1 宣道中學
化學測驗 化學動力學-2
S.6S 31/10/2008
1. 以下是過氧化氫溶液（hydrogen peroxide solution）在酸性介質（acidic medium）中與 I- (aq) 反應的方程式：
H2O2(aq) + 2H+(aq) + 2I-(aq) → I2(aq) + 2H2O(ℓ)
以下的實驗數據（experimental data）是一組中七學生在室溫下（19°C）所測量的。 （I2(s) 在 I-(aq) 中是以 I3-(aq) 離子形式存在）
1 次數 1 M H2SO4 的體積 /cm3 0.1 M KI 溶液 的體積 /cm3 水的體積 /cm3 0.1 M H2O2 的體積 /cm3 t / s -1 1 10.0 5.0 20.0 5.0 0.013 2 10.0 10.0 15.0 5.0 0.022 3 10.0 15.0 10.0 5.0 0.033 4 10.0 20.0 5.0 5.0 0.050 解答下列問題： (a) 利用甚麼方法可找出在每個樣本中形成一細小定量的 I2 所需的時間 t？ (b) 由上述數據，對於 I
-(aq) 離子的反應級數（reaction order）是多少？ (c) 怎樣能找出對於 H+
(aq) 離子的反應級數？
2. 放熱反應（Exothermic reaction）
E(g) → E´(g) (1) 是一個單階段反應（single stage reaction）。
(a) 繪畫曲線（graph）來顯示在兩個不同溫度下，該反應物 E(g) 的分子動能的 分佈（kinetic energy distribution of molecules）。
(b) 參照 (a) 中的答案，解釋為什麼反應 (1) 的速率（rate）隨溫度上升而增加。 (c) 在有催化劑（catalyst）（C）的條件下，反應 (1) 按下列機理（mechanism） 以較快速率進行。 E(g) + C(g) → EC(g) EC(g) → C(g) + E´(g) （EC 是反應的中間產物（intermediate）。）
繪出在有催化劑 和 沒有催化劑下，自 E(g) 至 E´(g) 的轉化的能線圖（energy profile）。解釋為什麼有催化劑存在時，反應 (1) 進行得較快。
2 3. 反應速率常數（rate constant）與溫度的關係可利用以下的表達式（expression）表達： Eact 1 log10 k= log10 A - 2.3 R T 其中 k = 反應的速率常數 A = 阿列紐斯常數（Arrhenius constant） T = 絕對溫度（absolute temperature） Eact = 反應的活化能（activation energy）
兩個反應 (以 1 和 2 代表) 的速率常數 k1 及 k2 分別在溫度 T1 (K) 及 T2 (K) 測定了它們 的數值，其中 T1 < T2。 在溫度為 T1 (K) 時，k1 = k2，而在溫度為 T2 (K) 時，k1 < k2。 1 試以 log10 k 作為縱軸（y-axis）， T 作為橫軸（x-axis），將上述有關的資料作圖。 試由圖中的資料解答下列問題。 (a) 哪一反應 (1或 2) 有較高的活化能？ (b) 哪一反應 (1或 2) 在溫度T3 (K) 時 (其中 T3 < T1) 有較高的速率常數？
4. (a) 2SO2(g) + O2(g) → 2SO3(g)
上述反應可被氧化釩(V) （vanadium(V) oxide）或鉑（platinum）所催化（catalyse）。 在 500°C 時，若利用鉑來代替氧化釩(V) 作為催化劑（catalyst）。說出
(i) 會發生改變的一項反應性質。
(ii) 不會發生改變的一項反應性質。
(b) 在 A 與 B 之間的氣相反應（gaseous phase reaction），對於 A 為零級反應（zero order reaction），而對於 B 為二級反應（second order reaction）。當 A 和 B 的濃度分別 為 1.0 和 1.5 mol dm-3，反應的起始速率（initial rate）為 7.75×10-3
mol-3 s-1。 (i) 試計算當 A 和 B 的濃度分別為 2.0 和 3.0 mol dm-3
時，反應的起始速率是 多少？
試述在下列情況中，對速率有甚麼影響，
(ii) 反應容器（reacting vessel）的體積增至三倍，和 (iii) B 的壓強（pressure）增至兩倍。
3 1. (a) 最好的方法就是加入一小量但定量的硫代硫酸鈉（Na2S2O3 ）溶液於每一樣本中， 並加入 1 cm3 澱粉指示劑。當所有加入的硫代硫酸鈉溶液與反應所生成的碘完全 反應後，溶液便會變為藍色。因為過量的碘會與澱粉指示劑反應生成一藍色溶液。 這樣便可以找出形成一細小而定量的碘所需的時間。 (b) 設 速率 = k [H2O2]a[H+]b[I-]c 1 因為H+ 及 H2O2 的濃度均為定值，而 t 可代表速率： 速率 = k’ [I-]c Log(速率) = 常數 + c log(KI(aq) 溶液的體積) 1 將log ( t ) 對log(KI(aq) 溶液的體積) 作圖。 （注意：由於在四次實驗中，溶液的總體積均相同，所以KI的體積與其濃度成正 比。） 1 1 0.1 M KI 溶液 次數 t / s -1 log( t ) 的體積 /cm3 log(KI(aq) 體積) /cm 3 1 1.3×10-2 -1.9 5.0 0.70 2 2.2×10-2 -1.7 10.0 1.00 3 3.3×10-2 -1.5 15.0 1.18 4 5.0×10-2 -1.3 20.0 1.30 由圖中直線的斜率 = c = 1.06 ∴ 該反應對KI為一級反應。 (c) 將I 及H2O2 濃度固定，並改變H+，例如我們可以在每次實驗中都用10 cm3 0.1 M KI 和10 cm3 0.1 M H2O2。而 1 M H2SO4 的體積分別為1，3，5，7 cm3，並改變水的 體積去維持混合物的總體積不變。
4 2. (a) 2½ （曲線佔 1 分；每個座標佔 ½ 分；顯示兩圖線的相對溫度，佔 ½ 分） (b) 在較高溫度時（T2），動能高的區域增大，更多粒子具有足夠的能量 以克服活化能而參與反應（須參照座標圖作答）。 ½，½ 由於可參與反應的粒子數目增加，令反應速率上升。 ½ (c) 3 （每個座標佔 ½ 分；每條曲線佔 ½ 分；標示反應物、生成物和中間 體佔 ½ 分；展示生成物具有較低能量佔 ½ 分；催化反應的能線圖必 須展示雙駝峰。） 加入催化劑可另闢一條較低活化能的反應途徑。 ½，½ 降低能量障礙，導致反應速率上升。
5 3. (a) 反應 2 有較高的活化能。 Eact 1 log10 k= log10 A - 2.3 R T 所以，當以 log k 對 1/T 作圖時，所得直線的斜率 = -Ea / 2.3R。 反應 2 的直線斜率負得多，表示其活化能 Ea 高。 (b) T3 < T1 ∴ 1/T3 > 1/T1 根據上圖，反應 1 的 log k 值， 即反應 1 的速率常數較高。 4. (a) (i) 反應途徑 (或) 活化能 (或) 反應機理 (或) 速率常數 (ii) 反應的焓變。 (b) (i) 根據題意， 速率 = k [B]2 7.75×10-3 = k (1.5)2 ∴ k = 3.44×10-3 mol-1 dm3 s-1 速率 = k (3)2 = 0.031 mol dm-3 s-1 (ii) 體積增至三倍，濃度變為原來的 ⅓， 速率會減至原來的 1/9。 (iii) 已知壓強增至兩倍， B 的濃度亦增至兩倍，所以速率會增至原來的 4 倍。
