反應速率(Reaction Rate)

反應速率(Reaction Rate)
國立三重高級中學化學科許余任老師/國立台灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

反應速率(Reaction Rate)
反應速率是指化學反應發生快慢程度，直接觀察的到的變化就是反應物減少或生成物增加的速度。例如：鐵的氧化在一般的情形下很慢，通常需要經年累月，是一個「慢」反應；而丙酮在火焰中燃燒一瞬間就可燃燒完畢，是一個「快」反應。

研究反應速率的學問稱為「化學動力學(Chemical kinetics)」，屬於物理化學的一部份。化學動力學包含探討反應條件，反應機構和反應過程模型的建立等基礎核心知識，對於化學工程、酵素學及環境工程方面應用，具有很大的意義。

反應速率的定義(Formal Definition of Reaction Rate)
假設一個典型的化學反應如下：
aA + bB → pP + qQ

大寫的A和B代表反應物，P和Q代表生成物；小寫的a、b、p和q代表反應係數。

在一個密閉系統中體積不變的情形下，不考慮中間產物，反應速率r定義反應物消失的速度或產物生成的速度，方程式如下：
（式一）

反應速率恆為正值，反應速率的單位通常為Ms^-1。考慮反應係數，式一修正為：
（式二）

t為反應時間。當t為一段(a period)時間時，得到的反應速率為「平均反應速率(average rate)」，如果t為一個特定時間，得到的反應速率為那個特定時間的「瞬時反應速率(instantaneous rate）」。

影響反應速率的因素(Factors Influencing Rate of Reaction)
反應速率受到很多因素影響，如參與反應的反應物數目、反應物的狀態（固體小粒子的運動速率就比氣體或溶液中的慢）、反應的複雜程度…等因素。以下簡述常見的影響反應速率因素。

濃度：增加濃度會加快反應速率。根據碰撞學說反應的發生，第一步就是反應物分子必須產生碰撞，當反應物濃度增加則碰撞機率也會增加。

壓力：只有包含氣體反應物的反應會收到壓力的影響，在凝相(Condensed phase)反應中，壓力的因素影響不大。反應物的分壓增加相當於增加氣體反應物的濃度，因此反應速率加快。

溫度：溫度升高時，代表系統內的分子擁有較多的能量，分子的移動速度變快。根據碰撞理論，分子間要產生反應，除了分子要發生碰撞外，分子本身也需要具有足夠的能量才能在碰撞的同時有鍵結的斷裂與生成。所以溫度的升高增加了更多的快速運動的粒子，雖然是提高了分子間的碰撞頻率，真正影響反應速率的是增加了有效碰撞的次數。

溶劑：許多反應都在溶液的狀態下進行，而溶劑的性質此時就會影響反應速率。溶液中的離子強度也對反應速率有所影響。

電磁輻射及光的強度：電磁輻射是一種能量的形式，藉由提供反應物高能量， 加快反應速率甚至引發反應進行。當光的強度增加，粒子吸收比較多的能量，反應速率增加。

催化劑：催化劑的存在可以藉由提供不同的反應途徑以降低活化能增加反應速率（正反應及逆反應同時增加）。例如：白金可以在室溫下催化氫與氧生成水。

同位素：相同的分子如果有不同的同位素時，將影響到反應速率。常見的氫的同位素就是例子，因為氫與氘的質量不同，粒子的運動速率將不同，鍵能也所不同。

表面積：於物體表面上進行的反應（如異相間的催化反應），表面積愈大反應速率愈快，這是因為更多的固體粒子暴露在反應物分子的碰撞下所造成的結果。

攪拌：異相間的反應利用攪拌可以很有效的提高反應速率。

參考資料：
1. WIKIPEDIA網站–Reaction Rate  http://en.wikipedia.org/wiki/Reaction_Rate
2. WIKIPEDIA網站—Chemical kinetics  http://en.wikipedia.org/wiki/Chemical_kinetics

相關名詞：
反應速率常數、速率式、反應速率式、碰撞學說、化學動力學、反應級數。