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反応速度

多くの反応では、温度が10 °C上がると速さがおよそ2倍になります。冷蔵庫では数日もつ食品が、暖かい調理台では傷む理由です。

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粒子モデルでは、青のAとオレンジのBが十分なエネルギーで衝突したときだけ、緑のCと灰色のDになります。温度を上げる、粒子を増やす、触媒をオンにする操作をして、グラフを比べましょう。

爆発は1秒にも満たない時間で終わりますが、さびには何年もかかります。反応速度とは、反応物が消費されたり生成物ができたりする速さで、例えば1リットル、1秒あたりのモル数で表します。同じ反応式でも、条件によって速さは大きく異なります。調理から医療、工業まで、化学の多くの場面ではこの速さを調整します。

衝突理論

衝突理論は、反応速度を3つの考え方で説明します。第1に、粒子が出会う必要があります。反応速度は、反応物の粒子がどれだけ頻繁に衝突するかに左右されます。第2に、結合する原子同士が向き合う、適切な向きで衝突する必要があります。第3に、活性化エネルギーに達するだけのエネルギーが必要です。3つの条件をすべて満たした衝突だけが生成物につながります。実験では、直近5秒間の衝突回数と、そのうち十分なエネルギーを持っていた回数を見てみましょう。ほとんどの衝突では、粒子は跳ね返るだけです。

反応速度を変える5つの要因

まず、反応物そのものの性質が重要です。小さなナトリウム片と鉄片を空気中に置くと、振る舞いは大きく異なります。ナトリウムは一晩で完全に反応しますが、鉄はほとんど変化しません。カルシウムは水と適度な速さで反応し、ナトリウムはほとんど爆発的に反応します。固体が液体や気体と反応する場合は、接触面でしか反応が起きないため、表面積が重要です。太い丸太はくすぶり、細い枝は速く燃え、空中のおがくずは爆発的に燃えることがあります。鉄粉は鉄のくぎよりも、薄い酸の中でずっと速く泡を出します。

3つ目の要因は温度です。温度が高い粒子は速く動くので、衝突回数が増え、反応に十分なエネルギーを持つ衝突の割合も大幅に増えます。多くの過程では、温度が10 °C上がるごとに速さがおよそ2倍になります。4つ目は濃度です。同じ空間に多くの粒子があれば、衝突も増えます。リンは、酸素が約20%しかない空気中より、純酸素中ではるかに速く燃えます。5つ目は触媒で、反応によって消費されずに反応を速める物質です。過酸化水素は瓶の中では非常にゆっくり分解しますが、切り傷にかけるとすぐに泡立ちます。組織中の物質が触媒として働くからです。

温度の影響を数式で表す

スウェーデンの化学者スバンテ・アレニウスは、反応速度定数kと温度の関係をk = A·e^(−Eₐ/RT)と表しました。Rは1モル、1ケルビンあたり8.314 J、Tはケルビンで表した温度です。指数関数の項は十分なエネルギーを持つ衝突の割合を表し、温度とともに急速に増えます。活性化エネルギーが1モルあたり50 kJの反応では、25 °Cから35 °Cになると速さは約1.92倍となり、2倍という目安に近くなります。同じ反応を0 °Cまで冷やすと、速さは25 °Cのときの約0.16倍に下がります。実験の表示の最終行では、選んだ温度についてこの計算を行います。

実験の粒子モデルでは、反応が起きないままになるのではなく数秒以内に見えるよう、エネルギー障壁を低くしています。示したいのは傾向です。速さが増す、粒子が増える、障壁が低くなると、いずれも緑の線の傾きが大きくなります。また、時間とともに青い線が水平に近づく点にも注目してください。反応物が消費されると、衝突するA粒子が減るため、温度が一定でも反応は自然に遅くなります。

反応速度反応物が消費される、または生成物ができる速さです。
衝突理論粒子は適切な向きで、少なくともEₐのエネルギーを持って衝突する必要があります。
触媒Eₐを下げて反応を速めます。反応で消費されません。
10 °Cの目安多くの反応では、10 °C上がるごとに速さがおよそ2倍になります。
酵素生きた細胞内で働く生体触媒です。
  1. おがくずが丸太より速く燃えるのはなぜですか？
    • 表面積が大きいから
    • 活性化エネルギーが高いから
    • 触媒を含むから
    • 届く酸素が少ないから
  2. 10 °Cごとに約2倍という目安では、45 °Cの反応は25 °Cの何倍の速さですか？
  3. 衝突理論の3条件に含まれないものはどれですか？
    • 生成物が気体でなければならない
    • 粒子が衝突しなければならない
    • 向きが適切でなければならない
    • エネルギーがEₐに達しなければならない
  4. リンが空気中より純酸素中で速く燃えるのは、なぜですか？
    • 酸素の濃度が高いから
    • 純酸素は温度が低いから
    • 空気には触媒が含まれるから
    • リンが融解するから
  5. 触媒はどのように反応を速めますか？
    • 活性化エネルギーを下げる
    • ΔHを上げる
    • 自身が消費される
    • 質量を加える
  6. 温度が一定でも、時間がたつと反応が遅くなるのはなぜですか？
    • 反応物が消費され、衝突が減るから
    • 触媒がすり減るから
    • 質量が失われるから
    • 粒子が重くなるから
  7. アレニウスの式で、Rの値は1モル、1ケルビンあたり何Jですか？
  8. Eₐ = 50 kJ/molのとき、35 °Cでの反応速度は25 °Cの約何倍ですか？
  9. 切り傷に過酸化水素をかけると泡立つのは、なぜですか？
    • 組織中の物質が分解の触媒になるから
    • 血液が非常に高温だから
    • 過酸化水素が沸騰するから
    • 皮膚から空気が押し出されるから
  10. 水とほとんど爆発的に反応する金属はどれですか？
    • ナトリウム
    • カルシウム
    • 鉄
    • 銅
ポイント
  • 反応には、適切な向きで、活性化エネルギー以上のエネルギーを持つ衝突が必要です。
  • 表面積、温度、濃度が増したり触媒を加えたりすると反応は速くなります。反応物の性質も影響します。
  • アレニウスの式：k = A·e^(−Eₐ/RT)。多くの反応は10 °C上がるごとに速さがおよそ2倍になります。
このコースの出典 (14)
  • OpenStax Chemistry 2e (openstax.org/books/chemistry-2e): 1.2 law of conservation of matter, 1.3 chemical change (rust, combustion, cooking and rotting)
  • 4.1 balancing by inspection (CH4 + 2O2, 2H2O to 2H2 + O2, 2N2 + 5O2 to 2N2O5)
  • 4.2 precipitation (PbI2 from KI and Pb(NO3)2, AgCl insoluble)
  • redox (Na + Cl2, copper wire in silver nitrate)
  • combustion, 5.1 specific heat of water 4.184 J/g °C, 5.3 enthalpy (ΔH < 0 exothermic; ΔHc CH4 −890.8, H2 −285.8, ethanol −1366.8, methanol −726.1 kJ/mol; 1.00 L isooctane 33,100 kJ; ozone formation endothermic)
  • 12.2 factors affecting rates (sodium and iron in air, calcium and sodium in water, sawdust, rate roughly doubles per 10 °C, phosphorus in pure oxygen, air about 20% oxygen, H2O2 decomposition)
  • 12.5 collision theory and Arrhenius equation (R = 8.314 J/mol/K, catalytic converters)
  • 12.7 catalysis and enzymes
  • NIST Chemistry WebBook methane ΔcH°gas −890.7 ± 0.4 kJ/mol (webbook.nist.gov)
  • NIST CODATA Avogadro constant 6.022 140 76 × 10²³ mol⁻¹ exact (physics.nist.gov)
  • IUPAC CIAAW abridged standard atomic weights (H 1.0080, C 12.011, N 14.007, O 15.999, Na 22.990, Ca 40.078, Fe 55.845, Sn 118.71; ciaaw.org)
  • ACS International Historic Chemical Landmark, The Chemical Revolution of Antoine-Laurent Lavoisier (acs.org, Traité élémentaire de chimie 1789, quotation on conservation of mass)
  • Lavoisier, memoir on the calcination of tin in closed vessels, Mémoires de l'Académie Royale des Sciences for 1774, published 1777 (via web.lemoyne.edu/giunta/classicalcs/lavoisier.html)
  • PubChem sodium bicarbonate and acetic acid pages (pubchem.ncbi.nlm.nih.gov).

確認日: 2026-10-17