第12章反応速度

Key Concepts and Summary重要な概念とまとめ

Catalysts affect the rate of a chemical reaction by altering its mechanism to provide a lower activation energy. Catalysts can be homogenous (in the same phase as the reactants) or heterogeneous (a different phase than the reactants).

触媒は、反応機構を変えて活性化エネルギーを低くすることで、化学反応速度に影響する。触媒には、反応物と同じ相の均一系触媒と、異なる相の不均一系触媒がある。

Chemistry End of Chapter Exercises章末の化学演習

Exercises 76–84練習問題 76–84

Exercise 76問題 76

Account for the increase in reaction rate brought about by a catalyst.

触媒によって反応速度が上がる理由を説明しなさい。

Solution解き方

The general mode of action for a catalyst is to provide a mechanism by which the reactants can unite more readily by taking a path with a lower reaction energy. The rates of both the forward and the reverse reactions are increased, leading to a faster achievement of equilibrium.

触媒は一般に、反応物がより低い反応エネルギーの経路を通り、より容易に結合できる機構を与える。正反応と逆反応の両方が速くなり、平衡に早く到達する。

Exercise 77問題 77

Compare the functions of homogeneous and heterogeneous catalysts.

均一系触媒と不均一系触媒の働きを比較しなさい。

Exercise 78問題 78

Consider this scenario and answer the following questions: Chlorine atoms resulting from decomposition of chlorofluoromethanes, such as CCl₂F₂, catalyze the decomposition of ozone in the atmosphere. One simplified mechanism for the decomposition is:

\begin{array}{l} O_{3} \overset{sunlight}{\to} O_{2} + O \\ O_{3} + Cl ⟶ O_{2} + ClO \\ ClO + O ⟶ Cl + O_{2} \end{array}

次の状況を考え、問いに答えなさい。CCl₂F₂などのクロロフルオロメタンの分解で生じる塩素原子は、大気中のオゾン分解を触媒する。分解の簡略化した機構の一つは、

\begin{array}{l} O_{3} \overset{日光}{\to} O_{2} + O \\ O_{3} + Cl ⟶ O_{2} + ClO \\ ClO + O ⟶ Cl + O_{2} \end{array}

である。

(a) Explain why chlorine atoms are catalysts in the gas-phase transformation:

2 O_{3} ⟶ 3 O_{2}

(a) 気相の変換

2 O_{3} ⟶ 3 O_{2}

で、塩素原子が触媒である理由を説明しなさい。

(b) Nitric oxide is also involved in the decomposition of ozone by the mechanism:

\begin{array}{l} O_{3} \overset{sunlight}{\to} O_{2} + O \\ O_{3} + NO ⟶ {NO}_{2} + O_{2} \\ {NO}_{2} + O ⟶ NO + O_{2} \end{array}

(b) 一酸化窒素も、次の機構でオゾン分解に関わる。

\begin{array}{l} O_{3} \overset{日光}{\to} O_{2} + O \\ O_{3} + NO ⟶ {NO}_{2} + O_{2} \\ {NO}_{2} + O ⟶ NO + O_{2} \end{array}

Is NO a catalyst for the decomposition? Explain your answer.

NOはこの分解の触媒か。理由を説明しなさい。

Solution解き方

(a) Chlorine atoms are a catalyst because they react in the second step but are regenerated in the third step. Thus, they are not used up, which is a characteristic of catalysts. (b) NO is a catalyst for the same reason as in part (a).

(a) 塩素原子は第2段階で反応するが、第3段階で再生されるので触媒である。したがって使い尽くされず、これは触媒の特徴である。(b) NOも(a)と同じ理由で触媒である。

Exercise 79問題 79

For each of the following pairs of reaction diagrams, identify which of the pair is catalyzed:

次の各組の反応図について、触媒のあるほうを特定しなさい。

(a)

横軸が「反応の進行」、縦軸が「エネルギー (kJ)」の二つのグラフです。最初の縦軸は0から30まで5刻み、二つ目は0から25まで5刻みです。(a)の青い曲線は約12で水平に始まり、中央近くで急上昇して約24に達し、同様に下降して5で水平になります。(b)も同じように始まり終わりますが、中央付近の最大値は20です。

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(b)

横軸が「反応の進行」、縦軸が「エネルギー」の二つのグラフです。縦軸は0から50まで5刻みです。(a)の青い曲線は約2で水平に始まり、中央近くで急上昇して約43に達し、同様に下降して15で水平になります。(b)も同じように始まり終わりますが、中央付近の最大値は約32です。

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Exercise 80問題 80

For each of the following pairs of reaction diagrams, identify which of the pairs is catalyzed:

次の各組の反応図について、触媒のあるほうを特定しなさい。

(a)

横軸が「反応の進行」、縦軸が「エネルギー (kJ)」の二つのグラフです。縦軸は0から50まで5刻みです。(a)の青い曲線は約2 Jで水平に始まり、中央近くで急上昇して約46に達し、約35まで急降下します。再び約38に上がり、約15の水平部分へ下がります。(b)も同じように始まり終わりますが、最初の頂点は約46、谷は約35、二つ目の頂点は約43で、最後は約15の水平部分です。

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(b)

横軸が「反応の進行」、縦軸が「エネルギー (kJ)」の二つのグラフです。縦軸は0から50まで5刻みです。(a)の青い曲線は約34で水平に始まり、中央近くで急上昇して約45に達し、約25まで急降下します。再び約35まで急上昇し、約15の水平部分へ下がります。(b)も同じように始まり終わりますが、最初の頂点は約40、谷は25、二つ目の頂点は35で、最後は約15の水平部分です。

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Solution解き方

The lowering of the transition state energy indicates the effect of a catalyst. (a) B; (b) B

遷移状態のエネルギーの低下が触媒の効果を示す。(a) B；(b) B。

Exercise 81問題 81

For each of the following reaction diagrams, estimate the activation energy (E_a) of the reaction:

次の各反応図について、反応の活性化エネルギー（E_a）を見積もりなさい。

(a)

横軸が「反応の進行」、縦軸が「エネルギー (kJ)」のグラフです。縦軸は0から40まで5刻みです。青い曲線は10で水平に始まり、中央近くで急上昇して35に達し、同様に下降して5で水平になります。

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(b)

横軸が「反応の進行」、縦軸が「エネルギー (kJ)」のグラフです。縦軸は0から40まで5刻みです。青い曲線は10で水平に始まり、中央近くで急上昇して20に達し、同様に下降して5で水平になります。

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Exercise 82問題 82

For each of the following reaction diagrams, estimate the activation energy (E_a) of the reaction:

次の各反応図について、反応の活性化エネルギー（E_a）を見積もりなさい。

(a)

横軸が「反応の進行」、縦軸が「エネルギー (kJ)」のグラフです。青い曲線は約35で水平に始まり、中央近くで急上昇して約45に達し、約24まで急降下します。再び約30まで上がり、約15の水平部分へ下がります。

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(b)

横軸が「反応の進行」、縦軸が「エネルギー (kJ)」のグラフです。青い曲線は約35で水平に始まり、中央近くで急上昇して約45に達し、約40まで急降下します。再び約45まで上がり、約20の水平部分へ下がります。

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Solution解き方

The energy needed to go from the initial state to the transition state is (a) 10 kJ; (b) 10 kJ.

初期状態から遷移状態までに必要なエネルギーは、(a) 10 kJ、(b) 10 kJである。

Exercise 83問題 83

Assuming the diagrams in Exercise 81 represent different mechanisms for the same reaction, which of the reactions has the faster rate?

問題81の図が同じ反応の異なる機構を表すと仮定すると、どちらの反応が速いか。

Exercise 84問題 84

Consider the similarities and differences in the two reaction diagrams shown in Exercise 82. Do these diagrams represent two different overall reactions, or do they represent the same overall reaction taking place by two different mechanisms? Explain your answer.

問題82の二つの反応図の共通点と違いを考えなさい。これらは二つの異なる全反応を表すか。それとも、同じ全反応が異なる二つの機構で進む様子を表すか。理由を説明しなさい。

Solution解き方

Both diagrams describe two-step, exothermic reactions, but with different changes in enthalpy, suggesting the diagrams depict two different overall reactions.

どちらも2段階の発熱反応であるが、エンタルピー変化が異なるので、二つの異なる全反応を表すと考えられる。

heterogeneous catalyst

不均一系触媒

catalyst present in a different phase from the reactants, furnishing a surface at which a reaction can occur

反応物と異なる相に存在し、反応が起こる表面を与える触媒。

homogeneous catalyst

均一系触媒

catalyst present in the same phase as the reactants

反応物と同じ相に存在する触媒。