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2.7 : レートの法則と反応順序

反応速度は反応物の濃度によって影響を受けます。 速度法則 (微分速度則) または速度方程式は、化学反応の速度とその反応物質の濃度の間の関係を説明する数式です。

たとえば、一般的な反応 aA + bB ⟶ 生成物 (a と b は化学量論係数) では、速度の法則は次のように記述できます。

レート = k[A]^m[B]^n

[A] と [B] は反応物のモル濃度を表し、k は速度定数であり、特定の温度において、その反応に固有の値です。

指数 m と n は反応次数であり、通常は正の整数ですが、分数、負の値、またはゼロの場合もあります。

速度定数 k と反応次数 m および n は、反応物の濃度が変化すると反応速度がどのように変化するかを観察することによって実験的に証明されます。 速度定数 k は反応物質の濃度には依存しませんが、温度によって変化します。

速度則における反応順序は、反応物質の濃度に対する速度の数学的依存性を表します。 一般的な速度法則 (rate = k[A]^m[B]^n) を参照すると、反応は A に関しては m、B に関しては nとなります。たとえば、m = 1 および n = 2 の場合、 反応は A では 1 次で、B では 2 次です。全体的な反応次数は、単純に各反応物の次数の合計です。 ここでの速度則の例では、反応は全体として 3 次です (1 + 2 = 3)。

速度の法則を決定するための一般的な実験的アプローチは、初速度の方法です。 この方法には、異なる初期反応物質濃度を使用して実行される複数の実験試行の反応速度を測定することが含まれます。 これらの試行で測定された速度を比較することにより、反応次数を決定し、その後速度定数を決定することができ、これらを合わせて速度則を定式化するために使用されます。

反応速度則は一部の反応物質に対して分数次数を示す場合があり、1 つの反応物質の濃度が増加すると反応速度が低下する場合、負の反応次数が観察されることがあります。 速度則は実験によってのみ決定され、反応化学量論によって確実に予測されるわけではないことに注意することが重要です。

反応順序は、反応速度と反応物や生成物の濃度の関係を決定します。

  • ゼロ次反応では、反応物の濃度は反応速度に影響を与えず、反応速度は全体を通して一定のままです。
  • 一次反応では、反応速度は反応物質の濃度の変化に直接かつ直線的に比例します。 反応物質の濃度が減少すると、反応速度も比例して減少します。
  • 二次または高次の反応では、反応速度は反応物の指数関数的値に比例します。 したがって、反応が進行し、反応物質の濃度が減少すると、反応速度は指数関数的に減少します。

このテキストは下記から翻案されます Openstax, Chemistry 2e, Section 12.3: Rate Laws.

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Rate LawReaction OrderConcentrationsReactantsRate EquationsMathematical ExpressionsChemical ReactionStoichiometric CoefficientsMolar ConcentrationsRate ConstantTemperatureReaction OrdersPositive IntegersFractionsNegative ValuesZeroExperimentally DeterminedReactant ConcentrationsTemperature DependenceOverall Reaction Order

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