化学反応速度：因子、反応の順序、およびアプリケーション - 化学 - 2024

化学反応速度は、反応速度の研究です。数式で表現された法則を通じて、分子メカニズムに関する実験データまたは理論データを導き出します。メカニズムは一連のステップで構成され、その一部は高速で、一部は低速です。

これらのうち最も遅いものを速度決定ステップと呼びます。したがって、中間段階の種とこのステップの動作メカニズムを知ることは、速度論的に非常に重要です。上記の視覚化の1つは、試薬がボトルに封入されていて、反応すると生成物が外部に漏れ出すと想定することです。

最後に、製品はボトルの口から自由に動き出し、さらなる運動障害はありません。この観点から、多くのサイズとデザインのボトルがあります。ただし、それらすべてに共通する1つの要素があります。それは、ネックが狭いこと、反応の決定的なステップを示すものです。

化学動力学は何を研究していますか？

実験的に、この化学分野では、特定の特性の測定に基づいて、化学反応に関与する濃度変動を研究します。

化学反応速度論は、反応の速度から導き出されるすべての情報の研究を担当する化学の分野です。その名前は、プロセスの時間を示す懐中時計を想像するようにあなたを誘います。それは、それが発生する場所に関係なく、原子炉の中、雲の中、川の中、人体の中などです。

すべての化学反応、したがってすべての変換には、熱力学的、平衡、速度論的な側面があります。熱力学は、反応が自発的であるかどうかを示します。バランスの定量化の程度; そして速度論はその速度とそのメカニズムに関するデータを支持する条件を支持します。

化学反応速度論の本質的な側面の多くは、日常生活で観察できます。冷蔵庫では、食品の一部である水を凍結することにより、食品を凍結して分解を減らします。また、ワインの熟成により、その熟成により心地よい風味が得られます。

しかし、「分子の時間」はその小さなスケールが大きく異なり、多くの要因（結合の数と種類、サイズ、物質の状態など）によって大きく異なります。

時間は生命であり、お金でもあるので、どの変数が化学反応を可能な限り迅速に進行させるかを知ることは最も重要です。ただし、反対の反応が望ましい場合もあります。特に、発熱反応で爆発の危険がある場合は、反応が非常に遅くなります。

これらの変数は何ですか？いくつかは物理的であり、例えば、反応器またはシステムがどのような圧力または温度であるべきであるか。その他は、溶媒の種類、pH、塩分、分子構造などの化学物質です。

ただし、これらの変数を見つける前に、まず現在の反応の速度論を研究する必要があります。

どうやって？濃度の変化を通じて、最初の特性に比例する特定の特性が定量化されている場合に追跡できます。歴史を通じて、メソッドはより洗練され、より正確で正確な測定が可能になり、間隔はますます短くなっています。

反応速度

化学反応の速度を決定するには、関係する任意の種の濃度が時間とともにどのように変化するかを知る必要があります。この速度は多くの要因に大きく依存しますが、最も重要なことは、「ゆっくりと」発生する反応に対して測定可能であることです。

ここで「ゆっくり」という言葉は相対的であり、利用可能な計測技術で測定できるすべてのものに対して定義されています。たとえば、反応が装置の測定能力よりもはるかに速い場合、それは定量的ではなく、その反応速度を調べることができません。

次に、反応速度は、プロセスが平衡に達する前に、任意のプロセスのしきい値で決定されます。どうして？平衡状態では、フォワード反応（生成物形成）とリバース反応（反応物形成）の速度が等しいためです。

システムに作用する変数を制御し、その結果、反応速度または反応速度を制御することにより、理想的な条件を選択して、最も望ましい安全な時間に特定の量の生成物を生成できます。

一方、この知識は分子メカニズムを明らかにします。これは反応の収量を増加させるときに価値があります。

定義

速度は、時間の関数としての大きさの変化です。これらの研究では、時間と分の経過に伴う濃度の変動を決定することに関心があります。ナノ、ピコ、またはフェムト秒（10 ^-15秒）。

それは多くの単位を持つことができますが、最も単純で最も簡単なのはM・s ^-1、またはmol / L・sに等しいものです。単位に関係なく、物理量（寸法や質量など）であるため、常に正の値が必要です。

ただし、慣例により、反応物の消失率は負の符号を持ち、生成物の出現率は正の符号を持ちます。

しかし、反応物と生成物に独自の速度がある場合、全体的な反応速度を決定する方法は？答えは化学量論係数です。

一般方程式

次の化学式は、AとBがCとDを形成する反応を表しています。

a A + b B => c C + d D

モル濃度は通常、角括弧で表されるため、たとえば、種Aの濃度は次のように表記されます。したがって、含まれる各化学種の反応速度は次のとおりです。

数式によると、反応速度に到達するには4つのルートがあります。反応物質（AまたはB）または生成物（CまたはD）の濃度の変化が測定されます。

次に、これらの値の1つとその正しい化学量論係数を使用して、後者で割り、反応率rxnを取得します。

反応速度は正の量であるため、負の符号は反応物の負の速度値を乗算します。このため、係数aとbには（-1）が乗算されます。

たとえば、Aの消失率が-（5M / s）で、その化学量論係数aが2の場合、rxnは2.5M / s（（-1/2）x 5）になります。

デザートの例

製品がデザートの場合、類推による材料は試薬です。そして化学式、レシピ：

7クッキー+ 3ブラウニー+ 1アイスクリーム=> 1デザート

そして、それぞれの甘い成分とデザート自体の速度は次のとおりです。

したがって、デザートが作られる速度は、クッキー、ブラウニー、アイスクリーム、またはセット自体のいずれかのバリエーションで決定できます。次に、その化学量論係数（7、3、1、1）で除算します。ただし、ルートの1つは他のルートよりも簡単な場合があります。

たとえば、異なる時間間隔でどのように増加するかを測定する場合、これらの測定は複雑になる可能性があります。

一方、ブラウニーやアイスクリームよりも濃度を決定しやすい数やいくつかの特性のため、測定はより便利で実用的です。

それを決定する方法

単純な反応A => Bの場合、たとえば水溶液中でAが緑色を呈する場合、これはその濃度に依存します。したがって、AがBになると緑色が消え、この消失を定量化すると、vs t曲線が得られます。

一方、Bが酸性種である場合、溶液のpHは7未満の値に低下します。したがって、pHの低下から、グラフvs tが連続的に得られます。次に、両方のグラフを重ね合わせると、次のようなものが表示されます。

グラフは、それが消費されるために時間の経過とともにどのように減少するか、および製品であるために曲線が正の傾きでどのように増加するかを示しています。

また、それはゼロに近づく傾向があり（平衡がない場合）、化学量論によって決定される最大値に達し、反応が完了した場合（すべてのAが消費される）もわかります。

AとBの両方の反応率は、これらの曲線のいずれかの接線です。つまり、デリバティブです。

反応速度に影響を与える要因

化学種の性質

すべての化学反応が瞬間的である場合、それらの速度論的研究は存在しません。多くの場合、速度が速すぎて測定できません。つまり、測定できません。

したがって、イオン間の反応は通常非常に速く完全です（約100％の収率）。一方、有機化合物を含むものは時間がかかります。最初のタイプの反応は次のとおりです。

H ₂ SO ₄ + 2NaOH => Na ₂ SO ₄ + 2H ₂ O

イオン間の強い静電相互作用は、水と硫酸ナトリウムの急速な形成を促進します。代わりに、2番目のタイプの反応は、たとえば、酢酸のエステル化です。

CH ₃ COOH + CH ₃ CH ₂ OH => CH ₃ COOCH ₂ CH ₃ + H ₂ O

水も形成されますが、反応は瞬間的ではありません。良好な状態でも、完了するまでに数時間かかります。

ただし、他の変数は、反応の速度、すなわち反応物質の濃度、温度、圧力、および触媒の存在により影響を及ぼします。

試薬濃度

化学動力学では、調査中の空間は無限大から分離されており、システムと呼ばれます。例えば、反応器、ビーカー、フラスコ、雲、星などは、調査中のシステムと考えることができます。

したがって、システム内では、分子は静的ではなく、そのすべてのコーナーに「移動」します。これらの変位の一部では、別の分子と衝突して跳ね返ったり、製品を生成したりします。

次に、衝突の数は、反応物の濃度に比例します。上の画像は、システムが低濃度から高濃度にどのように変化するかを示しています。

また、衝突が多いほど、2つの分子が反応する可能性が高くなるため、反応率が高くなります。

反応物が気体である場合、圧力変数が処理され、多くの既存の方程式（理想気体など）のいずれかを想定した気体濃度に関連付けられます。または、システムの体積を減らして、気体分子が衝突する可能性を高めます。

温度

衝突の数は増加しますが、すべての分子がプロセスの活性化エネルギーを超えるのに必要なエネルギーを持っているわけではありません。

ここで温度が重要な役割を果たします。温度が分子を熱的に加速して、より多くのエネルギーと衝突する機能を果たします。

したがって、反応速度は通常、システム温度が10°C上がるごとに2倍になります。ただし、すべての反応でこれが常に当てはまるわけではありません。この増加を予測するには？アレニウス方程式は質問に答えます：

d（lnK）/ dT = E /（RT ²）

Kは温度Tでの速度定数、Rは気体定数、Eは活性化エネルギーです。このエネルギーは、反応物が反応するためにスケーリングしなければならないエネルギー障壁を示しています。

速度論的研究を行うためには、温度を一定に保ち、触媒なしで行う必要があります。触媒とは？それらは反応に参加するが消費されない外部種であり、活性化エネルギーを減少させます。

上の画像は、グルコースと酸素の反応のための触媒作用の概念を示しています。赤い線は酵素なしの活性化エネルギー（生物触媒）を表し、青い線は活性化エネルギーの減少を示します。

化学反応速度における反応順序

化学方程式では、反応メカニズムに関連する化学量論的指標は、同じ次数の指標と等しくありません。化学反応は通常、1次または2次、まれに3次以上です。

これは何ですか？エネルギー的に励起された3つの分子の衝突は起こりにくく、4倍または5倍の衝突はさらに確率が高く、確率は非常に小さいためです。分数反応の順序も可能です。例えば：

NH ₄ Cl <=> NH ₃ + HCl

平衡であると見なされる場合、反応は一方向（左から右へ）の1次であり、反対方向（右から左へ）の2次です。次の平衡は両方向の2次です。

2HI <=> H ₂ + I ₂

分子量と反応の順序は同じですか？いいえ。分子量は、反応して生成物を生成する分子の数であり、全体的な反応順序は、律速段階に関与する反応物質の順序と同じです。

2KMnO ₄ + 10KI + 8H ₂ SO ₄ => 2MnSO ₄ + 5I ₂ + 6K ₂ SO ₄ + 8H ₂ O

この反応は、化学量論的指標（分子量）が高いにもかかわらず、実際には2次反応です。言い換えれば、速度決定ステップは二次である。

ゼロ次反応

それらは不均一反応の場合に発生します。例：液体と固体の間。したがって、速度は反応物の濃度とは無関係です。

同様に、反応物がゼロの反応次数を持っている場合、それはそれが速度決定ステップではなく、急速なステップに参加していることを意味します。

一次反応

A => B

一次反応は、次のレート法に支配されます。

V = k

Aの濃度が2倍になると、反応速度Vが2倍になります。したがって、速度は反応の決定ステップにおける試薬の濃度に比例します。

二次反応

2A => B

A + B => C

先ほど書いた2つの化学方程式と同様に、この種の反応には2つの種が関与しています。反応の速度則は次のとおりです。

V = k ²

V = k

最初の反応速度はAの濃度の2乗に比例しますが、2番目の反応は1次反応と同じです。速度はAとBの両方の濃度に直接比例します。

反応次数と分子量

前の例によれば、化学量論係数は反応の次数と一致する場合と一致しない場合があります。

ただし、これは反応の任意のステップの分子メカニズムを決定する元素反応で発生します。これらの反応では、係数は関与する分子の数に等しくなります。

たとえば、Aの分子はBの1つと反応してCの分子を形成します。ここで、分子量は反応物の1であるため、速度則の式では、それらは反応次数と一致します。

このことから、分子性は常に整数でなければならず、確率論的には4未満である必要があります。

どうして？メカニズムの通過時に、4つの分子が同時に参加することはほとんどありません。それらの2つが最初に反応し、次に残りの2つがこの製品と反応します。

数学的には、これは反応次数と分子量の主な違いの1つです。反応次数は小数値（1 / 2、5 / 2など）を取ることができます。

これは、前者は種の濃度が速度にどのように影響するかを反映するだけであり、分子がプロセスに介入する方法を反映しないためです。

用途

-薬物が完全に代謝される前に体内に留まる時間を決定できます。同様に、速度論研究のおかげで、環境に負の影響を与える他の触媒と比較して、環境に優しい方法として酵素触媒作用に従うことができます。または無数の産業プロセスで使用されます。

-自動車業界では、特にエンジン内で、車両を始動させるために電気化学反応を迅速に実行する必要があります。また、有害なガスCO、NO、NO _xを最適な時間にCO ₂、H ₂ O、N ₂、O ₂に変換する触媒コンバーターを備えた排気管にも。

2NaN ₃（s）= 2Na（s）+ 3N ₂（g）

-車両が衝突したときにエアバッグが膨張する理由、「エアバッグ」の背後にある反応です。タイヤが強くブレーキをかけると、検出器がアジ化ナトリウムNaN _3を電気的に爆発させます。この試薬は「爆発」してN _2を放出しますが、これはバッグの全容量をすばやく占有します。

金属ナトリウムは、純粋な状態では有毒であるため、他の成分と反応して中和します。

参考文献

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