【超単純】反応速度とは?反応速度式は○○を書いて解け!

反応速度 反応速度式 解法

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受験化学コーチわたなべ
うもわたなべです。

今日は、反応速度について

受験に必要なところを

公開します!

 

この反応速度は日常の疑問に

めっちゃ答えてくれる興味深い分野です。

 

自然界はとにかくエネルギーが低い状態

が安定。

 

これは熱化学方程式の所でも

書いたと思う。

 

じゃあ街中の木や紙が燃えだして、

二酸化炭素になっても

おかしくない。

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だってエネルギーの順番は、

高い順に

熱化学 エネルギー図

熱化学 エネルギー図

つまり、単体のCより

完全燃焼のCO2の方が安定なはず。

でも起きない!

その理由がこの記事を読めば分かっちゃう。

 

またあなたが気になるのが、

入試問題をどのように解くか。

だと思うが、

 

これも必勝法がある。

特に反応速度式の求め方だが、

v=k[A]というのが多いが、

時々v=k[A]2

 

反応速度が濃度に比例しない場合が

難関国立大で出る事がある。

 

こういう場合もあるので、

どちらにも対応できる方法を

紹介してしまおうと思う。

この記事を最後まで舐め回すように

見る事。

さもないと、国立大志望の人は

反応速度と濃度が比例しない問題に当たって、

死んじゃうから。

もう一年受験勉強だから。

びっちりこの記事を読んでくれ。

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反応速度とは?

それではまず入試に必要な反応速度の

知識を付けていこう。

単位時間辺りの反応物、

生成物の変化量を反応速度と言う。

うん、こんな感じにしか言えないよね。

反応速度
こんなグラフをだされて微分を説明

されたでしょ。

Δx→0のとき

反応速度 微分
わーい微分だーって言ったはず。

これと同じ。

このグラフのy=反応物の量または生成物の量

だと思ってくれ。

 

そして横軸が時間だと思えばいい。

Aという物質だったとすると、

反応速度 
反応速度は縦軸を濃度、

横軸を時間としたときの、傾きになります。

反応速度 傾き

じゃあどうやって反応速度を求めるか?

って言うと、

反応速度式と言う物があって、

(あとで取り上げます。)

 

v=k[A]ってな感じで表される。

 

これと先ほどの微分の式、

反応速度 微分

この反応速度と等号でつないじゃえばいい。

反応速度 微分方程式

あらすてき!微分方程式だわ!

 

高校生のみなさん微分方程式解ける?

解けないよね。

 

(京大は数学の入試問題に微分方程式

出して来ちゃうキチガイだから

練習しといてね)

 

京大ウケるキチガイ高校生以外、

解けないわけ。

(まあこの微分方程式めっちゃ

簡単やから解けてもいいけど)

 

実際↓の微分方程式の解法は

覚えておいてほしい。

 

反応速度 半減期

これは時々

半減期を求める問題』で出る。

もし、半減期の問題の解法を

知りたい人はコメント下さい。

 

 

でも微分方程式は必修ではないし、

微分方程式が分からないと

濃度計算が出来ないので、

 

微分形式では反応速度は

“あまり”出題されない

(出題される事もある)

 

大学入試では2点間の平均速度

代用する問題が主に出題される。

 

2点間の平均速度は、

平均濃度に置ける速度

(平均はついていない)と考える事に

なります。

 

平均濃度 傾き

 

上図において平均速度の

傾きと同じ平行線を接戦として

引くと2点間の真ん中で接する。

 

すると、2点間の平均速度は、

平均濃度時の速度である!

 

 

【例】下図においてAのt1、t2間の平均濃度[A]=([A1+[A2])/2における速度。

【Ex.1】右図の10~30sの間のAの平均反応速度と平均濃度を求めよ。

Aの平均反応速度=-(0.040-0.10)/(30-10)=0.0015mol/(L・s)

Aの平均濃度=(0.040+0.10)/2=0.070mol/L

③反応速度と反応式の係数の関係

たとえばA→2Bと言う反応式においてはAの濃度が単位時間あたりにxmol/L減少すると、Bの濃度が2xmol/L増加することは明らか。

つまり反応速度の日は反応式の係数の比になる。

【EX.2】3A→B+Cの反応においてAの減少速度とBの増加速度の比=3:1

反応速度を変える条件

0反応のしくみ

化学反応とは物質を構成する粒子が組み替えられる事である。

→そのためには

(1)反応粒子が衝突する

(2)エネルギーの高い不安定な状態(活性化状態)を経て生成物になる。

右図に置いて、右向き反応(正反応という)の活性化エネルギーはE2-E1、左向き反応(逆反応という)の活性化エネルギーはE2-E3となる。

→正反応と逆反応の活性化エネルギーの差E2-E3が反応熱となる。

反応速度を変える仕組み

反応の仕組み

 

反応の仕組みは分子と分子の

タックル合戦

反応のしくみ

このように分子同士が、

タックルし合って

活性化状態を経て生成物に

至ることが反応のしくみ。

 

①反応の粒子が衝突する

②エネルギーの高い不安定な状態

活性化状態)をへて

生成物に至る。

 

この2つが必要。

①活性化エネルギー

活性化状態にある為に

必要なエネルギーを

活性化エネルギーって言う!

活性化エネルギー

この図の

Eaが正反応の活性エネルギー

Ebが負反応の活性エネルギー

と言えます。

 

そしてこの活性化エネルギーを

超えないと反応が起こらないのです。

 

だから冒頭で、

なんで炭素が燃えないんですか?

って言う疑問が解消される!

 

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活性化エネルギーが高い」ため

と言う事になる。

 

 

反応速度を上げる方法

入試問題でも出ますし、

定期テストにもよく出るのがこれ、

反応速度を上げる方法。

これをキッチリマスターしましょう。

反応速度を上げる方法

めっちゃ何回も衝突させる

ということ。

じゃあ、どうすべきか考えればいい!

(1)反応物の濃度・分圧(気体反応では分圧が濃度に比例する)を高くする。

なんでこうなるかって言うと、

濃度を上げるとどうなるか?

反応速度 上げる方法
こんな感じで濃度を上げると、

せまくて衝突する回数が多くなる!

鳥取県でひととぶつかる事は無いけど、

渋谷のスクランブル交差点なら

めちゃくちゃ人とぶつかるでしょ!

それと一緒!

じゃあ分圧を上げるとどうなる?

反応速度 上げる方法 分圧
分圧を上げると、

押す力が大きくなり体積が小さくなる。

式的に理解したい人は、

n,T一定のとき、状態方程式は、

PV=nRT=k(一定)

となって、

 

ボイルの法則より、

PV=P’V’

V’=P/P’ ×V

P’>Pより

 

P/P'<1だから、

体積がVより小さくなる。

 

これによって、図のように

衝突回数が多くなる。

 

いくら鳥取県民が少なかろうと、

鳥取県民全員を、宮古島とかに

入れたらそりゃぶつかる回数

増えるでしょってこと。

 

(2)固体物質なら粉末にする

反応速度 上げる方法

こうすると、中身で反応しない分

ロスになる。

 

だから、この中身を外側にする

ためには、、、

 

ぶっ壊して粉々にしてやる!

反応速度 上げる方法
反応速度がババ上がりなのわかる?

メチャクチャ表面積が大きくなって

反応しない無駄なスペースが

無くなるわけ。

(3)温度を高くする

温度を上げると、熱運動が大きくなる。

すると、大きな運動エネルギーを持つ

分子が増える。

すると、

反応速度 上げる方法
まず衝突する回数も多くなる。

また、

活性化エネルギーを超える分子も

増えてくる。

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この縦軸が分子の割合(分子の数)

だという事に注意してほしい。

活性化エネルギーを超えている

分子の数が、

 

温度が小さいときより

大きいときの方が多いのだ!

 

活性化エネルギーより大きい

運動エネルギーを持つ分子数が

増えてくるので、単位時間辺りの

生成物の粒子数が増加する。

 

よって反応速度は増加する!

 

そしてこの図はメチャクチャ大事で、

ボルツマン分布を頭に入れておくと、

記述問題』とかでもめちゃくちゃ

使えるから!

正触媒を加える

特定の反応だけめっちゃ起こるように

する物を触媒って言う!

って中学校のとき習ったはず。

 

この触媒は、反応の前後で

変化しないと呪文のように

ならってたよね。

 

でも反応速度でいう、

触媒の役割ってキッチリ

分かっていないと行けない。

 

その役割とは?

反応速度,上げる方法,触媒

もはや反則技!

活性化エネルギーを下げちゃう

「私超えられないから、

ハードル下げて!」

 

ていう感じ。

反則やん!笑

 

活性化エネルギーを下げると、

単位時間辺りに反応できる

粒子数を増加させて、

反応速度を上げる事が出来る

 

反応速度式

入試問題でこれが出る。

反応速度式を求めよ!と言う問題。

 

 

これは先ほど示した

反応速度を変える要因を

表したもので、

反応速度式という。

 

aA+bB→cCと言う反応なら

v=k[A]x[B]yと記す。

AとBの濃度が高くなると、

そのx,y乗だけ反応速度は

増加する。

このkがよくわからないと思うけど、

これはその反応によって固有の

『定数』だと思っておいて。

反応に関して固有の値です。

これはアレニウスによって解明された

定数で、こんな感じ。

反応速度,速度定数

A:温度に無関係な定数(度数因子)

E:活性化エネルギー

R:気体定数

T:温度

アレニウスの式から分かるのは、

温度が上がる、触媒によって

活性化エネルギーが下がる

につれて、

おおよそ10K上がると、反応速度係数kは2~3倍上がる。

反応速度式の濃度の何乗?

はい、ここで反応速度式

濃度の何乗に比例するのか?

と言うのを決める必要がある。

そしてこの決め方が、

実はがある。

これを知らないとやばい

多くの人がこれを1乗に比例すると

決め込んで解いている。

でも実際京都府立医科大では、

2乗の問題が出た。

何乗がでてもおかしくない問題なので、

この方法で解いてほしい

反応速度が反応物質の

濃度の何乗に比例するかは

反応経路によって変わるので、

実験で求めるしか無いんですよ!

だから、

反応速度 グラフ
こういうグラフを書く。

問題にデータが与えられるが、

そのデータから、

縦軸に平均反応速度

横軸に平均濃度を記して

そのグラフの概形から係数を知る。

反応速度 グラフ
今回のグラフだと、

1次式なので

v=k[A]1

Aの1次反応と言います。

受験テクニック

「平均反応速度と平均濃度のグラフを作る」

を活用して、あなたも

バンバン入試問題解いていきましょう!

 

入試問題の実際の演習問題を

こちらに載せておきますので、

これで演習してみてください。

『反応速度式の演習問題』

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2 件のコメント

  • 半減期の解法を教えてください。お願いします。
    微分方程式を解いて、濃度が1/nになるまでの時間は初期濃度に関係ないという事は分かりました。

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