大学 · 15分

反応速度と衝突理論

衝突する粒子が十分なエネルギーをもつときだけ A + B → 2C が起こる様子を見る。温度・Ea・触媒を変えてみる。

目的

反応速度が $E_a$ を超えるエネルギーをもつ衝突の割合で決まること、温度上昇や触媒で反応が速くなる理由を理解する。

器具と試薬

シミュレーションのみで試薬は不要。数秒で反応が見えるよう、エネルギーは縮小してある（Ea ÷ 8）。傾向は本物と同じ。

手順

初期設定（300 K、Ea = 50 kJ/mol）で実行し、C が増える速さを見る。
温度を 350 K に上げて比べる。
触媒をあり、なしに切り替え、Ea を 80 kJ/mol に上げる。

観察すること

反応に至る衝突の割合は、このモデルの理論値で 300 K では約 2.5 %、350 K では 3.8 %、触媒ありで 15.7 %、Ea = 80 kJ/mol ではわずか 0.5 %。
ほとんどの衝突では何も起こらず、粒子は跳ね返るだけ。
A または B がなくなると数は変わらなくなり、しばらくすると最初からやり直す。

解説

衝突が反応に至るのは、中心を結ぶ方向のエネルギーが $E_a$ を超えるときだけである。熱運動では、そのような衝突の割合は $e^{-E_a/RT}$ に比例し、アレニウスの式 $k = A\,e^{-E_a/RT}$ が得られる（ $A$ には衝突頻度と幾何学的因子が含まれる）。 $T$ を上げると、しきい値を超える衝突が増え、衝突自体も頻繁になる。触媒は $E_a$ の低い別の経路を提供し、正逆両方向を速めるが、平衡定数や $\Delta H$ は変えない。

実験の歴史

1850 年のヴィルヘルミーによる糖転化の旋光計測定は初めての反応速度測定であり、ファント・ホッフの化学動学（1884）が速度と平衡を結びつけた。1889 年アレニウスは、多様な速度データが

1/T

に対して同じように曲がることに気づき、

k = A\,e^{-E_a/RT}

を書いた — この衝突シミュレーションが粒子ごとに動かしている式である。

ゆかりの化学者

スヴァンテ・アレニウスヤコブス・ヘンリクス・ファント・ホッフ