はじめに:
反応率に影響を与える要因:
これらの反応が起こる速度を考慮しない限り、化学プロセスの研究は不完全です。溶液中のイオンが関与する反応など、特定の反応は非常に速く発生することがわかっていますが、速度が検出できないほどゆっくりと発生する反応もあります。これらのレートの問題の実際的な重要性は誇張することはできません。たとえば、元素にさらされた金属は、酸素や水との相互作用の結果として腐食する可能性があります。温度、濃度、および触媒作用は、反応のペースを決定する最も重要な要素の 3 つです。さらに、固体の表面品質は非常に重要です。
反応速度を説明するために、2 つの主要なアイデアが使用されます。活性化複合体 (遷移状態) 理論と衝突理論はその 2 つです。ただし、コースの講義部分全体を通して、活性化複合体 (遷移状態) 理論についても学びます。
衝突理論
A + B ————-> 製品
A と B は原子、イオン、または分子であるため、互いに反応するには「衝突」する必要があります。分子は一定の高速運動をしているため、A と Be の分子は一定の間隔で衝突します。
ただし、すべての A-B 衝突が製品の生産につながるわけではありません。反応が起こる前に、反応物は「活性化エネルギー」または「活性化エネルギー」と呼ばれる特定のレベルのエネルギーと衝突する必要があります。このエネルギーは A と B の運動エネルギーから得られるため、十分な力を伴う衝突のみが反応を引き起こすことに成功します。 A または B の濃度が 2 倍になると、A と B の間の 1 回あたりの衝突回数は 2 倍になります。温度が上昇すると、A と B の両方の運動エネルギーが増加し、その結果、毎秒より多くの衝突が発生し、これらの割合が大きくなり、化学反応が発生します。その結果、温度が上昇するにつれて速度は通常増加します。
アレニウスの式を使用して、活性化エネルギーを計算できます:k =Ae-Ea/RT
アレニウスの式は ln k =− Ea/RT + ln A と書き直されます。
ここで、k は速度定数です
A は頻度係数です。
Ea は活性化エネルギーの略です。
R =気体定数、8.3145 J/mol K
で表されるT =絶対温度、K =ケルビン
ln k の傾きを 1/T の傾きに対してプロットすると、傾き =-Ea/R、傾きの切片は ln A になります。
カタリシス
触媒は、化学プロセスの速度を変える化学薬品です。これは、反応に必要な活性化エネルギーの量が減少するためです。必要な活性化エネルギーが少ない場合、必要なエネルギーを持つ衝突の割合が高くなり、衝突率が増加します。触媒が活性化エネルギーを減少させる方法は、触媒の種類によって異なります。阻害剤は、プロセスの速度を遅くする触媒です。
時計の反応
この実験では、化学反応の速度に対する温度と濃度の影響を調べます。選択された反応は、「クロック反応」とも呼ばれますが、実際には
反応 (1) で生成されたヨウ素は、反応 (2) で即座に消費されるため、Na2S2O3 がすべて使用されるまでは意味のある量のヨウ素は蓄積されません。これが起こると、デンプンインジケーターが青色になるポイントまでヨウ素含有量が上昇します.青色の色合いの発生は、すべての Na2S2O3 が消費されたことを示しています。
金利法
この実験では、前の反応の速度法則が確立されます。
実験的に、x、y、および z の数値が決定されます。 x、y、および z は、A、B、および C に関する反応の順序でもあります。反応の全体的な順序は、反応物の個々の順序の合計によって与えられます。 x、y、および z を計算した後、速度定数 k を計算できます。
アレニウス方程式
化学反応速度の温度依存性に関するアレニウスの式を以下に示します。
ここで、k は反応の速度定数を表します。
Aはアレニウスの略です。 Activation =Constant Ea 反応のエネルギー (ジュール mol1)
Rはユニバーサルガスの略です。定数
T は絶対温度 (ケルビン単位) を示します
温度が上昇すると反応速度が上昇することはわかっていましたが、温度と反応速度の関係を統計的に予測する方法はわかりませんでした。この問題を解決できたのは、アレニウスの式のおかげです。これは、温度による速度定数の変動をシミュレートするために使用される経験的な関係であり、さまざまな温度での化学プロセスの速度に関する情報を提供します。
温度、濃度、および触媒は、次のように速度に影響します:
反応速度は温度とともに増加する傾向があります : このパターンは、反応するために反応物が互いに衝突しなければならないという事実から生じます。反応物が適切な向きと適切なエネルギーで衝突すると、反応が発生する可能性があります。その結果、より多くの衝突があり、それらの衝突のエネルギーが大きいほど、よりリアルな応答が発生します。温度が上昇すると、反応混合物中の粒子の平均運動エネルギーが上昇し、粒子がより速く移動し、より頻繁に、より多くのエネルギーで衝突します。
濃度を上げると、反応速度が上がる傾向があります: この傾向の原因は、同様に衝突に関連しています。より高い濃度は、より多くの反応物粒子が互いに接近していることを示唆しており、その結果、より多くの衝突と反応の可能性が高くなります。反応物の濃度を上げると、より多くの反応物が溶液に溶解する可能性があります。
一部の反応物は完全に溶解していないため、より大きな未溶解粒子として表示されます。粒子が小さいほど、特定の状況での応答が速くなります。粒子が小さいほど表面積が大きくなり、反応にさらされる粒子の割合が大きくなります。
触媒は反応速度を高めます: 触媒は化学的に変化しないため、プロセスが最終的に生成できる製品の量 (収率) には影響しません。ここでは、子供の頃の例が適切です。自転車に乗り始めると、親が後押ししてくれることがあります。ただし、最初のプッシュの後は、ペダリングは完全にあなた次第です。最高速度と最終目的地は、ペダルを踏んでバイクをコントロールする能力によって完全に決定されますが、そのプッシュ (触媒) により、より速くスピードを出すことができます。
触媒はさまざまな方法で機能しますが、そのすべてに活性化エネルギーの低下が伴います。化学経路に沿った最高エネルギー段階である遷移状態に到達するには、エネルギー丘の反応物が上昇する必要があります。活性化エネルギーが低いほど、反射が速くなります。
結論:
したがって、この記事全体から、温度が上昇すると、反応混合物内の粒子の平均運動エネルギーが上昇し、粒子がより速く移動し、より頻繁に、より多くのエネルギーで衝突するようになると結論付けることができます。濃度を上げると、反応率が上がる効果があります。
