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反応速度はんのうそくど基本きほん

date2026-07-14document_iddoc_209cbeef99783d0c43508cec55f56d81description反応速度を、濃度を未知関数とする時間変化の量として定義し、速度式・微分方程式・反応機構を混同しないように整理する。prerequisites化学反応式と量的関係 / 比例とグラフ / 微分の基本 / 微分方程式とは何かtype講義statusactiverelateddata/lecture/chemistry/theoretical/theoretical-chemistry-portal.lecture.n.md / data/lecture/chemistry/theoretical/chemical-equilibrium-basics.lecture.n.md / data/lecture/math/differential-equations/introduction-to-differential-equations.lecture.n.md / data/lecture/math/differential-equations/separable-equations-and-autonomous-systems.lecture.n.md
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1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、反応速度はんのうそくどreaction rate反応はんのうはやさという印象いんしょうではなく、濃度のうど時間じかんたいしてどれだけ変化へんかするかというりょうとして定義ていぎ説明せつめいする。

反応はんのうはやいかおそいかは、観察かんさつだけでは曖昧あいまいである。数式すうしきあつかうには、時間じかんあたりに反応物はんのうぶつがどれだけり、生成物せいせいぶつがどれだけえるかをはかる。

2用語ようご定義ていぎ

反応速度はんのうそくどreaction rateとは、反応はんのう進行しんこうともな濃度のうど時間変化じかんへんかあらわりょうである。

速度式そくどしきrate lawとは、反応速度はんのうそくどreaction rate濃度のうど関数かんすうとしてあらわしたしきである。たとえば v=k[A]m[B]nかたちく。

濃度のうど [A](t) は、時刻じこく t依存いぞんする関数かんすうである。したがって、速度式そくどしき濃度変化のうどへんか定義ていぎわせると、未知関数みちかんすう [A](t)もとめる微分方程式びぶんほうていしきになる。

data/lecture/math/differential-equations/introduction-to-differential-equations.lecture.n.md

反応機構はんのうきこうreaction mechanismとは、全体ぜんたい反応はんのう実際じっさいにはどのような素過程そかていれつすすむかをあらわ説明せつめいである。

3方針ほうしん

反応速度はんのうそくどでは、最初さいしょ測定そくていできる濃度変化のうどへんか定義ていぎする。つぎに、実験じっけんから速度式そくどしきめる。係数けいすうだけを速度式そくどしきめない。反応式はんのうしき係数けいすう速度式そくどしき指数しすうは、一般いっぱんには別物べつものである。

4直感的ちょっかんてき説明せつめい

反応はんのうすすむと、反応物はんのうぶつ濃度のうどり、生成物せいせいぶつ濃度のうどえる。この増減ぞうげん時計とけいったものが反応速度はんのうそくどである。温度おんどげる、濃度のうどげる、触媒しょくばいくわえる、表面積ひょうめんせきやす、といった操作そうさは、粒子りゅうし衝突しょうとつ反応経路はんのうけいろえるため速度そくど影響えいきょうする。

5厳密げんみつ説明せつめい

5.1定義ていぎから速度そくどつく

反応はんのう ABかんがえる。時刻じこく t における A濃度のうど[A](t) とする。平均反応速度へいきんはんのうそくどは、時間区間じかんくかん t1 から t2つぎのように定義ていぎする。

vavg=-[A](t2)-[A](t1)t2-t1

A減少げんしょうするので、まえ負号ふごうけると速度そくどせいりょうとしてあつかえる。

5.2関係式かんけいしき係数けいすうるとおな反応進行速度はんのうしんこうそくどになる

仮定かていとして、反応式はんのうしきaAbB であり、反応はんのうがこのしきどおりにすすむとする。結論けつろんは、濃度変化のうどへんか係数けいすうるとおな進行度しんこうど変化へんかあらわすことである。

証明しょうめいする。反応はんのう微小量びしょうりょうだけ進行しんこうすると、A係数けいすう a比例ひれいして減少げんしょうし、B係数けいすう b比例ひれいして増加ぞうかする。したがって、共通きょうつう進行量しんこうりょうΔξ とすれば、Δ[A]=-aΔξΔ[B]=bΔξける。a,bせいなので、両辺りょうへん係数けいすうると -Δ[A]/a=Δ[B]/b=Δξる。□

6具体例ぐたいれい

2N2O54NO2+O2

では、N2O5濃度のうどはやさと、NO2濃度のうどえるはやさは係数けいすうぶんだけことなる。おな反応進行はんのうしんこうとして比較ひかくするには、

v=-12d[N2O5]dt=14d[NO2]dt=d[O2]dt

係数けいすうってそろえる。

7一次反応いちじはんのう変数分離形へんすうぶんりけいである

仮定かていとして、A 生成物せいせいぶつ反応はんのう一次反応いちじはんのうであり、速度式そくどしき

v=k[A]

であるとする。A減少げんしょうするので

v=-d[A]dt

である。したがって

d[A]dt=-k[A]

る。これは濃度のうど [A](t)未知関数みちかんすうとする変数分離形へんすうぶんりけい微分方程式びぶんほうていしきである。

[A]0範囲はんい

1[A]d[A]=-kdt

分離ぶんりし、積分せきぶんすると

log[A]=-kt+C

である。初期濃度しょきのうど[A](0)=[A]0 とすれば

[A](t)=[A]0e-kt

る。

ここで大切たいせつなのは、指数減衰しすうげんすい暗記あんきすることではなく、速度式そくどしき濃度変化のうどへんか定義ていぎから微分方程式びぶんほうていしきて、変数分離へんすうぶんりくことである。

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8見分みわかた

がかりるもの
濃度のうど時間じかんひょう濃度変化のうどへんか時間じかん
速度式そくどしきわれる実験じっけんから指数しすうめる
温度おんど効果こうか粒子りゅうし運動うんどう活性化かっせいかエネルギー
触媒しょくばい反応経路はんのうけいろ変化へんか

9どこまで成立せいりつするか

速度式そくどしき実験じっけんまる経験式けいけんしきである。単純たんじゅん素反応そはんのうでは係数けいすう指数しすう対応たいおうすることがあるが、総括反応そうかつはんのうでは一般いっぱん対応たいおうしない。反応機構はんのうきこうらずに係数けいすうだけで速度式そくどしきめるのはあやまりである。

10最終形さいしゅうけい

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]v=-Δ[A]Δt
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]速度式の指数は実験から決まる

11一言ひとことでいうと

反応速度はんのうそくどは、濃度のうど時間変化じかんへんか定量化ていりょうかするりょうであり、速度式そくどしき反応式はんのうしき係数けいすうから自動的じどうてきにはまらない。

12関連かんれんリンク

data/lecture/chemistry/theoretical/chemical-equations-and-stoichiometry.lecture.n.md data/lecture/chemistry/theoretical/chemical-equilibrium-basics.lecture.n.md data/lecture/math/differential-equations/separable-equations-and-autonomous-systems.lecture.n.md
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