衝突理論: 定義と反応速度に影響を与える要因

September 27, 2023
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衝突理論: 定義と反応速度に影響を与える要因 – 衝突理論という言葉を聞いたことがありますか? もちろん、物理学の学生にとって、これは外来語ではありません。しかし、意味が分からない人は以下の記事を読んで理解すると良いでしょう。議論を見てみましょう。

衝突理論: 定義と反応速度に影響を与える要因

衝突理論は、化学反応がどのように起こるのか、そしてなぜ反応ごとに反応速度が異なるのかを定性的に説明します。衝突理論は 1916 年にマックス・トラウツによって初めて提案されました。マックスは、反応物粒子が互いに衝突するとき、有効衝突として知られる化学変化を引き起こす衝突はわずか数パーセントであると述べました。

効果的な衝突が起こるためには、分子衝突の方向が正しい必要があります。配向とは、分子間の衝突の方向または位置です。衝突が発生する前に、粒子は活性化エネルギー (Ea) として知られる最小限のエネルギーを必要とします。活性化エネルギーとは、反応が起こるために必要な最小限のエネルギーです。このエネルギーは結合を切断するだけでなく、新しい結合を形成するためにも使用され、その結果、反応生成物が形成されます。

分子が動くと運動エネルギーが生じます。動きが速ければ速いほど、より多くの運動エネルギーが振動エネルギーに変換されます。初期の運動エネルギーが大きい場合、衝突する分子は強く振動し、その結果、分子内のいくつかの化学結合が切断されます。反応生成物の形成は、最初のステップとして結合の切断から始まります。ただし、初期の運動エネルギーが小さい場合、分子は跳ね返るだけでそのまま残ります。反応が発生するには、最小の衝突エネルギーが満たされる必要があります。したがって、反応が起こるには、衝突する分子の総運動エネルギーが活性化エネルギー (Ea) 以上である必要があります。運動エネルギーが活性化エネルギーより小さい場合、分子はそのまま残り、反応は起こりません。

化学反応は、反応する物質（試薬）の粒子が互いに衝突することで起こります。ただし、発生するすべての衝突で新しい物質が生成されるわけではありません。完全衝突からは新しい物質が生み出されることもあります。完全な衝突は有効衝突と呼ばれます。物質粒子どうしが衝突しても、すぐには物質にならないことがあります。これらの衝突により、最初に活性化複合体分子と呼ばれる複合体分子が形成されます。活性化された複合分子の形成は活性化エネルギーに関係します。活性化エネルギー (EA) は、反応が起こるために活性化された複合分子の形成に必要な最低の衝突エネルギーです。

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基本的な衝突理論

反応を引き起こす衝突とは、活性化エネルギーよりも大きなエネルギーを持つ粒子間の衝突です。活性化エネルギーの値が小さいほど、反応は速く起こります。

P + Q → R + S の反応は、P + Q の活性化エネルギーが最小の場合に発生します。反応物の衝突エネルギーが Ea より大きい場合、最小活性化エネルギーが存在すると、エネルギーを生成する衝突が発生します。

気体分子の運動論に基づく衝突理論では次のようなことが述べられています。

気体は分子間距離よりも小さな気体分子で構成されています。
気体分子は常にあらゆる方向に真っすぐに動きます。
気体分子と容器の壁との衝突は完全に弾性があり、気体分子はエネルギーを失うことなく反射されます。
気体分子の移動速度は温度変化の影響を受けます。温度が高くなるほど、気体分子の運動は速くなります。
気体分子の平均運動エネルギーは、同じ温度では同じか、質量の影響を受けません。
化学反応の反応速度は、いくつかの要因の影響を受けます。反応速度に影響を与える要因を変更することで、反応速度を制御できます。ただし、いくつかの要因に変動がある実験データの場合、すべての要因が常に影響を与えるわけではないことに注意してください。

反応速度に影響を与える要因

集中

集中力は衝突の頻度に関係します。反応物質の粒子が多くなるまで、濃度は増加し続けます。その結果、おそらく反応物粒子間の衝突は引き続き大きくなり、粒子間の効率的な衝突も増加し続けるでしょう。このようにして、対応は引き続き迅速になります。

表面積

表面積が大きくなり続けると、反応物間の接触も大きくなり続ける可能性があります。これにより、衝突の頻度が増加し、より効率的な衝突が発生します。効率的な衝突の頻度を増やすと、応答率が向上します。

温度

温度が上昇すると、反応物分子の運動エネルギーも増加します。大きな運動エネルギーの存在により、分子間の動きが稲妻的かつランダムに継続します。その結果、発生する衝突の頻度は増加し続け、効率的な衝突も増加し続けるため、応答は迅速に発生し続けます。

触媒

触媒は、永続的な化学変化を起こさずに反応速度を速め、反応の終了時に物質を回収できる物質です。触媒は均一系触媒と不均一系触媒の２つに分けられます。

均一系触媒は、反応相と同じ相を有する触媒です。一方、不均一系触媒とは、反応相とは異なる相を有する触媒である。通常、不均一触媒は固体の形で使用されます。一方、反応物は気体です。

触媒の蓄積により、他の経路に低い活性化エネルギー (Ea) を提供するボーナス反応段階が引き起こされます。活性化エネルギー (Ea) は、粒子の衝突によって応答が生じるために粒子が持つか、粒子に与えられる必要がある最小限のエネルギーです。ボーナス応答ステージは、応答の終わりに触媒結合セッションと触媒解放セッションの形式をとります。触媒には特別な特性があり、特定の反応としてのみ機能します。

触媒の役割は活性化エネルギーを低減することです。触媒の存在により、反応は複数のセッションにわたって発生します。化学反応における一連の反応段階を反応機構と呼びます。応答セッションは、応答メカニズム、つまり応答速度決定セッションにおいて非常に遅いです。

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