温度依存の反応速度

化学反応速度は温度変化に敏感です。10°Cの上昇は反応速度を3〜4倍加速させることができますが、なぜでしょうか?

反応の速度の法則は、反応物濃度と反応速度の関係を定義します。濃度は温度に依存しないため、温度に応じた反応速度に影響を与えるのは速度定数のみが残ります。したがって、1889年にスウェーデンの化学者スバンテ・アレニウスは、反応速度の温度依存性は速度定数に含まれると結論付けました。

速度定数は、アレニウス方程式を介して、反応する分子の衝突、配向、および活性化エネルギーに関連する温度と運動パラメータの関係を表します。aはアレニウス因子または周波数因子と呼ばれる定数であり、eはジュール/モルで測定された活性化エネルギー、ガス定数、およびケルビン単位の温度を統合した指数関数的因子です。

パラメータの温度依存性は、反応する分子が正しい向きで十分なエネルギーと衝突して化学反応を開始する必要があるという衝突モデルで説明できます。

周波数係数は、衝突周波数と方向係数の 2 つのコンポーネントを構成します。衝突頻度は単位時間あたりの分子衝突の数であり、配向係数は好ましい配向との衝突の確率を表します。

それでも、衝突のごく一部だけが反応につながります。これは、反応する分子が製品に変換するために、活性化エネルギーと呼ばれるエネルギー障壁を克服しなければならないためです。

十分な運動エネルギーで衝突する分子だけが、結合を曲げたり、伸ばしたり、切断したりするのに十分な位置エネルギーを持ち、遷移状態と呼ばれる高エネルギーの中間体、または活性化複合体に変化します。短寿命で不安定な活性化錯体は、エネルギーを失い、安定した生成物を形成し、その総エネルギーは反応物よりも低くなります。

アレニウス方程式の指数係数は、成功した衝突のうち、製品が得られる割合を表します。温度の上昇は、周波数係数と指数係数の両方に影響します。

高温では、分子はより速く、より力強く、より高い熱エネルギーで移動するため、より有利な衝突につながります。

したがって、温度が上昇すると、周波数と指数関数的な要因が高くなり、速度定数が上昇し、その結果、反応速度が加速されます。