温度依存性

化学反応速度論

反応速度とは、化学反応が起こる速度のことです。反応速度は、反応中の成分の濃度の経時変化として定義されます。反応の速度は、反応物の濃度や反応が行われる温度など、いくつかの要因に依存します。各反応物は、特定の因子による反応速度に寄与します。この関係は、反応速度の法則によって定義されます。

料金法

速度の法則は、反応物の濃度AとB、およびそれらの反応順序mとnの間の関係を記述する方程式です。速度定数kは、反応物の濃度と順序を反応速度に関連付けます。これは、反応が実行される温度として反応に依存します。

r = k [A]^m[B]ⁿ for aA + bB → cC

アレニウス方程式

アレニウス方程式は、反応速度定数を化学反応の活性化エネルギーに関連付けます。活性化エネルギーは、化学反応が進行するために必要なエネルギー量として定義されます。反応がこの活性化エネルギー要件を満たさない場合、反応は進行しません。

k と温度の間の負の指数関数的関係は、温度が上昇すると k の値も増加することを示しています。速度定数はさまざまな温度で実験的に決定できるため、活性化エネルギーはアレニウス方程式を使用して計算できます。両辺の自然対数を取ることで、アレニウス方程式は線形方程式に書き換えられます。

ln k 対 1/T のプロットでは、傾きが -E_a/R に等しく、y 切片が ln A の直線が得られます。理想気体定数Rが既知であるため、_{E a}は、異なる温度での一連のk値を使用してグラフィカルに決定できます。

触媒・活性化エネルギー

一部の化学反応は、反応が進行するのに十分な大きさの活性化エネルギーを持っているため、反応が進行する場合でもゆっくりと進行します。過酸化水素の酸素と水への分解反応は自然に起こりますが、信じられないほど遅い速度で起こります。この最初の障壁を克服する方法の1つは、熱の形でエネルギーを供給することです。ただし、過度の熱は生成物や反応物の安定性に影響を与えたり、副反応を促進したりする可能性があるため、これは必ずしも理想的ではありません。

化学反応の活性化エネルギーは、触媒を使用して変更できます。触媒は化学反応の活性化エネルギーを低下させますが、反応によって消費されることはありません。言い換えれば、触媒は、重要な活性化エネルギー要件の克服を容易にすることにより、化学反応を促進します。過酸化水素の分解では、硝酸鉄を添加すると活性化エネルギーが低下し、反応がより速い速度で進行します。ただし、触媒は反応速度に影響を与える可能性がありますが、触媒は反応によって生成される生成物の量を変更しないことに注意することが重要です。

参照

1. Kotz, J.C., Treichel Jr, P.M., Townsend, J.R. (2012).化学および化学反応性。カリフォルニア州ベルモント:ブルックス/コール、Cengage Learning。
2. Silberberg, M.S. (2009).化学:物質と変化の分子的性質。マサチューセッツ州ボストン:マグロウヒル。

反応が進行する速度の尺度は、反応速度と呼ばれます。化学反応の速度は、反応の速度と反応物濃度との関係を表す速度の法則によって定義されます。この式では、k は速度定数、A と B は 2 つの反応物、m と n はそれぞれの反応順序です。

レート定数は、関係をレートの適切な単位 (モル/リットル/秒) に変換します。したがって、速度定数は、反応の全体的な順序に応じて、異なる単位を持ちます。ただし、レート定数は、単なる単位変換よりも重要です。速度定数は、化学反応が発生するために必要な最小エネルギー量、つまり活性化エネルギーに関連しています。

反応では、反応物は位置エネルギーの初期状態にあります。反応が進行するにつれて、最終状態に達する前に、特定の位置エネルギー、つまり活性化エネルギーを克服する必要があります。反応の正味エネルギーは、初期状態と最終状態の差です。この違いは、反応がエネルギーを放出することを意味する負のものと、エネルギーを吸収することを意味する正の場合があります。

活性化エネルギーを克服するのに十分なエネルギーがない場合、反応は進行しません。場合によっては、エネルギーを熱の形で供給することができます。これにより、活性化の障壁を克服するための追加のエネルギーが提供され、反応を進めることができます。触媒を添加することもでき、これにより、反応物と生成物との間に代替の低活性化エネルギー経路が提供されます。

触媒は反応で消費されないため、反応の正味エネルギーに影響を与えません。活性化エネルギーは実験的に決定され、Aが前指数関数的または周波数係数、Rが普遍的な気体定数、Tが反応が発生する絶対温度であるアレニウス方程式によって反応定数kに関連しています。

この式から、反応温度を上げるか、活性化エネルギーを減らすと、速度定数が増加することがわかります。速度の法則の方程式に戻ると、速度定数が高いほど反応速度が高くなります。温度が上昇すると、分子はより速く移動し、より頻繁に衝突するため、活性化エネルギーよりも高いエネルギーを持つ分子の割合が増加するため、これは理にかなっています。

本研究室では、過酸化水素の分解をモデル反応として、反応の活性化エネルギーを実験的に測定する方法を学びます。