【理論化学】反応速度とは・活性化エネルギー・アレニウスの式を簡単に解説!高校化学選択をしている受験生や高校生は必見!

理論化学の解説(反応速度とは・活性化エネルギー・アレニウスの式とは)

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化学科を卒業して予備校講師(模擬試験作成)をしていた予備校講師の休日です。化学を放置すると忘れていくので、備忘録代わりに受験生にも役立つ高校化学の情報をまとめておこうと思い、この記事を作成しました!できれば、勉強法のTwitter(こっちがメイン)もフォローしてもらえると嬉しい^^勉強関連やTOEIC関連でこうやったら勉強できるなど気づいたことをどんどんツイートしていますので!化学関連の解説記事一覧・目次はコチラから。

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反応速度の定義式と実験式

Twitterの原文ママ

反応速度の定義式はーΔ[A]/ΔtのΔtを極限まで0に近づけた値のこと。なんでマイナスがつくかというと、反応速度は「正」で語られるからね。Δ[A]って減少量だから負の値なんだよ。だからマイナスをつける。

解説コメント

反応速度の定義を考えよう。

ある化合物AがBになる反応について、ある時間t1では[A]1という濃度だったのが、A→Bの反応が進行して、時間t2では[A]2という濃度になったとする。

t1〜t2の間での、A→Bの反応速度の平均はどのように定義されるだろうか?

v(平均)= −([A]2 − [A]1)/(t2 − t1)= −Δ[A]/Δt

となる。これは反応速度の平均。数学の微分と同じで、Δtを極限まで0に近づけると(lim t→0にすると)、反応速度となる。

グラフを用いて説明しないとイメージしづらいね。

続いて、反応速度の実験式。

あるA2とB2を反応させて、ABを生成させる(A2+B2→2AB)とする。この時の反応速度vは次のような実験式(たくさん実験をした結果得られる式)で表される。

v = k[A2][B2] (kは反応速度定数。定数というが、温度依存の値。)

例えば、A2+2B2→2AB2ならば、反応速度vはどのように表されるだろうか?

A2+B2+B2→2AB2と考えれば良いので、反応速度vは、

v = k[A2][B22 となる。

反応の仕組みと活性化エネルギー

Twitterの原文ママ

活性化状態って原子状態ではないからね!A2とB2を反応させて、2ABを得ようとするときに、2Aと2Bっていう原子状態は取らない。原子状態にするのはすごく大変だから。代わりに活性化エネルギーを得て、活性化状態という状態をとる。

解説コメント

あるA2とB2が衝突して、2ABができる反応について考える。

反応を起こすためには活性化エネルギーを超えるエネルギーが必要。活性化エネルギーを超えるエネルギーが与えられると、AとBは活性錯体という物質になる。この状態を活性化状態というんだわ。

活性化状態ってどんな状態かっていうと、原子状態ではない。A2とB2をそれぞれバラバラの2Aと2Bにしてから、2ABなんてすると、マジで大変なので(つまり、原子状態にするのはものすごく大変)、活性化状態というところまで持ち上げればOK!!!

あとは勝手に反応して、2ABが出来上がる。この活性化エネルギーという山を越えないと反応は進行しないわけだ。

もし、反応を速やかに進行させたいと思ったらどうする?

この活性化エネルギーを下げて、簡単に『山』を越えたいと思うよね。

この活性化エネルギーを下げる働きをするのが触媒。触媒とは、自身は反応に関与せず、活性化エネルギーを下げて反応しやすくする働きをもつ物質のこと。

反応速度を支配する因子について。反応速度を支配する因子は次の3つ。

  1. 衝突回数
  2. 粒子のもつ運動エネルギー
  3. 活性化エネルギーの値(山の高さ)

上記を踏まえて、できるだけ反応速度を速めようと考えた時に、どういう手段を用いれば良いだろうか?答えは次の通り。

  1. 衝突回数を増やすためには反応物質の濃度を上げる。
  2. 運動エネルギーを上げるためには、温度を上げる。
  3. 活性化エネルギーを下げるためには、触媒を用いる。

つまり、できるだけ速く反応させたいと思ったら、濃い濃度の物質を使って、温度はできるだけ上げた状態で、触媒を用いて活性化エネルギーを小さくすれば良いという話だわね。

反応速度定数とアレニウスの式

Twitterの原文ママ

アレニウスの式から反応速度定数は温度依存の定数であることがわかるよね。あと、活性化エネルギーを下げれば反応は速やかに進行することもわかる。アレニウスの式が思い出せない人はこちら→

解説コメント

アレニウスの式 k = A×e-Ea/RT (Aはただの定数)

反応速度「定数」は定数のくせに、温度依存であることがわかる。

また、

  • 活性化エネルギーEaを下げると反応が速やかに進行すること
  • 温度Tを上昇によって反応が速やかに進行すること

活性化エネルギーを下げる→k大→反応速度大

温度T上昇→k大→反応速度大

という感じ。実際に「1」を入れた時と、「100」を入れた時で比較してみよう。

温度を上げるということはそれだけエネルギーをたくさん持った『元気のいい』粒子が増えるということになる。だから、反応速度が速くなるんだわ。

また、活性化エネルギーを下げるということは、エネルギーをそれほど持たなくても反応が進行しちゃうっていう尻軽になるわけ。

ボルツマン分布を用いて説明するとわかりやすいかもね。図はすまん!!描く時間がないので動画を作ったらボルツマン分布を用いて説明するよ!

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ABOUTこの記事をかいた人

ニシジマ

ゆとり世代ど真ん中に爆誕。円周率は3だと信じて疑わない。大学卒業後,予備校で勤務しており,化学を担当。主な業務は,模擬試験作成と入試解説の執筆。大学時代の専攻は物理化学であるが,難解すぎて意味があまりわからない。