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道耳吞-原子說

速率定律與速率常數

反應速率與各反應物濃度(或分壓)之間的數學關係式稱為「速率定律」。速率定律必須由實驗數據推求。

一、定義:

反應速率與各反應物濃度(或分壓)間的數學關係式,稱為速率定律;速率定律需由實驗數據推求之。

  1. 一般式:對於反應 aA + bB → cC + dD,速率定律可寫成 r = k[A]m[B]n; 若以分壓表示(氣相),可寫成 r' = k'PAm PBn
速率常數單位與總反應級數(以濃度或分壓表示)
反應總級數 n 以濃度 (M) 表示的 k 單位 以分壓 (atm) 表示的 k′ 單位
0M·s−1atm·s−1
1s−1s−1
2M−1·s−1atm−1·s−1
3M−2·s−1atm−2·s−1
nM1−n·s−1atm1−n·s−1

二、表示法:

  1. 速率定律
    (1) r ∝ [A]x;(2) r ∝ [B]y;故 r = k[A]x[B]y。 氣相可寫 r' = k'PAmPBn
  2. m、n 稱為反應級數
    m、n 由實驗決定,與化學方程式係數不必相同;可為 0、正整數、分數或負數。m+n 為總級數;級數愈大,濃度(或分壓)對速率影響愈大。
  3. k、k′為速率常數:反應速率與濃度(分壓)關係式間的比例常數;受「反應物本性、溶劑種類、溫度、催化劑」影響;與「反應物濃度、壓力、反應熱 ΔH」無關。
常見反應與其速率定律(由實驗決定)
反應式速率定律
H2(g) + I2(g) → 2HI(g)r = k[H2][I2]
2HI(g) ⇌ H2(g) + I2(g)r = k[HI]2
2N2O5(g) → 4NO2(g) + O2(g)r = k[N2O5]
CH3CHO(g) ⇌ CH4(g) + CO(g)r = k[CH3CHO]3/2
BrO3 + 5Br + 6H+ → 3Br2 + 3H2Or = k[BrO3][Br]2[H+]2
H2O2 + I + 2H+ → I2 + 2H2Or = k[H2O2][I]

三、速率定律的推求

實驗數據(推求級數)
[NO] / M[H2] / M速率 / (M·s−1)
0.100.101.2×10−3
0.100.202.4×10−3
0.200.209.6×10−3
  1. 速率定律(以 2NO(g)+2H2(g)→N2(g)+2H2O(g) 為例)
    固定其中一物種濃度、只改變另一物種,觀察速率成倍關係:
    • [H2] 加倍,速率加倍 ⇒ 對 H2 為一次;
    • 在 [H2] 固定時,[NO] 加倍,速率變 4 倍 ⇒ 對 NO 為二次。
      r = k[H2][NO]2
  2. 速率常數
    代入任一列實驗:當 [NO]=[H2]=0.10 M、速率 = 1.2×10−3 M·s−1
    1.2×10−3 = k(0.10)(0.10)2,得 k = 1.2 M−2·s−1
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