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13.2:

反応速度の測定

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Chemistry
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Measuring Reaction Rates

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Reaction rates can be studied by determining the change in concentrations of reactants or products as a function of time. Concentration changes can be measured by experimental techniques like polarimetry, spectroscopy, or pressure measurements. Polarimetry uses plane-polarized light with an electric field oriented along only one plane. It measures the ability of compounds to rotate polarized light, which depends on the molecular structure of the compound present. Consider the hydrolysis of sucrose, which yields glucose and fructose. A polarimeter is used to measure the degree of rotation of plane-polarized light coming through the reacting sucrose solution. Sucrose causes clockwise rotation, whereas glucose and fructose cause counterclockwise rotation. By measuring the degree of rotation of light at set time intervals, the relative concentrations of sucrose, glucose, or fructose can be calculated and the reaction rate determined. Reaction rates can also be measured using spectrophotometric methods, utilizing the ability of reactants or products to absorb light of specific wavelengths. The higher the concentration of the substance-of-interest, the more intense its light-absorbance will be. For instance, colorless hydrogen gas reacts with violet iodine vapor to form colorless hydrogen iodide. Iodine vapor absorbs light in the yellow-green region and reflects violet light. During the reaction, a spectrophotometer measures the amount of light absorbed by the sample and analyses the light transmitted. Thus, as the reaction progresses, the decrease in the iodine vapor concentration is observed by the reduction of the  yellow-green light absorbance. Using the Beer–Lambert law, the intensity of light absorbed at different time points can be calculated and related to changes in concentration. Alternatively, if one of the reactants or products is a gas, pressure measurements are used to determine reaction rates by monitoring pressure changes. For example, during hydrogen peroxide decomposition, the reaction rate is studied using a manometer to monitor the pressure of oxygen gas released. As the reaction progresses and more oxygen gas evolves, the pressure rises. Using the ideal gas equation, pressure values recorded at different time points are converted to concentrations. The change in concentration as a function of time is used to determine the reaction rate. For prolonged reactions, samples, or aliquots, can be taken from the reaction mixture at regular time intervals. The relative concentrations are then measured using instrumental techniques like gas chromatography, mass spectrometry, or titration, to compute reaction rates.

13.2:

反応速度の測定

偏光測定は、化学反応中の光学活性物質の濃度や反応速度を測定する化学反応速度論に応用されています。光学活性物質は、その中を通る直線偏光の偏光面を回転させる(光学回転)性質を持ち、それは物質の分子構造に起因します。通常の単色光は無偏光であり、その伝搬方向に垂直なすべての面で電界の振動を持っています。無偏光の光が偏光板を通過すると、1つの面で振動する直線偏光の光のみが出てきます。

偏光計は、光の偏光方向や光学活性物質の回転を測定する装置です。平面偏光した光を反応液の入ったチューブに導入することで、系を乱すことなく反応を追うことができます。試料に光学的に不活性な物質が含まれている場合、偏光の向きに変化はありません。分析装置の画面上では同じ強さの光が見え、回転角( ɑ)は0度となります。

しかしながら、反応したサンプルに光学活性化合物があると、通過する偏光の面が回転し、出てくる光の明るさが低下します。最大の明るさを観測するためには、分析装置の軸を時計回りまたは反時計回りに回転させる必要があります。分析装置を回転させる必要がある方向は、存在する化合物の性質によって異なります。測定された旋光度は、サンプル中に存在する光学活性物質の濃度に比例します。異なる時点で測定した回転角を分析することで、光学活性化合物の濃度を時間の関数として求めることができます。

分光測定

分光分析などの光学実験技術も、化学反応を可視化し、反応速度に関する定量的情報を確保するために頻繁に使用されます。分光測定では、特定の波長の光が反応サンプルへと照射されます。 サンプル内の分子または化合物(反応物または生成物のいずれか)はいくらかの光を吸収し、残りの透過光を検出器を用いて測定します。 吸収される光の量(吸光度)は、化合物の種類や濃度によって異なります。 たとえば、化合物の濃度が高いほど、その吸光度は大きくなるため、目的化合物の濃度決定に用いることができます。化学反応を伴う系では、定期的な間隔で測定された吸光度から、時間の関数としての反応物または生成物濃度を計算することができます。

圧力測定

気相物質を含む反応では、圧力の変化に伴う気体のモル数の変化を定量化することで、反応速度を計算することが出来ます。このために、気体状の反応物または生成物の圧力を測定できる圧力計を用います。反応が進むと、反応物の圧力が下がり、生成物の圧力が上がります。これは圧力計を用いて時間の関数として測定できます。理想気体の法則(気体の濃度はその分圧に比例する)を用いて、化学反応の速度を計算することができます。