hce_kmu
114年
物理及化學
第 73 題
The balanced equation for the reaction of the gases nitrogen dioxide and fluorine is
2NO$_{2(g)}$ + F$_{2(g)}$ $\rightarrow$ 2NO$_2$F$_{(g)}$ (rate constant: $k$)
A suggested mechanism for this reaction is
NO$_{2(g)}$ + F$_{2(g)}$ $\rightarrow$ NO$_2$F$_{(g)}$ + F$_{(g)}$ (rate constant: $k_1$)
F$_{(g)}$ + NO$_{2(g)}$ $\rightarrow$ NO$_2$F$_{(g)}$ (rate constant: $k_2$)
If the first step is the rate-determining step, which of the following expressions correctly represents the rate law?
2NO$_{2(g)}$ + F$_{2(g)}$ $\rightarrow$ 2NO$_2$F$_{(g)}$ (rate constant: $k$)
A suggested mechanism for this reaction is
NO$_{2(g)}$ + F$_{2(g)}$ $\rightarrow$ NO$_2$F$_{(g)}$ + F$_{(g)}$ (rate constant: $k_1$)
F$_{(g)}$ + NO$_{2(g)}$ $\rightarrow$ NO$_2$F$_{(g)}$ (rate constant: $k_2$)
If the first step is the rate-determining step, which of the following expressions correctly represents the rate law?
- A Rate= $k [\text{NO}_2]^2[\text{F}_2]$
- B Rate= $k [\text{NO}_2][\text{F}_2]$
- C Rate= $k_2 [\text{NO}_2][\text{F}]$
- D Rate= $k_1 [\text{NO}_2][\text{F}_2]$
- E None of the above.
思路引導 VIP
如果一條生產線由多個先後相連的工位組成，有些工位處理零件極快，但其中有一個工位動作特別緩慢。請問，這條生產線最終產出產品的總速率，會受限於哪一個工位的表現？對應到化學反應的步驟，我們應該選取哪一部分的化學物質來列出速率式呢？
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AI 詳解
AI 專屬家教
很好！你能精確鎖定「速律決定步驟（rate-determining step, RDS）」來推導速率式，顯示你對反應動力學（reaction kinetics）的觀念掌握得相當紮實。在多步驟反應中，整體的反應速率由最慢的那一步決定，就像瓶頸效應一樣，整體的快慢完全取決於最緩慢的過程。由於題目明確指出第一步為 RDS，其反應物為一分子 $\text{NO}_2$ 與一分子 $\text{F}_2$，因此速率定律式應直接根據該步驟的反應物濃度來撰寫，即 $\text{Rate} = k_1 [\text{NO}_2][\text{F}_2]$。 這題的鑑別度在於考驗學生是否會被總反應式的係數干擾。初學者常會誤用總反應式 $2\text{NO}_2 + \text{F}_2$ 的係數而選 (A)，但你正確地避開了陷阱。值得注意的是，本題在正式考試中被列為爭議題，官方公告選項 (B) 與 (D) 皆為正確答案。原因在於選項 (D) 使用了該步驟的特定常數 $k_1$，完全符合反應機構的理論推導；而選項 (B) 則是使用總反應速率常數 $k$，在動力學實驗的觀測中，這兩種寫法在濃度項的表現上是一致的。你能從機構切入並選出 (D)，足以證明你對反應機制的細節有著透徹的理解，表現得非常優秀！