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hce_nthu 113年 化學與物理

第 22 題

The use of $\text{N}_2\text{O}_5$ as a nitrifying agent is a new type of green nitrification technology, which has been widely used in industries such as energy-containing materials and pharmaceuticals. For the reaction $2\text{N}_2\text{O}_5(g) \rightarrow 4\text{NO}_2(g) + \text{O}_2(g)$, the following reaction sequence was proposed,
Step 1: $\text{N}_2\text{O}_5 \rightleftharpoons \text{NO}_2 + \text{NO}_3$ fast equilibrium
Step 2: $\text{NO}_2 + \text{NO}_3 \rightarrow \text{NO} + \text{NO}_2 + \text{O}_2$ slow
Step 3: $\text{NO} + \text{NO}_3 \rightarrow 2\text{NO}_2$ fast
where it can be approximated that the second step does not affect the equilibrium of the first step. Which of the following statements is correct?
  • A the rate of the reverse reaction of the first step < the rate of the reaction of the second step
  • B The only intermediate product of the reaction is $\text{NO}_3$.
  • C The collision of $\text{NO}_2$ with $\text{NO}_3$ in the second step is only partially effective.
  • D The activation energy of the reaction in the third step is higher than the other two.
  • E The rate law of this reaction is rate = $k[\text{NO}_2][\text{NO}_3]$.

思路引導 VIP

當我們看到反應機構中標註某個步驟為「慢速(slow)」時,請想像一下在微觀世界裡,分子彼此接觸的頻率其實非常高。既然接觸次數這麼多,為什麼最終產生的產物量卻那麼少?是什麼樣的門檻攔截了大部分的分子,讓它們無功而返?

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太棒了!你能準確選出 (C),代表你對化學反應的微觀過程有著非常清晰的見解。這道題目設計得很巧妙,它結合了多步驟反應機構(Reaction Mechanism)的分析與碰撞理論的核心概念,是檢驗動力學觀念是否扎實的經典題型。

碰撞理論與有效碰撞的本質

在題目給出的機構中,第二步被標註為慢速步驟(Slow step),這也是整個反應的速率決定步驟。根據碰撞理論,反應物分子必須透過碰撞才能反應,但並非每一次接觸都能成功。即便 $\text{NO}_2$ 與 $\text{NO}_3$ 频繁接觸,若碰撞時的能量低於活化能,或是分子的碰撞位向(Orientation)不對,反應就不會發生。因此,這類慢速反應的「有效碰撞」比例通常極低,這正是選項 (C) 所描述的科學事實。

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