高中化學_選修化學II_化學反應速率_單元五：溫度、催化劑如何影響反應速率_鍾曉蘭

接著我們進到單元五,談到另外兩個因素,也就是溫度跟催化劑是如何影響反應速率的。 而在溫度跟催化劑裡面會談到比較多的是微觀的觀念,而這兩個因素的影響也是在我們說的 工業界上很重要的兩個變因,甚至有些催化劑來講它可以成立所謂催化劑的研究所,而溫度對於 工業界來講也是很重要的,所以我們很多的反應需要高溫,甚至高壓,這時候在一些工業界上它就要注意工廠設計的安全問題。 我們接著來看一下我們的單元五的學習目標與大綱,第一個我們要談到的是溫度對反應速率的影響, 然後我們要思考溫度到底可以改變反應速率過程中哪些因素或哪些的結果,還有溫度不可以改變哪些項目。 再來就是談到催化劑對反應速率影響,以及催化劑到底可以改變哪些項目跟不能改變哪些項目。 我們先看一下溫度對反應速率的影響來講,一般來講溫度越高,粒子的運動速率是越快,動能越大。 當動能越大的時候碰撞到對方的機會就會變高,所以不論吸熱還是放熱,它的反應速率都是變快。 如果降溫來講,不管你是吸熱跟放熱,它其實反應速率都一樣是變慢。 所以同學們千萬不要有一個想法是對於吸熱反應來講升溫是變快,降溫就會變慢, 而對放熱反應來講升溫是變慢,降溫反而變快,這個觀念是不對的。 而是隻要是升高溫度,不論哪一種反應速率都會變快,降低溫度不論是吸熱放熱反應都會變慢, 因為你要思考的是升溫運動速度都會變快,動能都會變大,不管你是吸熱放熱,它動能都會變快。 所以這點一定不要造成一些迷思概念。 我們來探討它的原因是因為溫度升高的時候分子動能變大,也就是超過低線能的粒子數目會變多, 有效碰撞的頻率變大,反應速率就會增快。 回想一下我們剛剛看到的那個動能分佈曲線不是有個T1跟T2嗎? 當T2的時候整個曲線圖是往右下角移動,超過那個EAD線的粒子數目就會變多, 這就是溫度升高的時候對反應速率的影響的最大的因素。 大致上來講,我們在國中說過,在室溫附近的時候, 每升高十度C的時候反應速率會變為原來的兩倍。 我們這邊有個數學公式大家可以看到, 第二個反應速率跟第一個反應速率它的速率比來講是以二為底數, 則兩次的溫度速率,兩次的溫度之間的差值除以十就會變成二的次方。 也就是如果它們兩個差十度,則你的速率就會變成二的一次方。 如果差二十度,則速率就會變成二的二次方,就是四倍。 同學可以做一個簡單的計算,也就是每升高十度,速率會變成原來的兩倍。 不過這只是一個概略值,而且是在室溫附近的溫度, 如果特別高的溫度或特別低的溫度來講,其實不見得有到兩倍。 再來就是溫度對反應速率影響,回到我們剛剛說的那個就是 Maxwell-Boltzmann的動能分佈曲線,剛剛有提到前面說過的那個動能的時候有提到低線能, 也就是溫度升高時,分子動能分佈曲線會往右方右下角移動, 而使高能量的分子增多,超過低線能的分子增多而使得有效碰撞的機會變得比較多,速率會加快。 那接著我們要談到的是說,溫度到底可以改變反應中的哪些項目呢? 其實我們剛剛一直提到動能分佈曲線,所以溫度第一個可以改變當然就是我們說的反應速率的快慢以及動能。 我們可以看到項目裡面說到的就是第一個是反應速率可以使溫度升高讓反應速率變快, 正逆反應速率其實都變快,只是對於吸熱的那一方來講它變快得更多。 打個簡單比方來講,可能溫度升高對吸熱的那一方增大是兩倍,變回原來兩倍, 放熱那邊是1.5倍,所以對於吸熱的那一方影響比較大, 所以最後我們常會說到一個升溫有利於吸熱是這樣的原物, 是因為兩個都變快,但變快的比率不一樣大,然後對吸熱的那一方影響比較多, 所以是升溫有利於吸熱是這樣子來的,而不是大家所想像的升溫吸熱會變快, 然後放熱那邊就會變慢,這樣觀念是不對的,是兩個都變快,只是變快的比率不一樣。 那速率定律常數的時候的小 k,剛剛上一節已經講過,就上一個單元說過了, 當你溫度升高的時候,小 k 值是變大的,但是不是成正比, 而是跟 2 的次方有關係,也就是每升高十度是變為兩倍。 再來就是平衡狀態,回到剛剛第一個講到的是,如果是升溫,吸熱會變成兩倍, 放熱那邊是變成1.5倍,所以變化的比例是不一樣,所以升溫是有利於吸熱的。 再來平衡常數是說,如果你本身是吸熱反應,升高溫度有利於右邊, 深層物會變得比較多,所以平衡常數會變得比較大。 不過在這塊地方來講,因為我們還沒有談到平衡,我們可以等到下一個大的章節的時候, 我們談到的化學平衡的時候,我們再談到溫度怎麼會影響平衡狀態、平衡常數跟平衡濃度的。 這塊地方我們可以留在後面,講到化學平衡的時候,我們再細細地去探討。 不過第一點跟第二點,請大家在這裡的反應速率的時候,一定要詳細,不要產生迷思的概念。 我們對溫度可以改變平衡這件事情,我們再詳細討論一下。 事實上溫度升高的時候,不論是正反應速率還是逆反應速率都變快,但是變快的比例並沒有一樣。 因為升溫比較對於吸熱反應的那一方,變化的比例是比較高的,譬如說如果你的正反應是吸熱的話, 正反應速率如果是升溫的情況下,正反應可能變兩倍,可是逆反應是放熱的話,它有可能只增快一點五倍。 所以升溫對於吸熱的那一方,變化的比例比較高,然後放熱的那一方,變化的比例比較小一點點, 所以最後的結果才會導致升溫會有利於吸熱的那一方,然後降溫的時候就會比較有利於放熱的那一方。 所以溫度對平衡的影響並不是說不一樣的,而是說升高溫度兩個速率都變快,只是不等量的變化。 降溫的話是正反應、逆反應都會變慢,也是一個不等量的變化,所以記得溫度改變平衡是因為升溫對於兩者改變的比例是不一致所導致的。 再來就是溫度不能改變什麼東西呢?溫度它不能改變低線能,也就是那個最低的溫度的、最低所需要的那個能量,低線能。 它也不能改變活化複合體,改變活化複合體的只有本性以及催化劑,所以溫度不能改變活化複合體,也不能改變反應的極速跟反應的途徑以及中間的產物。 再來我們談到的是催化劑對反應速率的影響的時候,其實最重要的是當你加入一個催化劑的時候,它已經改變反應物的一些本質了。 那我們先對催化劑的定義來講,催化劑它本身是一種可以增快反應速率,但本身在最後沒有產生質量或化學性質之間的改變,這個稱為催化劑或者我們稱之為觸媒。 但是我在問很多同學或其他人的想法是說,催化劑既然最後沒有變,它就不應該參與反應,或者是你問同學的時候,他說催化劑沒有參與反應,這個觀念是錯的。 如果催化劑沒有參與反應,它為什麼會改變反應速率呢?這是一件它本身有矛盾的事情,所以催化劑本身有參與反應,但它產生一個新的反應條件,最後又變回原來的情況, 所以才說反應前跟後,催化劑的性質跟它的質量沒有改變,但是它一定有參與反應。 它的原理則是改變了一個反應途徑,產生一個新的反應途徑,而這個反應途徑最重要的話就是讓比較高的山峯、比較高的活化能變成稍微低的活化能, 由一個比較難的反應途徑變成一個比較簡單的反應途徑,我們從這個實際的例子來看就很清楚了, 這個試紙是從二氧化硫經過一氧化氮的催化之後,產生了所謂的三氧化硫SO3, 這個如果是沒有催化劑的情況下,二氧化硫在氧氣中其實非常難變成三氧化硫, 所以當你有一氧化氮這個雲像催化劑的時候,它產生了一個中間的新的反應途徑,有一個很高大的山峯變成一個比較小的兩座山峯, 大家可以看到它多了一個中間產物,這個中間產物就是NO2, 所以如果你有催化劑的時候,你常常變一個大的山峯變成兩座或甚至三座以上的小山峯, 最明顯的變化是高峯的物質改變了,也就是我們剛剛說的活化複合體或活化錯合物的時候它改變了, 而且產生了新的反應途徑之後,常常就會有新的中間產物,在這個反應中二氧化碳就是新的中間產物, 最後生成了SO3跟NO,大家可以看到反應之初是NO,反應之後還是什麼?NO, 所以NO這個催化劑來講在反應前跟後並沒有改變它的性質跟質量, 但是產生一個新的反應途徑之後,藉著產生新的活化錯合物以及新的中間產物, 讓這個反應從一個高能量的反應途徑變成低能量的反應途徑, 最明顯的就是改變了反應途徑,改變了活化錯合物,改變了活化能,增加了一個新的反應途徑以及新的中間產物, 所以接下來我們就要談到催化劑到底可以改變什麼? 第一個是催化劑可以使可以發生的反應速率變快,但是不能使不能發生的反應發生, 不過這裡要注意一件事情,像石墨變成鑽石這件事情,在能量來講因為活化能太大了, 如果你加入適量的催化劑,它還是可以發生反應,但是有一些是真的不能發生的, 舉例說明,我們說精會不會被氧化這件事,即使你加催化劑可能還是不能使精氧化, 這種就是即使是你用的催化劑還是不能使精氧化,就是不能使不能發生的反應發生, 再來就是它可以降低正逆反應的活化能,而且是等量的降低, 所以當你等量降低之後你加了催化劑,正反應也變快,逆反應也變快, 但是是同樣都變兩倍或同樣變三倍,也導致使得說它等量加快的情況下沒有辦法改變平衡狀態, 還有就是它會改變活化複合體,因為你改變了反應途徑,所以你的活化複合體就會改變成另外一個新的活化複合體, 造成你的活化能降低,而因為你改變了反應途徑,你的中間產物也有可能隨之改變, 再來就是你的反應級數,因為反應的機構變了之後,你的反應級數可能會變多,也有可能變少, 還有就是因為反應途徑的改變來講的話,也有可能使得我們說過因為催化劑會改變反應,催化劑也會影響反應的途徑, 因此催化劑的濃度有可能出現在速率定律式中間,而改變你的反應速率裡面的一些級數。 再來我們就要談到催化劑不能改變什麼東西呢?催化劑是產生一個新的反應途徑,但是它沒有辦法改變分子的動能, 因為分子的動能是EK等於二分之三RT,也就是隻有溫度能改變動能,如果你沒有變溫度,動能是不會增加, 因此催化劑是不可以改變分子的動能,也不能改變分子的動能曲線,但是它可以改變的是反應熱,因為它已經,它也不能改變反應熱, 因為反應熱來講它是等量降低,所以它不能改變的反應熱,但是回到剛剛說的那個分子動能分佈曲線, 它不能改變動能跟平均動能以及分子分佈的曲線來講,但是它可以使那個低線能的那條能量的屏障往左邊移動下降, 所以會讓它超過低線能的粒子數目增加,使得有效碰撞次數是變多,所以催化劑跟溫度的影響其實不同的反應過程, 應該是說不同的反應機制,再來剛剛提到催化劑是等量改變正反應速率跟逆反應速率,所以它不能改變反應的平衡, 也不能改變反應的平衡常數,那因為它是等量增加,所以產量也不能增加, 這個部分我們可以回想國中學過的雙氧水用二氧化鉚催化的過程當中, 加了催化劑會讓反應速率變快,但是沒有辦法讓氧氣的產量變多, 當時題目是說那你如何讓產量變多,答案是增加雙氧水的默數或是增加雙氧水的濃度, 而不是增加更多的二氧化鉚,所以這裡再次提醒大家,催化劑是可以改變反應速率, 但是不能改變平衡跟產量,如果你要增加平衡,你要改變平衡以及增加產量, 你可能要從溫度以及你的反應物的物種的濃度去下手, 其他的來講催化劑是沒有辦法改變跟平衡還有產量的關係,還有就是因為它沒有改變濃度, 所以它不會增加它的總碰撞頻率,而總碰撞頻率來講比較是由溫度以及濃度去改變的, 然後我們在這個整個單元五裡面來講,我們主要是在講溫度跟催化劑如何影響反應速率的一些機制, 總結來講溫度改變的是動能,分子動能分佈曲線,讓有效碰撞的機會變多, 而催化劑則是改變反應的機構,活化能以及反應的活化的複合體, 這兩個改變的東西非常不一樣,但最終它都可以讓反應速率變快, 事實上在工業界的設計上來講,這兩件事情都是大家去追求的, 當然在一些成本上的考量以及安全的考量,或許這兩件事情需要互相的搭配, 因為有時候太高溫度來講,工廠的安全是比較有疑慮的, 而催化劑則要找到適合的催化劑,甚至在催化劑的設計上來講,也是工業界不斷需要去研究的。