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反応速度式とは?計算方法や求め方、温度/濃度/係数/単位を詳しく解説【高校化学】


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反応速度式とは?式の成り立ちを理解しよう!

 

化学反応には、ゆっくりとした反応からとても速い反応までいろいろとあります。

生活、または実験の中で実感する「この反応は速いな!」「この反応は遅いな!」という速さをより明確にするにはやはり数値(または式)で表すことが必要。

そこで「反応速度式」が登場します。

計算問題でよく出るグラフの読み方、そして反応速度式という式の意味を徹底理解していきましょう。

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1.反応速度の表し方

 

たとえば、このような化学反応があったとします・・・

反応物(A+B)→生成物(C+D)

 

化学反応では、反応が進むにつれ、反応物が減少するとともに生成物が増加していきます。

たとえば、Aのモル濃度に着目すると、以下のようなグラフになります。

 

反応速度のグラフ

 

反応速度は単位時間当たり濃度mol/Lなど変化量で表します!

物質量(mol)の変化量ではありませんよ!

 

反応速度 v=反応物の濃度の減少量/反応時間

もしくは v =生成物の濃度の増加量/反応時間

 

今回の場合は v=-[A]2ー[A]1/t2ーt1

 

反応速度は常に正の値で表すという約束です。

なので今回はマイナスがついています。

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2.化学反応のしくみ~反応速度を変化させるもの~

 

①活性化エネルギー

 

化学反応は下記のようにして起こります。

 

化学反応の図

 

ただ粒子同士が衝突すれば反応が始まるわけではありません!

活性化エネルギー以上のエネルギーをもつ粒子どうしが衝突し、「活性化状態」という過程を経たのちに、反応が起こるのです。

下記のグラフはこれを表したものです。

 

活性化エネルギーの図

 

ちなみに、活性化エネルギーは触媒に影響を受けます。

 

*触媒・・・反応の前後では変化せず、少量でも反応速度に影響を与える物質

正触媒:活性化エネルギーを小さくし、反応速度を大きくする

 

②温度

 

①で述べた「粒子が活性化エネルギー以上のエネルギーをもつ」ためにはどうすればいいのでしょうか?

答えは簡単です。粒子の持つ運動エネルギーを高める、すなわち温度を上げるのです。

高温ほど活性化状態になる確率が高くなり、反応速度は大きくなります!

 

温度のグラフ

 

③衝突回数

 

衝突回数を増やすことで反応速度は大きくなります。衝突回数を増やすためには・・・

反応物の濃度を大きくすると、衝突する確率が高くなるため、反応速度が大きくなります。

 

衝突回数の図

濃度小→衝突回数小

濃度大→衝突回数大

以上の①~③が反応速度に大きく関わっていることをおさえておきましょう。

 

3.反応速度式

 

xA+yB→zCという上記の反応式の反応速度式vは次のようになります。

v=k〔A〕a〔B〕b

この式がどういう意味をもっているのかを一つずつ見ていきましょう。

 

〔A〕a〔B〕bについて

 

Aのモル濃度とBのモル濃度がなぜ掛け算されているのか解説していきます。

 

衝突の反応式

 

また、v = k〔A〕a〔B〕b のaやbのことを反応の次数といいます。

一般に、ただ1つの段階だけで完結する反応(素反応)の場合に限っては、反応式の係数が反応速度式の次数に一致します。

例)2HI → H2+ I2 ⇒ v = k〔HI〕2

 

しかし実際、多くの化学反応は複数の素反応が組み合わさり進行する反応(いくつかの中間体を経て進む反応)です。このような反応を多段階反応といいます。

例)2H2O2 → 2H2O + O2

 

v = k 〔H2O2〕反応式での過酸化水素の係数は2ですが、反応速度式の次数は1ですね。

このように、反応の次数は反応式の係数と同じでないことがあること、そしてその場合は実験によって次数が求められることを知っておきましょう。

 

k(反応速度定数)について

 

粒子同士がただ衝突するだけでは反応は起こりません。

必ず活性化エネルギー以上のエネルギーをもつ粒子同士が衝突する必要があります。

また反応を起こすための都合の良い方向から衝突する必要もあります。

よってkは、全衝突回数に対して以上の2点を踏まえた反応の起こる可能性(割合)であることをおさえましょう。

 

<まとめ>

 

反応まとめ

 

4.計算問題の解き方

 

反応速度の問題は表の見方、そして一つ一つの問いに対しての解答方法を覚えておくことが大切。

 

<例題1 簡単な問題>

 

A + B → C で表される反応がある。

ある温度で、反応物(A、B)の濃度を変えそれぞれの瞬間の反応速度を調べたところ、以下の表の結果が得られた。

この反応の反応速度式を求めなさい。

反応物の表

 

<解説>

一方の濃度を一定にし、他方の濃度と反応速度の関係性を確かめよう!

反応物の表

Aの濃度が一定(実験1と実験2)のとき、オレンジ色の矢印に着目すると、Bの濃度が2倍のとき、反応速度は4倍となっている。

次数は2となり、v = k[A]a[B]2

Bの濃度が一定(実験2と実験3)のとき青色の矢印に着目すると、Aの濃度が2倍のとき、反応速度は2倍となっている。

よって次数は1となり、v = k[A][B]2

答え v = k[A][B]2

 

<例題2 応用問題>

 

体積一定のもと、温度を約45℃に保ち、五酸化二窒素の分解反応2N2O5→2N2O4+O2を行った。

下記の表はその実験結果である。

この後問題は様々問われるが、まずこの3点を答えられるようにしよう

 

反応の図3

 

①平均の反応速度⇒( 2 )( 4 )

 

v=反応物の濃度の減少量/反応時間 または

v=生成物の濃度の増加量/反応時間

 

0秒~400秒:-1.05-1.30/400-0 = 6.25×104 mol/(L・s)

400秒~800秒:- 0.81-1.05/800-400 = 6.00×10-4 mol/(L・s)

 

②平均の濃度⇒( 1 )( 3 )

その時間の最初と最後の濃度の平均で求めよう。

 

0秒~400秒:1.30+1.05/2=1.175mol/L

400秒~800秒:1.05+0.81/2=0.930 mol/L

 

③ パターン1 : 各区間の平均速度とそれに対する平均の濃度をグラフに表す

縦軸を平均速度、横軸を平均の濃度にし、グラフに表す。

今回は(あと2つほどデータが欲しいが)比例関係のグラフが書けるため、

vはN2O5の濃度に比例する・・・すなわち、v = k[N2O5] が導かれる。

 

パターン2 : 反応速度式が与えられ反応速度定数kの値を平均値から求める

問題文において、v=k[N2O5]が与えられており、平均の濃度と平均の反応速度をこの式に代入し、kを求める。その後kの平均値を求め、答えを導く。

 

5.まとめ

 

反応速度まとめ

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大和@受験講師
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