碰撞理論

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簡介

化學反應速率是指反應進行的速度。它也可以定義為產物形成的速度或反應物消耗的速度。原子和分子的碰撞是引起化學變化的必要條件。反應物分子和原子必須相互碰撞才能發生化學反應。但並非所有反應物物種的碰撞都會導致產物的形成。有效的碰撞對於反應的進行是必要的。有效的碰撞意味著碰撞的物種需要一些最低的內能，該內能等於特定化學反應的活化能。

什麼是碰撞理論？

該理論描述了反應具有不同速率的原因以及如何改變反應速率。反應物分子或原子的碰撞導致在化學反應中形成特定產物。但並非所有碰撞都能產生良好的結果。只有有效的碰撞才會導致產物的形成。並且是由於碰撞的頻率。隨著反應物分子碰撞頻率的增加，反應速率也會增加。因此，根據該理論，反應物分子的有效碰撞導致產物的形成。例如，

$$\mathrm{A+B\to C}$$

這種化學反應中產物 C 的形成取決於反應物分子之間的碰撞。並且透過增加 A 和 B 的濃度來增加碰撞速率。該反應的速率可以表示為：

$$\mathrm{Rate=K[A][B]}$$

因此，根據該理論，隨著 A 和 B 濃度的增加，速率也會增加。

分子碰撞

導致產物形成的分子有效碰撞是分子碰撞。當反應物分子彼此靠近時，它們會相互碰撞，從而導致化學變化和產物形成。只有有效的碰撞和正確的取向才會導致產物的形成。它還取決於一些其他因素，例如溫度、壓力、體積等。碰撞速率會隨著存在分子濃度的增加而增加。例如，下圖顯示了濃度的影響。

圖片即將推出

下圖顯示了產物形成所需的正確取向。即一氧化碳和氧氣反應形成二氧化碳。

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模型：碰撞理論

從碰撞理論中，我們知道碰撞不是唯一的必要因素。正確的取向和有效的碰撞也是必要的。反應物分子之間發生碰撞的模型如下所示。

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活化能

對於化學反應，它是反應物分子反應並形成產物所需的最小能量。活化能的通用表示為 Ea，它是一個能量項，因此單位為焦耳每摩爾 (J/摩爾)。阿倫尼烏斯給出了計算活化能的方程，該方程為阿倫尼烏斯方程，

$$\mathrm{K=Ae^{(-Ea/RT)}}$$

$$\mathrm{A=指前因子}$$

$$\mathrm{R=氣體常數}$$

$$\mathrm{T=溫度}$$

$$\mathrm{Ea=活化能}$$

$$\mathrm{K=速率常數}$$

下圖顯示了表示反應物形成產物的活化能的圖形。

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因此，如果給定反應的活化能較大，則反應速率較低。只有少數分子會參與該反應。如果活化能較低，則反應會更快進行，並且大多數分子會參與反應。一些因素可以降低活化能壘。它們是使用催化劑和施加溫度。

碰撞理論的解釋

碰撞理論解釋了反應速率。根據該理論，化學反應的進行必須有正確的方向的有效碰撞。因此，根據該理論，

• 反應速率 = 碰撞/時間。

• 並且在碰撞過程中，將形成化學鍵的反應物必須在碰撞過程中接觸才能形成該產物。

• 碰撞必須包含合理的能量，只有這樣反應物分子才會重新排列形成新的分子。

因此，碰撞理論是一個重要的理論，可以解釋各種化學反應。它還可以說明濃度和反應速率之間的依賴關係。發現反應速率隨著反應物分子濃度的增加而增加，這是由於碰撞次數增加所致。

碰撞理論的溫度依賴性

透過施加熱量使某些化學反應的速率增加，很容易解釋碰撞理論。當溫度升高時，將參與反應的反應物分子由於動能增加而更快地碰撞，從而增加產物的形成。更快的碰撞意味著更快的產物形成。

還可以藉助阿倫尼烏斯方程 $\mathrm{K=Ae^{(-Ea/RT)}}$ 來解釋高溫的影響。從方程中可以看出，溫度升高會增加 $\mathrm{e^{(-Ea/RT)}}$ 的值，從而增加 k 值（速率常數）。

根據碰撞理論的反應速率

反應速率和反應物分子之間的碰撞是直接相關的術語。隨著碰撞分子數量的增加，反應速率也會增加。碰撞越快，化學反應就越快，速率常數就越高。但並非所有碰撞都會導致產物，只有那些具有正確取向和足夠內能的碰撞才會導致產物。濃度的增加會增加碰撞速率，從而增加反應速率。反應速率的方程可以表示為：

$$\mathrm{Rate=K[A][B]}$$

結論

解釋反應速率的理論是碰撞理論。這是一個重要的理論，因為它可以提供關於化學反應如何發生的初步瞭解。根據該理論，反應物分子的碰撞負責產物的形成。但要獲得產物，需要滿足兩個條件。

反應物分子必須具有正確的取向和最小的能量才能形成產物。它還可以藉助阿倫尼烏斯方程來解釋。因為它涉及活化能和反應速率。溫度也與碰撞理論有關，因為溫度升高會增加碰撞和動能。

常見問題

Q1. 誰發現了碰撞理論？

答：Max Trautz 和 William Lewis 獨立發現了碰撞理論。

Q2. 壓力如何影響碰撞理論？

答：碰撞速率會隨著壓力的增加而增加。因為在特定體積內壓力的增加使其中存在的分子更快地碰撞。從而使反應速率加快。因此，壓力和碰撞是正相關的。

Q3. 催化劑對碰撞理論有什麼影響？

答：催化劑和碰撞無關。催化劑不會改變分子之間的碰撞速率，而是影響活化能。此外，它不會影響分子的動能。但催化劑可以透過提供具有較低活化能的替代途徑來提高反應速率。

Q4. 體積對碰撞理論有什麼影響？

答：碰撞速率會隨著體積的增加而降低。隨著體積的增加，反應物分子之間的距離也增加，從而使碰撞速率變慢。因此，它們成反比。

Q5. 表面積是否會影響碰撞理論？

答：反應物分子表面積或尺寸的增加會增加碰撞速率或碰撞頻率。因為較小的粒子比較大的粒子具有更大的表面積。使用較小的顆粒可以提高碰撞速率，從而提高反應速率。