質問: 反応速度 なんで温度が高いと反応速度が速いのかを、高校の教科書を参考にせずに説明せよっていう問題が出て、どんな答え方をすればよかったのかなと思って質問しました。いま化学科の一年です。回答お待ちしております
回答: まず、温度について考えると、温度が高いほどその物質の分子運動が激しくなると考えられます。 いま、20°Cの気体を考えると、その気体に含まれる全ての分子が20°Cに相当する激しさの運動をしている訳ではありません。 運動が激しい分子や穏やかな分子などが混在し、分布をもっているのです。 この分布は、なぜかは知りませんがボルツマン分布をしています。 20°Cの気体分子のエネルギー(運動の激しさ)の分布はボルツマン分布に従うので、エネルギーを横軸に分子の数を縦軸に分布図を作り、全体の面積が1になるよう規格化します。 化学反応が進行するためには、活性化エネルギーというエネルギーが必要で、反応の種類によってその値は変化します。 この値をeとすると、20°Cの気体分子の中でeの値よりも大きなエネルギーを持つ分子の割合はexp(-e/rt)となります。ここでtは20°Cに相当する絶対温度。 ゆえに20+273=293のことです。 化学反応はeよりも大きなエネルギーを持つ分子の割合に比例すると考えられますよね。 つまり、eよりも大きなエネルギーを持つ分子の割合が0.2(20%)の時と0.4(40%)の時とでは、0.4の方が2倍反応が速いと考えられます。 この時の比例定数が頻度因子で、eよりも大きなエネルギーを持つ分子の割合がexp(-e/rt)なので、両者の積が反応定数になります。 温度が高くなれば、当然、活性化エネルギーよりも高いエネルギーを有する分子の割合は増加するので反応は速くなります。