什麼是速率常數計算器?
這個工具運用阿瑞尼斯方程式(Arrhenius equation)計算化學反應的速率常數 \(k\),而阿瑞尼斯方程式正是化學動力學的基石之一。只要輸入頻率因子(又稱指前因子)\(A\)、活化能 \(E_a\) 以及絕對溫度 \(T\),工具就會算出 \(k\),其單位與 \(A\) 相同。由於這是放諸四海皆準的物理化學原理,並不受任何國家或法規限制。
使用方法
請輸入頻率因子 \(A\)(對於簡單的單分子反應,數值通常約在 \(10^{13}\) 1/s 左右)、以焦耳每莫耳(J/mol)為單位的活化能 \(E_a\),以及以克耳文(K)為單位的溫度。計算器採用氣體常數 \(R = 8.314 \ \text{J/(mol}\cdot\text{K)}\)。請特別留意活化能須以 J/mol 表示,而非 kJ/mol;若手邊數值為 kJ/mol,請先乘以 1000 換算。
公式解析
阿瑞尼斯方程式為 $$k = A \cdot e^{-E_a / (R \cdot T)}$$其中指數項即為波茲曼因子(Boltzmann factor),代表分子碰撞中具備足夠能量發生反應的比例。當溫度升高時,指數值變得較不負,因此 \(k\) 會迅速增大;反之,活化能越高,指數值越負,反應速率也就越慢。
實際範例
假設 \(A = 1\times 10^{13}\) 1/s、\(E_a = 75{,}000\) J/mol、\(T = 298\) K:$$R \cdot T = 8.314 \times 298 = 2477.572 \ \text{J/mol}$$指數為 \(-75000 / 2477.572 = -30.272\)。因此 $$k = 10^{13} \times e^{-30.272} \approx 10^{13} \times 7.13\times 10^{-14} \approx 0.713 \ \text{1/s}$$
常見問題
k 的單位是什麼?與 A 相同。一級反應的 A 與 k 單位皆為 1/s;二級反應則為 L/(mol·s)。
Ea 應該用 kJ 還是 J?本計算器要求使用 J/mol。若數值為 kJ/mol,請乘以 1000 換算成 J/mol。
為什麼小幅度的溫度變化影響這麼大?因為溫度位於指數項之中,即使只是小幅升溫,也可能讓速率常數倍增好幾倍。常見的經驗法則是:溫度每升高 10 K,反應速率大約會加倍。