化学反応 · ミクロの世界

有効衝突

分子は絶えず動き、衝突しますが、ほとんどの衝突では反応が起きません（灰色のかすかな光）。

二つの条件を同時に満たす衝突だけが有効衝突です（金色の閃光）：

① 衝突方向のエネルギー ≥ 活性化エネルギー Ea；② 向きが適切です。H₂ と I₂ は「並んで」衝突しないと、古い結合が同時に切れ、二つの H–I 結合ができません。

温度と活性化分子

同じ温度でも分子のエネルギーは同じではなく、マクスウェル–ボルツマン分布に従います（白い曲線）。

エネルギー ≥ Ea の分子を活性化分子と呼び、舞台では橙色に光ります。

温度を上げると曲線は低く広がり、活性化分子の百分率が急増し、有効衝突も増えます。これが、温度が上がると反応が速くなる理由です。

触媒

底の白金の表面は触媒です。分子は表面に吸着し、古い結合は弱まり、向きも整えられて、反応は活性化エネルギーがより低い経路に乗り換わります（緑の破線）。

同じ温度でも、より多くの衝突が低いエネルギー障壁を越えられます。緑の閃光は触媒の表面に集中します。

触媒反応熱 ΔH は変えず、自身も反応の前後で変わりません。

濃度と圧力

単位体積の分子が多いほど、単位時間の衝突回数は増え、有効衝突も増えます。

ピストンを押して気体を圧縮するか、反応物を加えると、衝突の頻度と反応速度の変化を観察できます。

注意：活性化分子の百分率は変わっていません。変わるのは、単位体積あたりの活性化分子の数です。

化学平衡の成立

2NO₂（赤褐色）⇌ N₂O₄（無色）。

初めは NO₂ だけなので正反応が速く逆反応は遅く、N₂O₄ が増えるにつれて逆反応がしだいに速くなります。

のとき、正反応の速度 = 逆反応の速度になると、各物質の濃度はもはや変わらず、化学平衡に達します。微視的には二つの方向の反応は止まっていません。これが動的平衡。

です。NO₂ から始めても N₂O₄ から始めても、最終的には同じ平衡に着きます。

平衡の移動

条件を変えると、平衡はその変化を弱める方向へ移動します（ル・シャトリエの原理）。

昇温：吸熱の方向（NO₂ の生成）へ移動し、色は濃くなります。

圧縮：気体の分子数が減る方向（N₂O₄ の生成）へ移動します。よく見てください。圧縮した瞬間は色がいったん濃くなり（濃度が増え）、そのあと少し薄くなります。

連鎖反応

H₂ と Cl₂ を混ぜても、暗いところではほとんど反応しません。いったん強い光を当てると爆発します。

光は Cl₂ を二つの塩素原子 Cl·（ラジカル、光る小球）に分けます。各 Cl· は H₂ から H を一つ奪って HCl と H· を作り、H· は Cl₂ から Cl を一つ奪って、再び Cl· を作ります……

一つのラジカルが何万回もの反応を引き起こし、同時に大量の熱を出すので、反応はますます速くなります。これが連鎖反応です。