触媒作用と温度依存性

反応速度はアレニウスの式で示されるように温度とともに急激に上昇し、触媒はより低い活性化障壁を持つ代替経路を提供することで反応を加速させます。

Definition

触媒作用とは、より低いエネルギー経路を提供し、それ自体は変化せずに再生される物質によって反応が加速されることであり、温度依存性とは、速度定数、活性化エネルギー、および温度の間のアレニウスの関係を指します。

Scope

このトピックでは、アレニウスの式による速度定数の温度依存性、活性化エネルギーと頻度因子、および衝突理論と遷移状態理論によるそれらの分子論的解釈について扱います。また、触媒作用の反応速度論、すなわち触媒が消費されることなく活性化障壁を低下させる仕組み、均一系触媒作用と不均一系触媒作用、ラングミュア・ヒンシェルウッド機構とイーリー・リディール機構による表面反応、およびミカエリス・メンテン機構による酵素触媒作用についても扱います。活性化錯体の詳細な理論と基礎となる速度法則については、関連トピックで扱われます。

Core questions

• アレニウスの式は、速度定数と温度、活性化エネルギーをどのように関連付けていますか？
• 触媒は消費されたり平衡を移動させたりすることなく、どのように反応速度を増加させますか？
• ラングミュア・ヒンシェルウッド機構とイーリー・リディール機構は、表面触媒作用をどのように説明していますか？
• ミカエリス・メンテン機構は、酵素反応速度論と飽和をどのように説明していますか？

Key concepts

• アレニウスの式と頻度因子
• 活性化エネルギー
• 均一系触媒作用と不均一系触媒作用
• ラングミュア・ヒンシェルウッド機構とイーリー・リディール機構
• ミカエリス・メンテン酵素反応速度論

Key theories

アレニウスの式

速度定数は、活性化エネルギーと熱エネルギーの負の比に指数関数的に依存するため、速度定数の対数を逆温度に対してプロットすると、その傾きから活性化エネルギーが得られます。

ミカエリス・メンテン酵素反応速度論

酵素は基質と迅速な事前平衡で結合して複合体を形成し、それが生成物に変換されます。これにより、基質濃度とともに上昇し、最大速度で飽和する速度が得られ、ミカエリス定数によって特徴付けられます。

Clinical relevance

これらの概念は、アンモニア合成や触媒コンバーターなどの工業的な不均一系触媒作用、化学プロセスや貯蔵物質の温度制御と安定性、そして触媒作用を生物化学や薬物作用の中心とする酵素の定量的分析の基礎となっています。

History

ベルセリウスは1835年に触媒作用と命名し、アレニウスは1889年に速度の温度法則を提唱しました。20世紀初頭にはラングミュアの表面反応速度論と1913年のミカエリス・メンテンによる酵素の扱いが登場し、触媒作用は反応速度論の定量的分野として確立されました。

Key figures

• Svante Arrhenius
• Jons Jacob Berzelius
• Leonor Michaelis

Seminal works

• atkins2018
• laidler1987

Frequently asked questions

触媒は反応中に消費されますか？

いいえ。触媒は反応機構に関与しますが、触媒サイクルが終了するまでに再生されるため、原則として少量の触媒で大量の反応物を変換することができます。ただし、実際の触媒は時間とともに劣化したり、被毒されたりすることがあります。

温度を上げると通常、反応が劇的に速くなるのはなぜですか？

活性化障壁を越えるのに十分なエネルギーを持つ分子の割合は温度とともに指数関数的に増加するため、わずかな温度上昇でも速度が何倍にもなることがあります。これが、多くの反応が10度上昇するごとに速度がほぼ2倍になる理由です。