以Excel程式模擬反應速率

化學反應速率與反應物濃度、反應速率常數(rate constant) 、及反應級數(order)有關。藉由Excel程式模擬反應物或產物與時間的關係，經由改變各種實驗條件，了解反應速率的內涵。                  

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1.現象說明

在學習反應速率的過程中，學習者接觸的核心概念包括反應速率常數、反應級數、逆反應等。對於一次反應，我們也介紹其「半衰期」與反應物起始濃度無關(=ln2/k)。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，改變實驗條件進行探索，計算濃度與時間、反應速率與時間的關係。例如，我們可以紀錄反應物濃度與時間的關係，證明(只有)一次反應之半衰期與反應物起始濃度無關。當正反應和逆反應同時發生時，我們可以學習到化學平衡是「正反應速率和逆反應速率相等」的結果。

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、逆反應等，讓學習者深入了解反應速率及平衡。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?
• 2.2 如何在Excel中獲得反應速率?
• 2.3 如何表示一至三次反應之反應速率式?
• 2.4 如何計算半衰期?

3.實作項目

• 3.1 設定「時間差」(t)及「時間軸」，設定一次反應 (參考答案如下，實作中讓同學以不同的實驗條件操作)

之起始濃度及速率常數

• 3.2 設計多步驟「循環回饋」反應:

最容易製造出震盪反應的是以下的想像實驗

其中，反應物和產物相互抵消，因此是一個「零」反應，而每一格個別反應都包含了回饋機制。

以標準參考條件:

，所得的濃度與時間相關圖如下:

三種分子的濃度隨時間以不同的週期震盪，且濃度變化顯示反應漸趨平衡。

• 3.3 三種分子的起始濃度與速率常數對震盪周期的影響:

三種反應物起始濃度相同(3.0 M)時，震盪週期改變，達到平衡的時間變短。

4.分析與評量

• 4.1 在這個模擬中，如果假設性地改變某一反應條件(如反應物的濃度或速率常數)，你能先猜出可能的震盪趨勢嗎?
• 4.2 如果改變一組兩組或三組反應的反應及逆反應速率常數的數值及相對值，紀錄震盪趨勢如何隨之改變。
• 4.3 從以上的探索，試歸納出何種條件可以設計出震盪趨勢最明顯(及最不明顯)的反應條件。

5.參考文獻

• [1] 震盪反應: http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=18914http://inside.mines.edu/~dwu/classes/CH353/labs/ClockCKS/Wet%20Lab%204/Oscillating%20Reactions.pdf
• [2] BZ反應: https://zh.wikipedia.org/wiki/B-Z%E5%8F%8D%E5%BA%94
• [3] Oregonator震盪反應模擬: http://www.scholarpedia.org/article/Oregonator

6.進階探索

• 6.1 綜合以上分析，試推論何種條件可以讓震盪週期增長。