酸會使反應向右加速,這會增加水的產量,但同時也增加了酯類,因此在酯化反應中加入濃硫酸有助於酯類的生成。

()改變反應速率的實例:

1.濃度對平衡的影響:

(1)增加反應物或減少生成物的濃度,平衡向右方向移動。
例:
AB雙向向量CD
   
[A] ­瞬間,正反應速率加大、逆反應速率不變,平衡向右移動。

(2)可逆反應鉻酸鉀和二鉻酸鉀的平衡:
減少反應物或增加生成物的濃度,平衡向左方向移動。
例: 
AB雙向向量CD
[A] ¯瞬間,正反應速率下降、逆反應速率不變,平衡向左移動。。

(3)鉻酸鉀與硫酸的反應:
鉻酸鉀+硫酸 雙向向量 二鉻酸鉀+硫酸鉀+水
(黃色)        (橘紅色)

(4)上述離子反應式為:
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(5)說明:在黃色的鉻酸鉀溶液中,若加入【硫酸】溶液,則反應平衡會向【】移動,水溶液的顏色會從黃色變成【橘紅色】。

(6)若在橘紅色的二鉻酸鉀溶液中,加入【氫氧化納】鹼液,硫酸的濃度會降低(酸鹼中和),平衡會向【】移動,溶液從橘紅色變成【黃色】。

2.溴水的反應:(溴分子Br2的水溶液為紅棕色)
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(1)在溴水中若加入酸性溶液,則反應式中的OH會因酸鹼中和而減少,故反應方向會向補充OH的方向加速率,即正反應速率會加速,水溶液顏色會由紅棕色變為無色

(2)承上敘述,若在反應中加入鹼性溶液,反應式中的OH會增加,則反應方向會向消耗OH的方向加速率,即逆反應速率會加速,水溶液的顏色會由無色變為紅棕色

3.溫度對平衡的影響:

(1)溫度降低,有利於放熱反應。

(2)溫度升高,有利於吸熱反應。

(3)可逆反應的實例:二氧化氮和四氧化二氮反應的平衡。

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(4)說明:加熱使【溫度上升】,有利於四氧化二氮分解成二氧化氮,顏色變成【紅棕色】;反之,若【溫度下降】,有利於二氧化氮化合成四氧化二氮,顏色變成【無色】。

4.壓力對平衡的影響:
縮小容器體積各氣體壓力增加,平衡由氣體莫耳數較多的一方往氣體莫耳數較少的一方移動

(1)擴大容器體積各氣體壓力降低,平衡由氣體莫耳數較少的一方往氣體莫耳數較多的一方移動

(2)可逆反應:氨氣製備的平衡。

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(3)說明:當【容器體積縮小】時,反應中各氣體濃度(氣體壓力)上升,則反應平衡會向【】移動(即向右的正反應速率會加速)

 

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