Re: [高中] 最慢步驟的問題(RDS)

[hiyori (咦?)]

※ 引述《letmeask (Let me ask)》之銘言：
: 今天在老師發的講義看到一段敘述
: " 當一個反應又可拆分為數個基本程序時
: 此反應的活化位能圖也具有數個高峰
: 而其中的最高峰的那個基本程序即是反應決定步驟(RDS) "
: 如圖：https://dl.dropboxusercontent.com/u/92653316/ff.jpg
: 依照講義所言，RDS是其中 2 -> 3 的這個反應
: 也就是
: 1 -> 2 、 2 -> 3 、 3 -> 4 的三個基本程序中， 2 -> 3 是反應速率最慢的
: 但是我怎麼覺得，1 -> 2 的這個反應才是RDS
: 1 -> 2 的反應有著最高的活化能
: 而活化能越高的反應，其反應速率不是應該越慢嗎?
: 有沒有高手版友能幫忙解惑一下~?
其實反應速率是屬於化學動力學中的一環，而反應速率也並非「快或慢」那麼直觀，它實際上的想法比較接近「容不容易反應」。

也就是說，反應容易的我們就稱它反應速率快，而不容易發生的反應則是反應速率慢的。

接著第二個觀念是，「反應並非絕對由反應物變成生成物」。簡單來說，一個反應並非單向的，它是同時雙向發生，有反應物形成生成物，同時間也有生成物變回反應物。

有上述兩個觀念之後，我們先以你的圖來做個比喻，首先想像你的圖其實是一座山脈，圖中的1是入山口而4則是出山口，請注意，身為遊客的你並不一定要從入山口進入，你也可以選擇從出山口進入，當然，這趟登山之旅你隨時可以回頭、走著原路回去。

接著，這趟旅程中，從圖片裡由左至右分別有著A峰、2谷、B峰、3谷、C峰。其中B峰是最高峰。

今天當你打算從入山口出發，你想橫亙這座山脈時，哪一段對你最困難呢？

首先，第一段旅程，你要先攻上A峰，那是你這趟旅程中爬升路程最高的一段！好在你的旅程才剛開始，你自然是信心滿滿的開始登山，當你順利攻下A峰，苦盡甘來，你一路輕鬆溜下坡，來到可以休息的2谷……

第二段旅程，你在2谷望向B峰，說真的，其實從2谷爬向B峰的爬升路程並不長，比起從入山口到A峰的路程短上許多。問題是你剛剛才攻下A峰，你擦擦汗，從2谷回頭望向身後的A峰，同樣從2谷出發，往A峰的路程反而比往B峰的路程短啊！

於是你開始猶豫，到底該繼續爬上B峰，或者回頭爬上A峰，然後一路溜回入山口，接著回家休息？

好在意志力驅使著你登上了B峰，接著一路溜下3谷，準備第三段旅程，這次你比較不猶豫了，在你面前的C峰比你身後的B峰還低，不論你有多想休息，你肯定還是會爬過C峰來到出山口坐巴士回家休息，而不是爬上B峰、越過A峰去到入山口等巴士。

經過一番努力，你終於成功橫亙這座山脈，現在你在出山口坐上返家的巴士，你在巴士上開始回想這趟登山之旅，這當中有三段旅程，哪一段是你覺得最難克服的呢？

化學反應就像你在登山，它們必須跨過被稱為活化複合體的高峰，才有機會成為中間體（山谷），或是產物（出山口）。

當化學反應停留在中間體時，它們必須重新提升位能來達到活化複合體，但對它們來說，它們並沒有一定要完成反應的義務，因此它們很有可能會柿子挑軟的吃，「反正都要提升位能，我幹嘛不變成那個位能比較低的活化複合體？」，於是化學反應很可能走上回頭路，而使反應完全之日遙遙無期，反應速率也就很慢。

也就是說，對化學反應而言，並非爬最長的那段是瓶頸反應，而是那段「前頭辛苦，後路容易」的步驟最容易讓化學反應放棄，因此那才是最辛苦的瓶頸反應。

而要「最」符合「前頭辛苦，後路容易」的步驟，根據邏輯，那也會是海拔（位能）最高的一段路程。


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我可能解釋得很囉唆，但我在教學現場常是用這種說法為學生解釋，效果還不錯，可是在這說法當中，其實有一些比喻並沒有那麼精準地符合現代化學的理論，更深入的內容，你可以參考大學的物化課程。

希望這種說法能夠幫到你！



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推 r64924e: ~Sent by PTTNOW~
推 supersars: 物化動力學，3學分，修了你就懂了，不過要修過微積分
→ supersars: 你才會懂PSSH與RDS法，在計算推導時的意義
→ supersars: 基本反應-級數推導-RDS法與PSSH法
→ supersars: 這些東西去圖書館看中文本，還是GOOGLE一下
→ supersars: 上面有詳細的推導過程，計算題的算法與推導
→ supersars: 這個比量化好懂多了，量化實在是難懂
推 letmeask: 那如果我在A谷前面又造了一個X谷，它比A谷矮很多
→ letmeask: 說到 前面辛苦後面容易的程度，在X - A谷之間最嚴重
→ letmeask: 那麼，RDS仍然是最高的那段？
→ letmeask: 我覺得我原文的回答者
→ letmeask: k大，用濃度稀薄的想法我蠻能接受的
→ letmeask: 你的比喻我反而看不懂，可能是因為你沒有結合理論來說服
→ letmeask: 吧
→ jessti: 當你多ㄧ個谷，他需要克服的位能障礙就不同情況
→ jessti: 每一個中間體進行下一反應時位能要提升越過能障
→ jessti: 逆反應的能障顯然比進行下一步低，則下一步關鍵
推 letmeask: 所以樓上j大同意最難跨過的第一谷是RDS嗎？
→ jessti: 濃度低不能保障往後反應的快慢，像是濃度低但逆
→ jessti: 向快過順向，反應速率就是順向決定
→ jessti: 依你的圖是跨越最高峰的步驟
推 letmeask: 如果我在第一谷前面加上一個很矮的X谷，RDS仍是最高峰
→ letmeask: 嗎？
→ jessti: 1<=>2<=>3<=>4每步驟都是可逆，1<=>2雖然慢
→ jessti: 造成2的濃度很低，但是2<=>3的能障高於前一步
→ jessti: 會造成2->1的效率高過2->3，實質上卡在後面
推 letmeask: 請問你指的 能障 是什麼呢？
推 letmeask: 那如我所說，在1的前面再加上一個非常矮的谷
→ letmeask: 是否就變成卡在1→矮谷 那邊了？
→ jessti: 能障就是爬山高度
→ jessti: 加谷也一樣
推 letmeask: 謝謝j大這麼晚還陪我討論，不過我精神不行了
→ letmeask: 頭昏腦脹的，先晚安囉^_^
→ hiyori: 抱歉，用登山有點引喻失當，或許你可以想成打彈珠，當彈珠
→ hiyori: 從1成功跨越最高的B峰，幾乎可以篤定反應會成功。
s
※ 編輯: hiyori (175.96.96.194), 08/02/2015 08:51:52
→ hiyori: http://i.imgur.com/VV9HfJU.jpg
→ hiyori: 即使反應如你所述，變成上圖，反應粒子從1出發而能夠成功
→ hiyori: 跨越y峰或A峰所具備的低限能，並不足以使反應粒子能跨越B
→ hiyori: 峰。除非反應粒子最初由外界得到足夠的動能以達到低限能的
→ hiyori: 標準，要不然它始終無法跨越能障最高的活化複合體的活化能
→ hiyori: （位能）。
→ hiyori: 此外我剛才去看你在上篇的推文，你觀念有個大問題，你誤解
→ hiyori: 活化能的意思了，活化能是活化複合體和反應物或生成物之間
→ hiyori: 的位能差，而非與中間產物的位能差。所以1到2的正活化能是
→ hiyori: 比1到3的小，根據阿瑞尼士方程式，第一步反應的k值較大，
→ hiyori: 所以反應速率較快，第二步k值小很多。RDS應該和k值比較有
→ hiyori: 關，可能和中間體的濃度關聯性較不大，當然從濃度的觀點切
→ hiyori: 入也是一種適合高中的想法。
推 letmeask: 活化能是活化複合體和反應物或生成物之間的位能差
→ letmeask: 而非與中間產物的位能差<<<  這真的和我認知的不一樣
→ letmeask: 老師在提及到這個多峰的圖時，還特別把每個中間產物
→ letmeask: 需要跨越的Ea 特別寫出來耶~
→ letmeask: 關於這題速率的問題我直接去問老師好了
→ letmeask: 因為有太多想問的，但是文字又沒辦法詳細的表達出來
→ letmeask: 真的很謝謝樓上各位熱心的幫助^^ 你們都是大好人
→ jessti: 群體好人卡.....好樣的
→ hiyori: 很少有學生會像你問那麼深入的問題，其實你的問題也是許多
→ hiyori: 化學教師想問的，你真的很用心而且很厲害。
→ hiyori: 我有些部分也要再去查一查，謝啦～
推 letmeask: j大已經被我發了一張睡覺卡和一張好人卡，有點慘..
→ letmeask: h大應該是化學老師吧，好棒的老師，喜歡用比喻教導
→ letmeask: 而且隨時不忘記鼓勵學生，又熱心，謝謝你喔!!
推 Falajack: 這不是小中中嗎XD
推 Tamama56: 好比喻
→ hiyori: 法拉幹嘛掀我底～
推 HiYork: ID好像喔 擊掌
→ hiyori: 拍！