作者hiyori (咦?)
看板Chemistry
標題Re: [高中] 最慢步驟的問題(RDS)
時間Sun Aug 2 00:11:01 2015
※ 引述《letmeask (Let me ask)》之銘言:
: 今天在老師發的講義看到一段敘述
: " 當一個反應又可拆分為數個基本程序時
: 此反應的活化位能圖也具有數個高峰
: 而其中的最高峰的那個基本程序即是反應決定步驟(RDS) "
: 如圖:https://dl.dropboxusercontent.com/u/92653316/ff.jpg
: 依照講義所言,RDS是其中 2 -> 3 的這個反應
: 也就是
: 1 -> 2 、 2 -> 3 、 3 -> 4 的三個基本程序中, 2 -> 3 是反應速率最慢的
: 但是我怎麼覺得,1 -> 2 的這個反應才是RDS
: 1 -> 2 的反應有著最高的活化能
: 而活化能越高的反應,其反應速率不是應該越慢嗎?
: 有沒有高手版友能幫忙解惑一下~?
其實反應速率是屬於化學動力學中的一環,而反應速率也並非「快或慢」那麼直觀,它實際上的想法比較接近「容不容易反應」。
也就是說,反應容易的我們就稱它反應速率快,而不容易發生的反應則是反應速率慢的。
接著第二個觀念是,「反應並非絕對由反應物變成生成物」。簡單來說,一個反應並非單向的,它是同時雙向發生,有反應物形成生成物,同時間也有生成物變回反應物。
有上述兩個觀念之後,我們先以你的圖來做個比喻,首先想像你的圖其實是一座山脈,圖中的1是入山口而4則是出山口,請注意,身為遊客的你並不一定要從入山口進入,你也可以選擇從出山口進入,當然,這趟登山之旅你隨時可以回頭、走著原路回去。
接著,這趟旅程中,從圖片裡由左至右分別有著A峰、2谷、B峰、3谷、C峰。其中B峰是最高峰。
今天當你打算從入山口出發,你想橫亙這座山脈時,哪一段對你最困難呢?
首先,第一段旅程,你要先攻上A峰,那是你這趟旅程中爬升路程最高的一段!好在你的旅程才剛開始,你自然是信心滿滿的開始登山,當你順利攻下A峰,苦盡甘來,你一路輕鬆溜下坡,來到可以休息的2谷……
第二段旅程,你在2谷望向B峰,說真的,其實從2谷爬向B峰的爬升路程並不長,比起從入山口到A峰的路程短上許多。問題是你剛剛才攻下A峰,你擦擦汗,從2谷回頭望向身後的A峰,同樣從2谷出發,往A峰的路程反而比往B峰的路程短啊!
於是你開始猶豫,到底該繼續爬上B峰,或者回頭爬上A峰,然後一路溜回入山口,接著回家休息?
好在意志力驅使著你登上了B峰,接著一路溜下3谷,準備第三段旅程,這次你比較不猶豫了,在你面前的C峰比你身後的B峰還低,不論你有多想休息,你肯定還是會爬過C峰來到出山口坐巴士回家休息,而不是爬上B峰、越過A峰去到入山口等巴士。
經過一番努力,你終於成功橫亙這座山脈,現在你在出山口坐上返家的巴士,你在巴士上開始回想這趟登山之旅,這當中有三段旅程,哪一段是你覺得最難克服的呢?
化學反應就像你在登山,它們必須跨過被稱為活化複合體的高峰,才有機會成為中間體(山谷),或是產物(出山口)。
當化學反應停留在中間體時,它們必須重新提升位能來達到活化複合體,但對它們來說,它們並沒有一定要完成反應的義務,因此它們很有可能會柿子挑軟的吃,「反正都要提升位能,我幹嘛不變成那個位能比較低的活化複合體?」,於是化學反應很可能走上回頭路,而使反應完全之日遙遙無期,反應速率也就很慢。
也就是說,對化學反應而言,並非爬最長的那段是瓶頸反應,而是那段「前頭辛苦,後路容易」的步驟最容易讓化學反應放棄,因此那才是最辛苦的瓶頸反應。
而要「最」符合「前頭辛苦,後路容易」的步驟,根據邏輯,那也會是海拔(位能)最高的一段路程。
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我可能解釋得很囉唆,但我在教學現場常是用這種說法為學生解釋,效果還不錯,可是在這說法當中,其實有一些比喻並沒有那麼精準地符合現代化學的理論,更深入的內容,你可以參考大學的物化課程。
希望這種說法能夠幫到你!
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1F:推 r64924e: ~Sent by PTTNOW~ 08/02 00:29
2F:推 supersars: 物化動力學,3學分,修了你就懂了,不過要修過微積分 08/02 01:05
3F:→ supersars: 你才會懂PSSH與RDS法,在計算推導時的意義 08/02 01:06
4F:→ supersars: 基本反應-級數推導-RDS法與PSSH法 08/02 01:07
5F:→ supersars: 這些東西去圖書館看中文本,還是GOOGLE一下 08/02 01:08
6F:→ supersars: 上面有詳細的推導過程,計算題的算法與推導 08/02 01:09
7F:→ supersars: 這個比量化好懂多了,量化實在是難懂 08/02 01:10
8F:推 letmeask: 那如果我在A谷前面又造了一個X谷,它比A谷矮很多 08/02 01:17
9F:→ letmeask: 說到 前面辛苦後面容易的程度,在X - A谷之間最嚴重 08/02 01:18
10F:→ letmeask: 那麼,RDS仍然是最高的那段? 08/02 01:19
11F:→ letmeask: 我覺得我原文的回答者 08/02 01:19
12F:→ letmeask: k大,用濃度稀薄的想法我蠻能接受的 08/02 01:20
13F:→ letmeask: 你的比喻我反而看不懂,可能是因為你沒有結合理論來說服 08/02 01:21
14F:→ letmeask: 吧 08/02 01:21
15F:→ jessti: 當你多ㄧ個谷,他需要克服的位能障礙就不同情況08/02 01:27
16F:→ jessti: 每一個中間體進行下一反應時位能要提升越過能障08/02 01:36
17F:→ jessti: 逆反應的能障顯然比進行下一步低,則下一步關鍵08/02 01:40
18F:推 letmeask: 所以樓上j大同意最難跨過的第一谷是RDS嗎?08/02 01:40
19F:→ jessti: 濃度低不能保障往後反應的快慢,像是濃度低但逆08/02 01:41
20F:→ jessti: 向快過順向,反應速率就是順向決定08/02 01:42
21F:→ jessti: 依你的圖是跨越最高峰的步驟08/02 01:43
22F:推 letmeask: 如果我在第一谷前面加上一個很矮的X谷,RDS仍是最高峰08/02 01:46
23F:→ letmeask: 嗎?08/02 01:46
24F:→ jessti: 1<=>2<=>3<=>4每步驟都是可逆,1<=>2雖然慢08/02 01:46
25F:→ jessti: 造成2的濃度很低,但是2<=>3的能障高於前一步08/02 01:48
26F:→ jessti: 會造成2->1的效率高過2->3,實質上卡在後面08/02 01:50
27F:推 letmeask: 請問你指的 能障 是什麼呢?08/02 01:50
28F:推 letmeask: 那如我所說,在1的前面再加上一個非常矮的谷 08/02 01:51
29F:→ letmeask: 是否就變成卡在1→矮谷 那邊了?08/02 01:52
30F:→ jessti: 能障就是爬山高度08/02 01:54
31F:→ jessti: 加谷也一樣08/02 02:01
32F:推 letmeask: 謝謝j大這麼晚還陪我討論,不過我精神不行了08/02 02:04
33F:→ letmeask: 頭昏腦脹的,先晚安囉^_^ 08/02 02:04
34F:→ hiyori: 抱歉,用登山有點引喻失當,或許你可以想成打彈珠,當彈珠08/02 08:47
→ hiyori: 從1成功跨越最高的B峰,幾乎可以篤定反應會成功。
s
※ 編輯: hiyori (175.96.96.194), 08/02/2015 08:51:52
36F:→ hiyori: 即使反應如你所述,變成上圖,反應粒子從1出發而能夠成功 08/02 09:01
37F:→ hiyori: 跨越y峰或A峰所具備的低限能,並不足以使反應粒子能跨越B 08/02 09:01
38F:→ hiyori: 峰。除非反應粒子最初由外界得到足夠的動能以達到低限能的 08/02 09:01
39F:→ hiyori: 標準,要不然它始終無法跨越能障最高的活化複合體的活化能 08/02 09:01
40F:→ hiyori: (位能)。 08/02 09:01
41F:→ hiyori: 此外我剛才去看你在上篇的推文,你觀念有個大問題,你誤解 08/02 09:15
42F:→ hiyori: 活化能的意思了,活化能是活化複合體和反應物或生成物之間 08/02 09:15
43F:→ hiyori: 的位能差,而非與中間產物的位能差。所以1到2的正活化能是 08/02 09:15
44F:→ hiyori: 比1到3的小,根據阿瑞尼士方程式,第一步反應的k值較大, 08/02 09:15
45F:→ hiyori: 所以反應速率較快,第二步k值小很多。RDS應該和k值比較有 08/02 09:15
46F:→ hiyori: 關,可能和中間體的濃度關聯性較不大,當然從濃度的觀點切 08/02 09:15
47F:→ hiyori: 入也是一種適合高中的想法。 08/02 09:15
48F:推 letmeask: 活化能是活化複合體和反應物或生成物之間的位能差 08/02 13:07
49F:→ letmeask: 而非與中間產物的位能差<<< 這真的和我認知的不一樣 08/02 13:07
50F:→ letmeask: 老師在提及到這個多峰的圖時,還特別把每個中間產物 08/02 13:08
51F:→ letmeask: 需要跨越的Ea 特別寫出來耶~ 08/02 13:08
52F:→ letmeask: 關於這題速率的問題我直接去問老師好了 08/02 13:09
53F:→ letmeask: 因為有太多想問的,但是文字又沒辦法詳細的表達出來 08/02 13:09
54F:→ letmeask: 真的很謝謝樓上各位熱心的幫助^^ 你們都是大好人 08/02 13:10
55F:→ jessti: 群體好人卡.....好樣的 08/02 13:22
56F:→ hiyori: 很少有學生會像你問那麼深入的問題,其實你的問題也是許多 08/02 13:52
57F:→ hiyori: 化學教師想問的,你真的很用心而且很厲害。 08/02 13:53
58F:→ hiyori: 我有些部分也要再去查一查,謝啦~ 08/02 13:53
59F:推 letmeask: j大已經被我發了一張睡覺卡和一張好人卡,有點慘.. 08/02 14:15
60F:→ letmeask: h大應該是化學老師吧,好棒的老師,喜歡用比喻教導 08/02 14:16
61F:→ letmeask: 而且隨時不忘記鼓勵學生,又熱心,謝謝你喔!! 08/02 14:16
62F:推 Falajack: 這不是小中中嗎XD 08/02 14:59
63F:推 Tamama56: 好比喻 08/02 17:40
64F:→ hiyori: 法拉幹嘛掀我底~ 08/02 17:45
65F:推 HiYork: ID好像喔 擊掌 08/11 12:42
66F:→ hiyori: 拍! 08/19 11:12