【詳しく解説】反応速度と活性化エネルギー【高校・大学化学】

今回の記事では、反応速度を活性化エネルギーの観点から解説していきます！
以前も反応速度については違った観点から解説してるので、良かったらご覧ください！
（【詳しく解説】反応速度とは「化学・解説」，【分かりやすく】反応速度式とは【大学化学】）

活性化エネルギー

まず初めに、反応速度と密接な関係がある活性化エネルギーを解説します。

身の回りには様々な物質が存在しますが、それらは「最も安定」な状態として存在するわけではありません。

例えば、図の反応は発熱で、アンモニア（NH₃）を生成すると反応系のエンタルピーが下がります。

反応式（1）では、放出する熱を生成熱として正で示しています。反応系のエンタルピー変化ΔHで表すと負になります。ただし、平衡でどれだけアンモニアができるかは、温度・圧力・組成などにも依存し、発熱だけでは決まりません。

しかし、窒素と水素を室温でただ混ぜても、アンモニアへ速く変わるわけではありません。
これは、化学反応には活性化エネルギーが存在するためです。

活性化エネルギーは反応の「山」に例えられ、「山」を越えるだけのエネルギーが無ければ、生成物へと変化することができません。

活性化エネルギーが高ければ高いほど、反応物から生成物への反応に必要なエネルギーが大きいことを示します。同じ温度で他の条件もそろえた比較では、障壁を越えられる粒子の割合が小さく、反応が遅くなります。

逆に、活性化エネルギーが低ければ低いほど反応物から生成物への反応に必要なエネルギーは小さいことを示します。ただし、実際の速さは温度や濃度、頻度因子などにも依存します。

触媒

アンモニアは、様々な産業で利用されている物質であります。
一方で、室温では反応が遅く、工業的な合成では触媒と加熱・加圧の条件を組み合わせます。

その課題を解決するために開発されたものが触媒です。

触媒は活性化エネルギーを小さくする効果があります。（厳密には触媒を用いることで違う反応経路を経由する。）

アンモニアの場合、鉄を触媒とすることで活性化エネルギーが大きく減少し、効率的に生産を行えるようになりました。（ハーバー・ボッシュ法）

触媒は金属だけに限りません。私たちに最も身近な触媒は酵素です。食べ物を消化する際やアルコールを分解する際には体内に存在する酵素が活性化エネルギーを低下させることで、消化や分解といった体内の「化学反応」を容易にしてくれます。

反応速度

反応速度式

水素と窒素からアンモニアが生成する反応（1）について

反応速度（v）は反応速度定数（k）を用いて式（2）の様に表すことが出来ます。（詳しくはこちら）

このように、反応の速さを反応物質の濃度で表した式を反応速度式と言います。
ここで、反応速度定数（k）は比例定数であり、温度や反応によって固有の値であります。

反応速度定数と活性化エネルギーの関係

反応速度定数についてもう少し詳しく見ていきましょう。

反応速度定数は式（3）のように表すことができ、これをアレニウスの式と言います。

式（3）中でAは頻度因子（衝突の頻度や向きなどに関係する因子）、Tは絶対温度K、Rは気体定数、E_aは活性化エネルギーです。

温度と頻度因子Aを同じとする比較では、活性化エネルギーが小さいほどkは大きくなり、活性化エネルギーが大きいほどkは小さくなります。

つまり、温度・頻度因子・濃度などの条件が同じなら、活性化エネルギーが小さいほど反応速度が速いことを意味します。

先程の、アンモニアの触媒反応を思い出してみましょう。触媒無しの条件では活性化エネルギーが高いため反応速度は遅く反応はほとんど進行しません。触媒を用いることで活性化エネルギーが低下し、反応速度が速くなるため同じ温度で平衡へより速く近づくことができます。

鋭い人は気づいたかもしれませんが、触媒無しの条件下でも反応が遅いだけで全く反応しないわけではありません。

終点の高さと、途中の山の高さを分ける

生成物が低いエネルギーにあることと、そこへ速く移れることを分けて見ましょう。下の木の道は「途中の山」を考えるためのたとえです。実際の分子が木の道を転がるという意味ではありません。

ペンタ

終点の方が低いなら、球はそのまま進んでいけそうだけど？

イコール

ペンタさん、始点のくぼみから山を越える部分が残っています。反応の図でも、反応物から途中の高い状態までの差と、反応物から生成物までの差は別です。発熱反応でも大きな障壁を持つことがあります。

ペンタ

触媒で山を低くすれば、最後にできる生成物の量も必ず増えるの？

イコール

同じ温度などの条件で同じ反応を比べるなら、触媒は別の速い経路を与えますが、平衡定数は変えません。順反応と逆反応の両方を速め、平衡へ早く近づけます。平衡時の組成と、そこへ達する速さは別です。

アレニウスの式k＝A exp[−E_a/(RT)]では、Tは絶対温度Kです。同じTと同じAでE_aだけを小さくする比較なら、指数がより大きくなりkが増えます。実際に触媒で経路が変わればAも変わり得るので、速さの倍率を障壁の高さだけから決めることはできません。反応速度を比べるときは濃度などの条件もそろえます。

原文の速度式のm、nは反応次数です。窒素と水素の反応式にある係数をそのまま指数へ写すのではなく、適用する温度・触媒などの条件で測定して決めます。

まとめ

今回の記事では反応速度を活性化エネルギーの観点から解説しました！

まとめると
・ 活性化エネルギーが高ければ高いほど、反応物から生成物への反応に必要なエネルギーが大きい。
・ 活性化エネルギーが低ければ低いほど反応物から生成物への反応に必要なエネルギーは小さい。
・触媒は活性化エネルギーを小さくする効果がある。
・温度・頻度因子・濃度などの条件が同じなら、活性化エネルギーが小さいほど反応速度が速い

いかがでしたか？最後までご覧いただきありがとうございました！

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