反応速度
倍数比例の法則が示すように、化学反応に関与する各成分の変化量は、その間に一定の比が成り立つ従属変数であるので、特定の成分量ではなく次のような反応進行度(はんのうしんこうど)または反応進度(はんのうしんど、英: extent of reaction)ξ を定義し、その時間微分で化学反応全体の進行速度を表す。
次の一般化反応式を考える:
( − ν A ) A + ( − ν B ) B + ⋯ ⟶ ν X X + ν Y Y + ⋯ {\displaystyle {\rm {(-\nu _{A})A+(-\nu _{B})B+\cdots \longrightarrow \nu _{X}X+\nu _{Y}Y+\cdots }}}
化学量数(かがくりょうすう)または化学量論係数(かがくりょうろんけいすう、英: stoichiometric number)ν(ニュー)は生成系(右辺)で正、原系または反応系(左辺)で負、すなわち
ν A < 0 , ν B < 0 , ... {\displaystyle \nu _{\mathrm {A} }\ <0,\quad \nu _{\mathrm {B} }\ <0,\dots } ν X > 0 , ν Y > 0 , ... {\displaystyle \nu _{\mathrm {X} }\ >0,\quad \nu _{\mathrm {Y} }\ >0,\dots }
例えば、N2 + 3H2 → 2NH3 という化学反応では、νN2 =-1、νH2 = -3、νNH3 = 2 である。
各成分の時刻 t における物質量を n <成分>,<時刻> で表すと、反応進行度 ξ は次の各成分の物質量の時間変化の式で示すことができる。
ξ = n A , 0 − n A , t − ν A = n B , 0 − n B , t − ν B = ⋯ = n X , t − n X , 0 ν X = n Y , t − n Y , 0 ν Y = ⋯ {\displaystyle {\rm {\xi ={\frac {{\mathit {n}}_{A,0}-{\mathit {n}}_{A,{\mathit {t}}}}{-\nu _{A}}}={\frac {{\mathit {n}}_{B,0}-{\mathit {n}}_{B,{\mathit {t}}}}{-\nu _{B}}}=\cdots ={\frac {{\mathit {n}}_{X,{\mathit {t}}}-{\mathit {n}}_{X,0}}{\nu _{X}}}={\frac {{\mathit {n}}_{Y,{\mathit {t}}}-{\mathit {n}}_{Y,0}}{\nu _{Y}}}=\cdots }}}
したがって反応速度 v (または、rateの頭文字をとってr )は、反応進行度あるいは各成分の物質量の時間変化で、次のように定義される。