この実験について
分子は衝突したときにのみ反応できますが、ほとんどの衝突は結合を切るには弱すぎます。この箱の中では、青色の A 分子と紫色の B 分子が飛び回り、互いに跳ね返っています。A が B に、両者の中心を結ぶ線に沿って少なくとも活性化エネルギーに相当する強さで衝突すると、緑色の生成物に変わります。濃度や温度を上げたり、触媒を加えたりして、異なる理由で生成物の数がより速く増える様子を観察しましょう。
学習目標
- 反応するには、粒子が活性化エネルギー以上のエネルギーで衝突しなければならないことを説明する
- 濃度が高いほど反応速度が上がる理由、つまり1秒あたりの衝突回数が増えることを説明する
- 温度が高くなると反応速度が上がる主な理由は、十分なエネルギーを持つ衝突の割合が大きくなることだと説明しましょう。
- 触媒が活性化エネルギーの低い経路を与える仕組みを説明しましょう。
- 生成物量と時間のグラフの傾きから反応速度を読み取りましょう。
使い方
- 1デフォルト設定のまま「実行」を押してください。生成物量のグラフを観察しましょう。傾きが最も急なのは最初ですか、それとも最後ですか？なぜですか？
- 2濃度を1種類あたり70分子に上げてください。新しい線を、前回の実行時の破線と比較しましょう。
- 3分子数を40に戻し、温度を400 Kに上げてください。エネルギーのヒストグラムを見て、今はEaより右側にどれくらいの部分がありますか？
- 4300 Kと400 Kで、成功するA-B衝突の割合を予測値 e^(-Ea/RT) と比較しましょう。
- 5温度を300 Kに戻し、活性化エネルギーを10 kJ/molに上げてください。初速度はどうなりますか？
- 6触媒をオンにしてください。エネルギー図ではどの線が動きますか？ヒストグラム自体は変化しますか？
モデル
前提条件
- 分子は同じ質量を持つ硬い円盤で、二次元を移動する。分子同士、および壁との衝突は完全弾性衝突である。
- A 分子と B 分子の衝突では、中心線に沿った相対運動の運動エネルギーが Ea 以上であれば反応が起こる。生成物は同じ速度のまま運動を続けるため、エネルギーは保存され、反応によって熱が放出されることも吸収されることもない。
- 触媒は活性化エネルギーを半分にする。触媒は表面として描かれておらず、反応に必要なエネルギーを変えるだけである。
- 各実行は同じ初期位置と速度から始まるため、設定が同じなら常に同じ結果になる。分子の数が非常に少ないため、測定された成功衝突の割合は予測値の周りにばらつく。
- エネルギーの単位は kJ/mol、時間の単位はモデル内の任意単位です。
授業で試してみましょう
- Q1時間がたつにつれて、生成物のグラフの傾きが小さくなるのはなぜですか？
- Q2A分子とB分子の数を両方2倍にすると、A-B衝突の頻度は約4倍になります。なぜ2倍ではなく4倍なのですか？
- Q3触媒は反応で消費されません。それでも反応を速くするのはなぜですか？
- Q4食品や薬は、冷蔵庫に入れるとなぜ長持ちするのですか？
- Q5粉末状のマグネシウムは、マグネシウムリボンよりも酸と速く反応します。衝突理論のどの考え方で説明できますか？
よくある質問
エネルギー分布の形が、教科書に載っている釣鐘型の曲線と異なるのはなぜですか？
二次元では、エネルギーEを持つ分子の割合は指数関数的に減少するため、曲線はゼロで最大になります。三次元では、曲線はゼロから始まり、上昇した後に下降します。どちらの場合も、Eaを超える領域の裾の部分は同じように振る舞い、反応速度に関係するのはこの部分です。
触媒は分子により多くのエネルギーを与えるのですか？
いいえ。触媒を加えてもヒストグラムは変わりません。活性化エネルギーの線だけが左に移動するため、すでに起きている衝突のうち、反応に必要なエネルギーを持つものが増えます。
反応速度は分子の速さと同じですか？
いいえ。反応速度は、1秒あたりに反応する分子の数を表します。分子が速く動くと衝突の頻度は少し高くなりますが、温度の主な影響は、十分なエネルギーを持つ衝突が大幅に増えることです。
成功する衝突の割合が予測と完全には一致しないのはなぜですか？
1回の実行で起こるAとBの衝突は数百回しかないため、実際の実験と同様に、回数にはランダムなばらつきがあります。分子の数を増やし、実行時間を長くすれば、測定された割合は e^(-Ea/RT) に近づきます。