第12章反応速度
Key Concepts and Summary重要な概念とまとめ
Chemical reactions typically require collisions between reactant species. These reactant collisions must be of proper orientation and sufficient energy in order to result in product formation. Collision theory provides a simple but effective explanation for the effect of many experimental parameters on reaction rates. The Arrhenius equation describes the relation between a reaction’s rate constant, activation energy, temperature, and dependence on collision orientation.
化学反応には、通常、反応物の化学種どうしの衝突が必要である。生成物ができるには、衝突の向きが適切で、十分なエネルギーがなければならない。衝突理論は、多くの実験条件が反応速度に及ぼす影響を、単純かつ効果的に説明する。アレニウスの式は、反応の速度定数、活性化エネルギー、温度、衝突の向きへの依存を関係づける。
Key Equations重要な式
Chemistry End of Chapter Exercises章末の化学演習
Exercises 50–66練習問題 50–66
Exercise 50問題 50
Chemical reactions occur when reactants collide. What are two factors that may prevent a collision from producing a chemical reaction?
化学反応は、反応物が衝突すると起こる。衝突しても化学反応が起こらない原因となり得る、二つの要因は何か。
Solution解き方
The reactants either may be moving too slowly to have enough kinetic energy to exceed the activation energy for the reaction, or the orientation of the molecules when they collide may prevent the reaction from occurring.
反応物の動きが遅すぎて、活性化エネルギーを超える運動エネルギーがない場合、または衝突時の分子の向きが反応に適していない場合がある。
Exercise 51問題 51
When every collision between reactants leads to a reaction, what determines the rate at which the reaction occurs?
反応物どうしのすべての衝突が反応につながるとき、反応速度を決めるのは何か。
Exercise 52問題 52
What is the activation energy of a reaction, and how is this energy related to the activated complex of the reaction?
反応の活性化エネルギーとは何か。また、それは反応の活性錯体とどう関係するか。
Solution解き方
The activation energy is the minimum amount of energy necessary to form the activated complex in a reaction. It is usually expressed as the energy necessary to form one mole of activated complex.
活性化エネルギーは、反応で活性錯体を作るために必要な最小のエネルギーである。通常は、活性錯体1モルを作るのに必要なエネルギーとして表す。
Exercise 53問題 53
Account for the relationship between the rate of a reaction and its activation energy.
反応速度と活性化エネルギーの関係を説明しなさい。
Exercise 54問題 54
Describe how graphical methods can be used to determine the activation energy of a reaction from a series of data that includes the rate of reaction at varying temperatures.
さまざまな温度での反応速度を含む一連のデータから、グラフを使って活性化エネルギーを求める方法を述べなさい。
Solution解き方
After finding k at several different temperatures, a plot of ln k versus gives a straight line with the slope from which Ea may be determined.
複数の異なる温度でkを求めた後、ln kをに対してプロットすると、傾きの直線になる。そこからEaを求められる。
Exercise 55問題 55
How does an increase in temperature affect rate of reaction? Explain this effect in terms of the collision theory of the reaction rate.
温度を上げると、反応速度はどう変わるか。衝突理論を使って、この影響を説明しなさい。
Exercise 56問題 56
The rate of a certain reaction doubles for every 10 °C rise in temperature.
ある反応の速度は、温度が10 °C上がるごとに2倍になる。
(a) How much faster does the reaction proceed at 45 °C than at 25 °C?
(a) 45 °Cでは25 °Cより何倍速く反応が進むか。
(b) How much faster does the reaction proceed at 95 °C than at 25 °C?
(b) 95 °Cでは25 °Cより何倍速く反応が進むか。
Solution解き方
(a) 4-times faster (b) 128-times faster
(a) 4倍速い。(b) 128倍速い。
Exercise 57問題 57
In an experiment, a sample of NaClO3 was 90% decomposed in 48 min. Approximately how long would this decomposition have taken if the sample had been heated 20 °C higher? (Hint: Assume the rate doubles for each 10 °C rise in temperature.)
ある実験で、NaClO3試料の90%が48 minで分解した。試料の温度を20 °C高くしていたら、この分解にはおよそどのくらいかかっただろうか。(ヒント:温度が10 °C上がるごとに速度が2倍になると仮定しなさい。)
Exercise 58問題 58
The rate constant at 325 °C for the decomposition reaction is 6.1 10−8 s−1, and the activation energy is 261 kJ per mole of C4H8. Determine the frequency factor for the reaction.
分解反応の325 °Cでの速度定数は6.1 10−8 s−1で、活性化エネルギーはC4H8 1モルあたり261 kJである。反応の頻度因子を求めなさい。
Solution解き方
Exercise 59問題 59
The rate constant for the decomposition of acetaldehyde, CH3CHO, to methane, CH4, and carbon monoxide, CO, in the gas phase is 1.1 10−2 L mol−1 s−1 at 703 K and 4.95 L mol−1 s−1 at 865 K. Determine the activation energy for this decomposition.
アセトアルデヒドCH3CHOが気相でメタンCH4と一酸化炭素COに分解する速度定数は、703 Kで1.1 10−2 L mol−1 s−1、865 Kで4.95 L mol−1 s−1である。この分解の活性化エネルギーを求めなさい。
Exercise 60問題 60
An elevated level of the enzyme alkaline phosphatase (ALP) in human serum is an indication of possible liver or bone disorder. The level of serum ALP is so low that it is very difficult to measure directly. However, ALP catalyzes a number of reactions, and its relative concentration can be determined by measuring the rate of one of these reactions under controlled conditions. One such reaction is the conversion of p-nitrophenyl phosphate (PNPP) to p-nitrophenoxide ion (PNP) and phosphate ion. Control of temperature during the test is very important; the rate of the reaction increases 1.47 times if the temperature changes from 30 °C to 37 °C. What is the activation energy for the ALP–catalyzed conversion of PNPP to PNP and phosphate?
英語のヒント
ヒト血清中の酵素アルカリホスファターゼ(ALP)が高値なら、肝臓や骨の異常の可能性を示す。血清ALPの濃度は非常に低く、直接測るのは困難である。しかし、ALPはいくつもの反応を触媒するため、管理した条件でその一つの速度を測れば、相対濃度を求められる。そのような反応の一つが、p-ニトロフェニルリン酸(PNPP)からp-ニトロフェノキシドイオン(PNP)とリン酸イオンへの変換である。検査中の温度管理は非常に重要で、温度が30 °Cから37 °Cへ変わると速度は1.47倍になる。ALPが触媒する、PNPPからPNPとリン酸への変換の活性化エネルギーはいくらか。
Solution解き方
43.0 kJ/mol
43.0 kJ/mol
Exercise 61問題 61
In terms of collision theory, to which of the following is the rate of a chemical reaction proportional?
衝突理論によると、化学反応速度は次のどれに比例するか。
(a) the change in free energy per second
(a) 1秒あたりの自由エネルギー変化
(b) the change in temperature per second
(b) 1秒あたりの温度変化
(c) the number of collisions per second
(c) 1秒あたりの衝突回数
(d) the number of product molecules
(d) 生成物分子の数
Exercise 62問題 62
Hydrogen iodide, HI, decomposes in the gas phase to produce hydrogen, H2, and iodine, I2. The value of the rate constant, k, for the reaction was measured at several different temperatures and the data are shown here:
ヨウ化水素HIは気相で分解し、水素H2とヨウ素I2を生じる。反応の速度定数kを複数の異なる温度で測定したデータを、ここに示す。
Temperature (K) 温度 (K) |
k (L mol−1 s−1) |
|---|---|
555 |
6.23 10−7 |
575 |
2.42 10−6 |
645 |
1.44 10−4 |
700 |
2.01 10−3 |
What is the value of the activation energy (in kJ/mol) for this reaction?
この反応の活性化エネルギーは、kJ/molでいくらか。
Solution解き方
177 kJ/mol
177 kJ/mol
Exercise 63問題 63
The element Co exists in two oxidation states, Co(II) and Co(III), and the ions form many complexes. The rate at which one of the complexes of Co(III) was reduced by Fe(II) in water was measured. Determine the activation energy of the reaction from the following data:
Co元素はCo(II)とCo(III)という二つの酸化状態をもち、これらのイオンは多くの錯体を作る。水中でCo(III)錯体の一つがFe(II)に還元される速度を測定した。次のデータから、反応の活性化エネルギーを求めなさい。
T (K) |
k (s−1) |
|---|---|
293 |
0.054 |
298 |
0.100 |
Exercise 64問題 64
The hydrolysis of the sugar sucrose to the sugars glucose and fructose,
糖であるスクロースが、グルコースとフルクトースへ加水分解する反応は、
follows a first-order rate law for the disappearance of sucrose: rate = k[C12H22O11] (The products of the reaction, glucose and fructose, have the same molecular formulas but differ in the arrangement of the atoms in their molecules.)
スクロースの消失について1次の速度式、速度 = k[C12H22O11]に従う。(生成物のグルコースとフルクトースは同じ分子式をもつが、分子内の原子の配置が異なる。)
(a) In neutral solution, k = 2.1 10−11 s−1 at 27 °C and 8.5 10−11 s−1 at 37 °C. Determine the activation energy, the frequency factor, and the rate constant for this equation at 47 °C (assuming the kinetics remain consistent with the Arrhenius equation at this temperature).
(a) 中性溶液中では、27 °Cでk = 2.1 10−11 s−1、37 °Cで8.5 10−11 s−1である。活性化エネルギー、頻度因子、47 °Cでの速度定数を求めなさい(この温度でもアレニウスの式に従うと仮定する)。
(b) When a solution of sucrose with an initial concentration of 0.150 M reaches equilibrium, the concentration of sucrose is 1.65 10−7 M. How long will it take the solution to reach equilibrium at 27 °C in the absence of a catalyst? Because the concentration of sucrose at equilibrium is so low, assume that the reaction is irreversible.
(b) 初濃度0.150 Mのスクロース溶液が平衡に達すると、スクロース濃度は1.65 10−7 Mになる。触媒のない27 °Cで平衡に達するまで、どのくらいかかるか。平衡時の濃度が非常に低いので、反応は不可逆と仮定しなさい。
(c) Why does assuming that the reaction is irreversible simplify the calculation in part (b)?
(c) 反応を不可逆と仮定すると、(b)の計算が簡単になるのはなぜか。
Solution解き方
Ea = 108 kJ; A = 2.0 108 s−1; k = 3.2 10−10 s−1; (b) 1.81 108 h or 7.6 106 day; (c) Assuming that the reaction is irreversible simplifies the calculation because we do not have to account for any reactant that, having been converted to product, returns to the original state.
Ea = 108 kJ;A = 2.0 108 s−1;k = 3.2 10−10 s−1。(b) 1.81 108 h、または7.6 106日。(c) 不可逆と仮定すると、いったん生成物へ変わった後に元へ戻る反応物を考慮しなくてよいので、計算が簡単になる。
Exercise 65問題 65
Use the PhET Reactions & Rates interactive simulation to simulate a system. On the “Single collision” tab of the simulation applet, enable the “Energy view” by clicking the “+” icon. Select the first reaction (A is yellow, B is purple, and C is navy blue). Using the “straight shot” default option, try launching the A atom with varying amounts of energy. What changes when the Total Energy line at launch is below the transition state of the Potential Energy line? Why? What happens when it is above the transition state? Why?
PhETの「Reactions & Rates」で系をシミュレーションしなさい。「Single collision」タブで「+」をクリックし、「Energy view」を開く。最初の反応を選ぶ(Aは黄、Bは紫、Cは紺)。既定の「straight shot」を使い、エネルギーを変えてA原子を発射しなさい。発射時の「Total Energy」の線が「Potential Energy」の遷移状態より下にあると、何が変わるか。なぜか。遷移状態より上だと何が起こるか。なぜか。
Exercise 66問題 66
Use the PhET Reactions & Rates interactive simulation to simulate a system. On the “Single collision” tab of the simulation applet, enable the “Energy view” by clicking the “+” icon. Select the first reaction (A is yellow, B is purple, and C is navy blue). Using the “angled shot” option, try launching the A atom with varying angles, but with more Total energy than the transition state. What happens when the A atom hits the BC molecule from different directions? Why?
PhETの「Reactions & Rates」で系をシミュレーションしなさい。「Single collision」タブで「+」をクリックし、「Energy view」を開く。最初の反応を選ぶ(Aは黄、Bは紫、Cは紺)。「angled shot」を使い、全エネルギーを遷移状態より高く保ったまま、さまざまな角度でA原子を発射しなさい。A原子が異なる方向からBC分子に当たると、何が起こるか。なぜか。
Solution解き方
The A atom has enough energy to react with BC; however, the different angles at which it bounces off of BC without reacting indicate that the orientation of the molecule is an important part of the reaction kinetics and determines whether a reaction will occur.
A原子はBCと反応するだけのエネルギーをもっている。しかし、角度によっては反応せずにBCに跳ね返されることから、分子の向きが反応速度論の重要な要素であり、反応が起こるかどうかを決めることが分かる。
activated complex
活性錯体
(also, transition state) unstable combination of reactant species formed during a chemical reaction
遷移状態ともいう。化学反応中に、反応物の化学種が結びついてできる不安定な組合せ。
activation energy (Ea)
活性化エネルギー(Ea)
minimum energy necessary in order for a reaction to take place
反応が起こるために必要な最小のエネルギー。
Arrhenius equation
アレニウスの式
mathematical relationship between a reaction’s rate constant, activation energy, and temperature
反応の速度定数、活性化エネルギー、温度の数学的な関係。
collision theory
衝突理論
model that emphasizes the energy and orientation of molecular collisions to explain and predict reaction kinetics
分子の衝突のエネルギーと向きに重点を置き、反応速度論を説明・予測するモデル。
frequency factor (A)
頻度因子(A)
proportionality constant in the Arrhenius equation, related to the relative number of collisions having an orientation capable of leading to product formation
アレニウスの式の比例定数。生成物の形成につながる向きをもつ衝突の、相対的な数に関係する。
reaction diagram
反応図
used in chemical kinetics to illustrate various properties of a reaction
化学反応速度論で、反応のさまざまな性質を示すために使う図。