檢視以Excel程式模擬化學平衡的原始碼

<div style="float:left;">
<font color="black" size="4">藉由Excel程式模擬反應物及產物與時間的關係，經由改變各種實驗條件，了解化學平衡(chemical equilibrium)的內涵。化學反應達平衡時正反應速率等於逆反應速率，且平衡常數等於逆反應速率常數除以正反應速率常數。&emsp;&emsp;&emsp;&emsp;&emsp;&emsp;&emsp;&emsp;&emsp;&emsp;&emsp;&emsp;&emsp;&emsp;&emsp;&emsp;&emsp;<br></font><br>

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==1.現象說明 ==

在學習化學平衡的過程中，學習者接觸的核心概念包括正、逆反應速率常數、反應級數等。Excel程式是學習反應速率的最佳工具，因為我們可以引入「一段極短時間」的概念，改變反應條件進行探索，計算濃度與時間、反應速率與時間、反應商 (reaction quotient, Qr) 與時間的關係。
==2.探究問題 ==

利用Excel程式，改變實驗條件，包括反應物濃度、反應級數、反應速率常數，讓學習者深入了解化學平衡的內涵。教師可視時間多寡，使用電腦教室讓同學一次或分次自行完成Excel程式，或讓同學使用已完成的程式。過程中探究:
*2.1	反應速率應如何定義? 反應物與產物的濃度如何表示?
*2.2	如何在Excel中計算反應速率?
*2.3	反應商如何隨時間改變，是漸增或漸減呢?
*2.4	反應商不再改變時，其值等於平衡常數嗎?
*2.5	平衡常數有沒有單位?

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==3.實作項目 ==
*3.1	設定「時間差」(t)及「時間軸」，設一基元反應(elementary reaction) 為
::::::<img style="width:200px;" src='https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b2/%E4%BB%A5Excel%E7%A8%8B%E5%BC%8F%E6%A8%A1%E6%93%AC%E5%8C%96%E5%AD%B8%E5%B9%B3%E8%A1%A11.png'/>		          
:基元反應的分子係數即為反應級數，因此正、逆反應速率分別為
::::<img style="width:250px;" src='https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/31/%E4%BB%A5Excel%E7%A8%8B%E5%BC%8F%E6%A8%A1%E6%93%AC%E5%8C%96%E5%AD%B8%E5%B9%B3%E8%A1%A12.png'/>	
:反應物與產物之濃度與時間的關係分別為
::::<img style="width:350px;" src='https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/dc/%E4%BB%A5Excel%E7%A8%8B%E5%BC%8F%E6%A8%A1%E6%93%AC%E5%8C%96%E5%AD%B8%E5%B9%B3%E8%A1%A13.png'/>	
:<img style="height:70px;" src='https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/34/%E4%BB%A5Excel%E7%A8%8B%E5%BC%8F%E6%A8%A1%E6%93%AC%E5%8C%96%E5%AD%B8%E5%B9%B3%E8%A1%A14.png'/>
:<img style="height:300px;" src='https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/1a/%E4%BB%A5Excel%E7%A8%8B%E5%BC%8F%E6%A8%A1%E6%93%AC%E5%8C%96%E5%AD%B8%E5%B9%B3%E8%A1%A15.png'/>
:正、逆反應速率(rate[for] 、rate[back])與時間之關係如下:
:<img style="height:300px;" src='https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/54/%E4%BB%A5Excel%E7%A8%8B%E5%BC%8F%E6%A8%A1%E6%93%AC%E5%8C%96%E5%AD%B8%E5%B9%B3%E8%A1%A16.png'/>
:可以看出，反應時間約 6 sec 時正、逆反應速率相等。反應商定義為
::::::<img style="width:200px;" src='https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/1e/%E4%BB%A5Excel%E7%A8%8B%E5%BC%8F%E6%A8%A1%E6%93%AC%E5%8C%96%E5%AD%B8%E5%B9%B3%E8%A1%A17.png'/>	
:反應商與時間之關係如下:
:<img style="height:300px;" src='https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/37/%E4%BB%A5Excel%E7%A8%8B%E5%BC%8F%E6%A8%A1%E6%93%AC%E5%8C%96%E5%AD%B8%E5%B9%B3%E8%A1%A18.png'/>
:<img style="height:70px;" src='https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/09/%E4%BB%A5Excel%E7%A8%8B%E5%BC%8F%E6%A8%A1%E6%93%AC%E5%8C%96%E5%AD%B8%E5%B9%B3%E8%A1%A19.png'/>









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==4.分析與結論 ==
*4.1影響半衰期的因素
::起始濃度:
::以反應物起始濃度為操縱變因，得各次反應半衰期(秒)如下表(k=0.3)
::<img style="width:400px;" src='https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4c/%E4%BB%A5Excel%E7%A8%8B%E5%BC%8F%E6%A8%A1%E6%93%AC%E5%8F%8D%E6%87%89%E9%80%9F%E7%8E%872.10.png'/>
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::從表中可以看出，一次反應的半衰期與反應物起始濃度無關，其他反應的半衰期則與起始濃度有關。
::一次反應的半衰期: 
::以速率常數為操縱變因，反應物起始濃度為 2.0 M，得一次反應半衰期(秒)如下表
::<img style="width:300px;" src='https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/1e/%E4%BB%A5Excel%E7%A8%8B%E5%BC%8F%E6%A8%A1%E6%93%AC%E5%8F%8D%E6%87%89%E9%80%9F%E7%8E%872.11.png'/>
::以半衰期對速率常數作圖，兩者似乎成反比關係，再以半衰期對速率常數之倒數作圖，得到線性關係如下。
::<img style="height:300px;" src='https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/95/%E4%BB%A5Excel%E7%A8%8B%E5%BC%8F%E6%A8%A1%E6%93%AC%E5%8F%8D%E6%87%89%E9%80%9F%E7%8E%872.12.png'/>
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==5.教學目標與評量 ==

*5.1  能實際撰寫Excel程式、從數據、繪製圖表 。
*5.2 能從圖表或的結論，並能合理化解釋 。
*5.3能從結論做出預測，例如不同起始物濃度時，各級反應之濃度與時間圖關係，各級反應之半衰期變化 。
*5.4 能了解「線性相關」之意涵。
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==6.參考資料 ==

*6.1參考文獻
::[1] 反應速率: https://en.wikipedia.org/wiki/Rate_equation
*6.2 進階知識
:*6.1.1 一次反應之半衰期對速率常數之倒數作圖，得到線性關係。試著從這些數據計算直線的平均斜率 m，寫出半衰期與速率常數的關係式(假設截距為零)。
:*6.1.2 碳原子的同位素 14C 半衰期為 5730年，衰變是一次反應。當植物死亡後，其14C 濃度便逐年下降，我們可以藉此判斷化石或古物的年代。例如，每公克的木質化石14C 放射性是每公克現代木質的四分之一，則我們預估該化石來自11460年前的樹木。









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