- 反応速度、衝突頻度、有効衝突および非有効衝突の用語を説明・使用する
- 有効衝突の頻度を terms に用いて、濃度および圧力の変化が反応速度に与える影響を定性的に説明する
- 実験データを用いて反応速度を計算する
反応速度論
A-Level Chemistry · トピック 8
7:13
反応速度論
Iron left outside takes years to rust away. Strike a match, and almost the same chemistry — oxygen attacking a fuel — is over in less than a second. Same…
英語ナレーション・英語＋中文字幕 burning-in
8.1
反応速度
シラバス
出典: Cambridge International シラバス
反応速度とは、反応物が生成物に変換される速さです。単位時間あたりの濃度（または量）の変化として測定します。
反応するためには、粒子同士が衝突する必要があります。衝突頻度とは、粒子同士がぶつかり合う回数のことです。しかし、すべての衝突が反応につながるわけではありません：
- 有効衝突とは、十分なエネルギーかつ正しい方向性を持つ衝突であり、これにより反応が起こります。
- 無効衝突とは、エネルギーが不十分であるか、粒子が不適切な角度で衝突するため、反応が起こらないものです。
So the rate depends on the frequency of effective collisions — how many useful collisions happen each second.
濃度と圧力
If you increase the concentration of a solution (or the pressure of a gas), the particles are packed closer together. They collide more often, so there are more effective collisions each second, and the rate goes up.
実験データから速度を計算できます。例えば、生成したガスの量を時間で割る方法などです。
** worked example.** 反応により二酸化炭素が発生しました。最初の $30\ \text{s}$ で $48\ \text{cm}^3$ のガスが収集されました。この時間の平均反応速度を求めよ。
$$\text{average rate} = \frac{\text{volume of gas}}{\text{time}} = \frac{48}{30} = 1.6\ \text{cm}^3\,\text{s}^{-1}.$$
反応速度は開始時が最も速い（グラフが最も急峻）のは、反応物の濃度が最大だからです。その後、反応物が消費されるにつれて速度は遅くなります。
探索
反応速度
[A] = [A]₀·bᵗ
試薬が消費されるにつれて、時間とともに反応物濃度が低下する。
語彙
練習する
| English | 日本語 |
|---|---|
| rate of reaction/reɪt ɒv rɪˈækʃn/ | 反応速度 |
| collide/kəˈlaɪd/ | 衝突 |
| collision frequency/kəˈlɪʒn ˈfriːkwənsi/ | 衝突頻度 |
| effective collision/ɪˈfektɪv kəˈlɪʒn/ | 有効衝突 |
| non-effective collision/nɒn ɪˈfektɪv kəˈlɪʒn/ | 無効衝突 |
8.2
温度と活性化エネルギー
シラバス
- 活性化エネルギー $E_A$を、有効な衝突に必要な最小エネルギーとして定義する
- ボルツマン分布を描き、それを用いて活性化エネルギーの意義を説明する
- ボルツマン分布および有効衝突の頻度を terms に用いて、温度変化が反応速度に与える影響を定性的に説明する
出典: Cambridge International シラバス
活性化エネルギー（$E_A$）とは、有効な衝突に必要な最小限のエネルギーのことです。
ボルツマン分布とは、ある温度における分子のエネルギーの広がりを示すグラフです。曲線は原点から始まり、ピークに達した後、長いテールを描いて減少します。曲线下の総面積は分子の総数を表します。$E_A$ より右側にある分子だけが、反応するのに十分なエネルギーを持っています。
温度を上げると：
- 曲線は平坦になり右側に広がります。これにより、$E_A$ より大きいエネルギーを持つ分子の割合が大幅に増加します。
- 分子の運動も速くなり、衝突の回数も増えます。
最初の効果（エネルギー分布の変化）の方が影響は大きいです。これが、温度のわずかな上昇が反応速度の大きな上昇をもたらす理由です。
探索
熱が反応速度を上げる理由
温度を上げると曲線が右に広がり、より多くの分子が活性化エネルギー以上を持ち、反応できるようになります。
語彙
練習する
| English | 日本語 |
|---|---|
| Boltzmann distribution/ˈbɒltsmən ˌdɪstrɪˈbjuːʃn/ | ボルツマン分布 |
8.3
触媒
シラバス
- 触媒および触媒作用の用語を説明・使用する： (a) 触媒が存在する場合、反応は異なる反応経路（すなわち低い活性化エネルギーを持つもの）をとることを説明 (b) ボルツマン分布を terms に触媒効果について説明 (c) 有効な触媒の有無における反応の反応経路図を描き、解釈する
出典: Cambridge International シラバス
触媒は反応を速めますが、自身は消費されません。この作用を触媒作用と呼びます。
A catalyst works by giving the reaction a different reaction mechanism — a new route with a lower activation energy. On the Boltzmann distribution, lowering $E_A$ moves the line to the left, so more molecules now have enough energy. This means more effective collisions each second, and a faster rate.
反応経路図において、触媒存在下ではエネルギーの「山」が低くなります。反応エンタルピー変化 $\Delta H$ は、触媒によって変化しません。
2つの種類があります：
- 均一触媒は、反応物と同じ物理的状態にあります。例えば、液体の溶液に溶解している酸性触媒など。
- 異相触媒は、反応物とは異なる状態にある — 例えば、ハーバー法において気体の反応を加速する固体の鉄。
よくある間違い。
- 高温でのボルツマン分布曲線を描く際、高いピークを描くのは誤りである。分子数は同じなので両曲線の面積は等しく、新しいピークは低く、右側に位置する。
- 触媒添加時の曲線の移動を扱う場合、分子のエネルギーは同じであるため曲線自体は変わらない；$E_A$の線は左側へ移動する。
- 高濃度によって粒子にエネルギーが与えられると言うのは誤りである。エネルギーは不変であり、粒子間距離が近づくことで衝突がより頻繁に起こるだけである。
- 「衝突回数が増える」という回答に「時間」を欠く。速度は有効衝突の 秒あたり の数（頻度）に依存する。
- 触媒が粒子にエネルギーを与えたり、消費されたりすると言うのは誤りである。異なる経路を提供し$E_A$を下げるだけでなく、最終的に再生される。
探索
触媒
触媒はEₐを下げる
触媒はEₐを下げることで、より多くの分子が加熱せずに反応できるようになります。
探索
触媒の働き
触媒を加えると活性化エネルギーの障壁が下がります。ΔHは変化せず、より易しい経路を提供します。
語彙
練習する
| English | 日本語 |
|---|---|
| activation energy/ˌæktɪˈveɪʃn ˈenədʒi/ | 活性化エネルギー |
| catalyst/ˈkætəlɪst/ | 触媒 |
| catalysis/kæˈtæləsɪs/ | 触媒作用 |
| reaction mechanism/rɪˈækʃn ˈmekənɪzəm/ | 反応メカニズム |
| reaction pathway diagram/rɪˈækʃn ˈpæθweɪ ˈdaɪəɡræm/ | 反応経路図 |
| homogeneous catalyst/həˈməʊdʒnɪəs ˈkætəlɪst/ | 均相触媒 |
| heterogeneous catalyst/ˌhetrəˈdʒiːnɪəs ˈkætəlɪst/ | 多相触媒 |
8.3
試験対策
- 衝突理論を用いて速度変化を説明する — より頻繁に、かつ/またはより高いエネルギーを持つ有効衝突。
- ボルツマン分布において$E_A$を印し、その右側を塗りつぶす。高温では曲線が平たくなり右へシフトし、原点から始まり、高エネルギー側の尾端はエネルギー軸と交わらない。
- 触媒は**低い $E_A$**を持つ代替経路を提供し、$\Delta H$ を変えない。
- 温度のわずかな上昇が速度の大きな上昇をもたらす理由を述べる：分子のはるかに大きい割合が今や $E_A$ を超えること（主要な効果）。
このトピックのインタラクティブ授業
一歩ずつ進め、即時チェック付きの問題で学習します。