化学反応速度論:反応速度と因子を理解する|化学

中心概念 – 反応速度と反応速度

この記事では、どのような性質が影響するのか、反応が起こるために必要な条件、反応速度の計算方法など、化学反応速度と反応速度について学びます。

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反応速度とは何ですか?

反応速度は、化学反応が起こる速度を測定します。これは、反応物の濃度の変化を時間の変化で割ることによって行われます。したがって、反応物の消失速度または生成物の出現速度のいずれかを測定します。レートを計算するには、まず一般的な式を見てみましょう。

いくつかのメモ:

反応物 A と B の速度は、消費されているため負になります。これは、C と D が逆の理由で陽性であること、つまり生成されていることを意味します。
各種（反応物と生成物）の時間変化に伴う濃度の変化を、その化学量論的等量で割ります。
各種の濃度は、括弧 [ ] で示されるモル濃度で測定されます。

キネティクスとは何ですか?

動力学の一般的な定義は、機構に対する力の影響を研究することです。化学 (化学反応速度論) の観点から言えば、反応速度の研究です。反応速度に関する知識を利用すると、化学反応が反応物から生成物に至るまでの速度、または反応物が消費されて生成物が生成される速度の研究であると言えます。反応の速度論を研究する際に役立つ尺度は、粒子がその運動によって持つエネルギーである運動エネルギーです。

衝突理論とは何ですか?

反応速度と反応速度論をより深く議論するには、まず衝突理論を理解する必要があります。反応が起こるためには反応する粒子が衝突する必要がありますが、すべての衝突が反応を引き起こすわけではありません。衝突理論は、反応が起こるために必要な条件を概説します。衝突理論を満たす条件は 3 つあります。

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パーティクルは衝突する必要があります

衝突には十分なエネルギーが必要です

衝突には適切な方向が必要です

粒子は衝突する必要があります

衝突理論の最初の条件、つまり粒子は衝突しなければならないということは、反応の基礎です。衝突しなければ粒子は相互作用しないため、反応は起こりません。

衝突には十分なエネルギーが必要です

前に述べたように、粒子の運動エネルギーはその運動によるエネルギーです。したがって、粒子の運動エネルギーはその速度に比例します。反応には特定の活性化エネルギー、つまり反応が起こるのに必要なエネルギー（しきい値など）があるため、反応する粒子の運動エネルギーが重要です。衝突する粒子の運動エネルギーは、反応が起こる活性化エネルギーと一致する必要があります。

衝突の活性化エネルギー図。
(出典:ウィキメディア・コモンズ)

衝突には正しい方向が必要です

粒子が十分なエネルギーで衝突した場合でも、反応が起こるとは限りません。反応物が衝突する方向によって、反応が起こるかどうかが決まります。さらに、反応が起こる可能性もありますが、衝突の方向によってどのような生成物が形成されるかが決まります。これは、2 つの分子が衝突する角度に応じて、異なる個々の原子が相互作用するためです。

反応速度と反応速度への影響

衝突理論についてこれを理解したので、反応速度に影響を与える性質について議論できるようになります。反応速度に影響を与える可能性のあるプロパティが 4 つあります。

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集中力

温度

物理的状態

触媒または阻害剤の存在

集中力

濃度と反応速度には正の相関関係があり、粒子の濃度が増加すると反応速度も増加します。その逆もまた真です。衝突理論を使用すると、これを説明できます。粒子の濃度が高いほど衝突の量が増加するため、反応速度が増加します。

温度

温度と反応速度にも正の相関があります。これは、温度が粒子の平均運動エネルギーの尺度であるためです。温度が高いほど、粒子の運動エネルギーは大きくなります。これにより、衝突の量が増加するだけでなく (粒子の移動速度が速くなるため)、衝突が十分なエネルギーで発生する可能性も高まり、反応速度が増加します。

物理的状態

反応物の物理的状態は、表面積により反応速度に影響を与える可能性があります。固体中の粒子は液体や気体の粒子のように自由に動くことができないため、反応物の表面積が減少します。表面積が小さいほど、粒子相互作用が反応する機会が減り、反応速度が遅くなります。逆に、ガス粒子は、反応速度を遅くする可能性がある他の物理状態とは対照的に、最も自由に動きます。他の物理状態とは異なり、ガス粒子はコンテナの空間を満たしますが、各物理状態で同じ量の粒子を比較していると想像してください。気体状態では、同じ量の粒子がより多くの空間を占めます。これにより、衝突が偶然に起こるようになり、反応速度が遅くなる可能性があります。

触媒または阻害剤の存在

触媒は反応速度を増加させますが、阻害剤は反応速度を減少させます。触媒は反応の活性化エネルギーを低下させ、より多くの衝突が反応が起こるのに十分なエネルギーを得ることができるようにします。阻害剤は逆に作用します。これらは、反応がより高い活性化エネルギーを持つ経路を通るように強制します。したがって、十分なエネルギーを満たす衝突が少なくなり、反応速度が遅くなります。