高考申論題
114年
[化學工程] 物理化學(包括化工熱力學)
第 一 題
📖 題組：
化學反應的速率，通常會區分成一級反應（first order reaction）、二級反應（second order reaction）、三級反應（third order reaction）等。
化學反應的速率，通常會區分成一級反應（first order reaction）、二級反應（second order reaction）、三級反應（third order reaction）等。
📝 此題為申論題，共 3 小題
小題 (一)
幾級反應是依據什麼來訂？（4 分）
思路引導 VIP
看到這題，首先要聯想到「速率定律式（Rate law）」以及「反應級數必須由實驗決定」這兩個核心觀念。接著以數學式輔助說明，指出反應級數即為實驗速率方程式中各濃度項的指數總和，即可完整拿到這4分。
小題 (二)
CH3CHO→CH4+CO 是否就是一級反應？3KClO→KClO3+2KCl 是否就是三級反應？為什麼？（4 分）
思路引導 VIP
看到此題，應立即聯想到「化學計量係數」與「反應級數」的根本差異。解題關鍵在於點出「反應級數只能由實驗決定」，總反應方程式不能代表真實的反應機制，除非已知其為基本反應（elementary reaction）。
小題 (三)
半生期（half-life period）是指產物反應一半所需的時間。有個一級反應，其反應速率常數為 k1，此一級反應的半生期為何？它與起始濃度的關係為何？（12 分）
思路引導 VIP
看到一級反應，應立刻寫出其微分速率定律式並進行積分，得到濃度與時間的關係式。接著代入半生期的定義（時間 t 時濃度剩下初始濃度的一半），推導出 t_1/2 的數學表達式，藉由觀察該式中是否含有濃度項，直接論證其與起始濃度的關聯。
化學反應級數與半生期
💡 反應級數由實驗速率定律定義，一級反應半生期與初濃度無關。
| 比較維度 | 一級反應 | VS | 二級反應 |
|---|---|---|---|
| 速率定律式 | r = k[A] | — | r = k[A]² |
| 半生期公式 | t1/2 = 0.693 / k | — | t1/2 = 1 / (k[A]₀) |
| 與初濃度關係 | 無關（獨立） | — | 成反比 |
| 積分速率式圖形 | ln[A] 對 t 成直線 | — | 1/[A] 對 t 成直線 |
💬一級反應的半生期固定不變，是區別於其他級數反應最重要的動力學特徵。
