化学反応速度論

化学反応速度論は、反応がどれくらいの速さで進行するか、そしてその理由を研究し、測定された速度を分子段階の順序とそれらを制御するエネルギー障壁に結びつけます。

Definition

化学反応速度論は、化学反応の速度、それに影響を与える要因、および反応物が生成物に変換される分子メカニズムに関心を持つ物理化学の一分野です。

Scope

この分野は、反応速度の測定と解釈を扱います。具体的には、経験的反応速度式と反応次数、積分反応速度式と半減期、定常状態近似および事前平衡近似を用いた素反応段階からの反応機構の解明、アレニウスの式による速度の温度依存性、衝突理論と遷移状態理論の理論的枠組みが含まれます。触媒作用とその速度への影響も含まれますが、単一衝突の詳細な量子動力学と熱力学的平衡位置は隣接する分野で扱われます。

Sub-topics

• Catalysis and Temperature Dependence
• Reaction Mechanisms and Elementary Steps
• Reaction Rate Laws
• Transition State Theory

Core questions

• 反応速度式と反応次数はどのように実験的に決定されるのでしょうか？
• 観測された反応速度式から素反応段階のシーケンスをどのように再構築できるのでしょうか？
• 反応速度はなぜ温度に強く依存するのでしょうか？
• 衝突理論と遷移状態理論は絶対速度定数をどのように説明するのでしょうか？

Key concepts

• 反応速度式と反応次数
• 積分反応速度式と半減期
• 反応機構と律速段階
• アレニウスの式と活性化エネルギー
• 触媒作用

Key theories

遷移状態理論

反応速度は、エネルギー障壁の頂上にある活性錯体と反応物との準平衡状態における活性錯体の存在量に、その錯体が生成物に向かって分解する速度を乗じることによって計算されます。

アレニウスの温度依存性

速度定数は、活性化エネルギーに対する指数関数的な依存性に従って温度とともに増加し、反応障壁を乗り越えるのに十分なエネルギーを持つ衝突の割合を反映しています。

Clinical relevance

化学反応速度論は、工業用反応器の設計と制御、触媒の調製、医薬品や食品の安定性と貯蔵寿命、大気化学および燃焼化学のモデリング、生化学における酵素作用の定量的分析の基礎となります。

History

反応速度論は、19世紀のヴィルヘルミー、グールドバーグ、ワージェによる速度研究から生まれました。アレニウスは1889年に活性化エネルギーの式を提案し、1930年代にはアイリング、エヴァンス、ポランニーによる絶対反応速度論が発表され、統計力学とポテンシャルエネルギー面を用いて反応速度論が再構築されました。

Key figures

• Svante Arrhenius
• Henry Eyring
• Cyril Norman Hinshelwood

Seminal works

• eyring1935
• atkins2018
• laidler1987

Frequently asked questions

なぜ化学量論的にバランスの取れた化学反応式では反応速度式がわからないのですか？

化学量論は全体的な変換を記述しますが、分子経路は記述しません。反応速度式は最も遅い素反応段階とそれに至るまでの関与する種を反映するため、全体的な反応式から読み取るのではなく、実験的に決定する必要があります。

反応が熱力学的に有利であるにもかかわらず、なぜ起こらないことがあるのですか？

熱力学は反応が起こりうるかどうかのみを決定し、その速さは決定しません。大きな活性化障壁は、有利な反応を測定できないほど遅くすることがあります。これは、グラファイトがより安定な炭素の形態であるにもかかわらず、ダイヤモンドが存続する理由です。