反応物濃度の変化の影響など、化学システムの動力学研究を使用して、個々の粒子間の衝突など、微視的スケールで発生するイベントを決定することが可能です。これらの実験の結果、反応する化学種の挙動を理解するための有用なツールである化学反応速度論の衝突モデルが開発されました。衝突モデルは、化学反応が高温でより頻繁に起こる理由を説明します。
たとえば、周囲温度で起こる多くの反応は、わずか 10°C の温度上昇で反応速度が 2 倍になります。このセクションでは、衝突モデルを使用して温度と反応速度の関係を見ていきます。まず、温度と反応速度の関連性に飛び込む前に、観測された巨視的な反応速度に影響を与える 3 つの微視的要素に対処する必要があります。
反応速度の衝突理論
何かを加熱すると、粒子はより速く移動します。それらがより速く動くと、より頻繁に衝突し、反応の可能性が高まります.
この仮説の問題点は、温度上昇に伴う反応速度の観察された変化のごく一部しか説明できないことです.
室温での典型的な応答のために温度を 10°C 上げても、衝突率は約 2% しか増加しません。ただし、反応率はほぼ 2 倍になり、100% 増加します。
最後に、反応速度に対する温度の影響は、反応の活性化エネルギー Ea に依存する速度定数 k に対する温度の影響によって決まります。より高い温度では、より多くの分子が反応を開始するために必要な最小運動エネルギーに達します。
アクティベーション エネルギーとは何かを見てみましょう
以下の図を調べてください:
ガスが混ざって水になると、大量の熱が発生する発熱反応です。水素と酸素が混ざると、システムはよりエネルギー的に安定します。では、水素と酸素を混ぜるとより安定するのであれば、なぜすぐに反応しないのでしょうか?応答が発生するには、結合を壊して新しい結合を確立する必要があります。 .結合が切れると、エネルギーが放出されます。新しい絆が形成されると、エネルギーが放出されます。
水素と酸素の反応で、水素分子と酸素分子の間の結合を切断するには、多くのエネルギーが必要です。
典型的な温度での水素/酸素の組み合わせにおける分子間の衝突は、これを行うのに十分なエネルギーを提供しません.
活性化エネルギーは、衝突が反応を引き起こすために必要なエネルギーの最小量です。
これを実証するために、最後の図を変更できます。これが反応プロファイルと呼ばれるものです。発熱反応は、下の図で表すことができます。
もちろん、今回は活性化エネルギーが大幅に高くなっています。
温度とエネルギー
- 物質の粒子の平均運動エネルギーは、その温度に関係しています。平均運動エネルギーが上昇すると、温度の上昇に気付くでしょう。
- とはいえ、これは平均的な運動エネルギーです。その中の個々の粒子は、非常に低いエネルギー、中程度のエネルギー、または非常に高いエネルギーを持つ可能性があり、これは粒子が衝突するたびに変化します。
- ただし、特定の温度では、平均は同じままです。反応速度に関して、私たちが本当に関心を持っているのは、その時点で十分に高いエネルギーを持つ粒子です。出会い、活性化エネルギーを達成します。
- エネルギーが中程度または低い粒子は、再び衝突するだけで、何の影響もありません。
活性化エネルギーに関する反応速度への温度の影響
衝突は、反応が発生するための活性化エネルギー以上のエネルギーを提供する必要があります。その結果、その時点で非常に高い運動エネルギーを持つ粒子のみに関心があります。
すべての粒子に対する温度上昇の影響は比例しません。代わりに、アクティブな粒子の数が大幅に増加します。
その結果、反応速度に対する温度の主な影響は、衝突エネルギーが活性化エネルギー以上の粒子の数を増やすことです。
反応率に影響を与えるその他の要因は
- 反応物濃度
- 反応物の物理的状態
- ライト
- 触媒または阻害剤の存在、種類、濃度
結論
化学反応は、身の回りや体内で見られます。食べたり呼吸したりする分子を有用なエネルギーに変換できる生物学的メカニズムに加えて、化学物質や化学物質に依存する商品を生産する工業研究所が世界中にあります。
1 つまたは複数の生成物が生成され、反応物が十分に供給されていることは別として、反応の最も重要な特徴の 1 つは、どれだけ迅速に進行することが期待できるかということです。これは、製品の品質、安全性、およびその他の要因に影響を与える可能性があります。温度は、ほとんどのラボで簡単に調整できる反応速度を決定するパラメーターの 1 つです。
温度が反応速度にどのように影響するかを考え、読み続けて、化学反応を加速または減速する可能性のある多くの要因について詳しく学んでください。
