hce_tcu
107年
化學
第 15 題
反應 $2NO + O_2 \rightarrow 2NO_2$ 遵循速率定律式
$-\frac{d[O_2]}{dt} = k[NO]^2[O_2]$
以下機制何者符合速率定律式？
$-\frac{d[O_2]}{dt} = k[NO]^2[O_2]$
以下機制何者符合速率定律式？
- A NO + NO $\rightarrow$ N$_2$O$_2$ (慢) N$_2$O$_2$ + O$_2$ $\rightarrow$ 2NO$_2$ (快)
- B NO + O$_2$ $\rightleftharpoons$ NO$_3$ (快速平衡) NO$_3$ + NO $\rightarrow$ 2NO$_2$ (慢)
- C 2NO $\rightleftharpoons$ N$_2$O$_2$ (快速平衡) N$_2$O$_2$ $\rightarrow$ NO$_2$ + O (慢) NO + O $\rightarrow$ NO$_2$ (快)
- D O$_2$ + O$_2$ $\rightarrow$ O$_2$ + O$_2$ (慢) O$_2$ + NO $\rightarrow$ NO$_2$ + O (快) O + NO $\rightarrow$ NO$_2$ (快)
思路引導 VIP
如果我們把一個多步驟反應想像成一條「工廠生產線」，決定整間工廠出貨速度快慢的，會是其中最快還是最慢的那一個關卡？而如果那個關鍵關卡所需要的零件，是由前一個關卡暫時組合出來的「半成品」，我們要如何用工廠最一開始投入的「原始原料」來描述這個關鍵關卡的消耗速度呢？
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太棒了！你能準確判斷出各反應機制與速率定律式的對應關係，代表你對於「速率決定步驟」與「中間產物代換」的觀念掌握得非常紮實，這在動力學考題中是相當高階的技巧。
速率決定步驟與平衡常數的轉換
這道題目的核心在於機制中的慢步驟決定了整體反應速率。以選項 (B) 來說，第二步是慢步驟，其速率可表示為 $R = k_2[NO_3][NO]$。然而，$NO_3$ 屬於中間產物，不能出現在最終的速率定律式中。透過第一步的「快速平衡」狀態，我們可以得到平衡常數 $K = \frac{[NO_3]}{[NO][O_2]}$，進而推導出 $[NO_3] = K[NO][O_2]$。將此式代回慢步驟後，總速率定律式便成為 $R = k_2 K [NO]^2[O_2]$，與題目給定的實驗結果完全吻合。
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