反応速度と衝突理論のシミュレーター
このシミュレーションの式
| [A], [B] | A の分子 | 同じ箱に分子が多いほど 1 秒あたりの衝突が増えるので、どちらの濃度でも速度は上がる | |
|---|---|---|---|
| 速度 | 1 秒あたりの反応数 | 箱の中で数え、最近の数秒で平均したもの | |
| k | 速度定数 | 1 回の衝突についてのすべて: 分子が出会う頻度と、十分なエネルギーをもつ衝突の割合 |
現在の値を入れると：
| Ea | 活性化エネルギー Ea (kJ/mol) | 古い結合を切るために、2 つの中心を結ぶ線に沿って衝突に必要な最小のエネルギー。実際の反応は 40〜200 kJ/mol だが、ここでは反応が見えるように小さくしている | |
|---|---|---|---|
| R | 気体定数 | 8.314 J/(mol·K) | |
| T | 温度 T (K) | ||
| 割合 | 十分なエネルギーをもつ衝突の割合 | 理論値。箱の中で測った割合と比べる |
現在の値を入れると：
| A | 頻度因子 | 分子が正しい向きで衝突する頻度。温度ではあまり変わらない | |
|---|---|---|---|
| k ÷ k(300 K) | 室温と比べた速さ | Ea = 50 kJ/mol なら、10 °C 上げると速度はほぼ 2 倍 |
現在の値を入れると：
| f(E) | エネルギーのマクスウェル・ボルツマン分布 | グラフ: 赤い線より右の面積が Ea を超える分子の割合。T が高くなって曲線が平らになると急に大きくなる |
|---|
反応速度シミュレーターの使い方
- 箱の中では赤い A の分子と青い B の分子が飛び回り、ぶつかってははね返ります。A が B に十分強く、中心どうしを結ぶ線に沿って活性化エネルギーを超えるエネルギーでぶつかると反応し、光ったあとに緑の C の分子が現れます。
- 温度を上げると分子は速くなり、十分なエネルギーをもつ衝突の割合は衝突の回数よりずっと速く増えます。A や B を増やすと、1 秒あたりの衝突が増えます。触媒を加えるにチェックを入れると障壁が下がり、同じ温度で速度が跳ね上がります。
- 箱の中で数えた、反応した A–B 衝突の割合を、理論が予想する e^(−Ea/RT) と比べてください。グラフはエネルギーのマクスウェル・ボルツマン分布で、活性化エネルギーを赤い線で示しています。その右の網かけの部分が反応する分子です。
よくある質問
衝突理論とは？
分子は、十分なエネルギーと正しい向きでぶつかったときにだけ反応します。速度は 1 秒あたりの衝突回数に、成功する割合をかけたものです。同じ空間に分子が多いほど衝突は増え、温度が高いほど衝突が増えるうえに、ずっと重要なこととして、十分なエネルギーをもつ割合が大きくなります。
少し温度を上げるだけで反応がずっと速くなるのはなぜ？
活性化エネルギーを超える衝突の割合は e^(−Ea/RT) で、T とともに急に増えるからです。Ea が典型的な 50 kJ/mol なら、25 °C から 35 °C に上げるとその割合は約 90% 増えます。10 °C で速度が 2 倍になるという経験則です。分子の平均エネルギーは 3% しか増えません。
触媒はどう働く？
触媒は、たとえば表面で分子を正しい位置に保つなどして、活性化エネルギーの低い別の道すじを反応に与えます。すると同じ温度でずっと多くの衝突が障壁を越えます。触媒は消費されず、正反応と逆反応を同じだけ速めるので、平衡の位置は変えません。
ここでの活性化エネルギーがとても小さいのはなぜ？
反応が起こるところを見られるようにするためです。実際の活性化エネルギー 50〜100 kJ/mol では、室温で成功する衝突は 10⁹〜10¹⁸ 回に 1 回だけで、160 個の分子の箱ではいくら待っても反応しません。シミュレーションは 2〜25 kJ/mol を使っていますが、式は同じで、アレニウスの比から Ea が大きいとどうなるかがわかります。
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何かアップロードされますか？
いいえ。シミュレーションはお使いのブラウザが WebGL で描画しています。どこにも送信されず、ページを一度読み込めばオフラインでも動きます。