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高校化学活性化エネルギーと触媒—反応経路の山と温度変化を分けて速さを説明する｜武蔵野個別指導塾

公開 2026.11.13更新 2026.11.13武蔵野個別指導塾の特徴化学を掘り下げる理論化学2

正逆の障壁をエネルギー図から読み、触媒と温度が反応速度や平衡に及ぼす違いをたどる活性化経路です。

よくあるのは、高校生が「触媒を加えると平衡時の生成物量も必ず増える」と書く場面です。早く生成物が現れたという観察から、最後の量まで増えると考えたくなります。しかし、ある時刻の量と、十分に時間がたった後の平衡組成は別の情報です。反応経路の山、粒子のエネルギー分布、平衡に向かう速さを順に分ければ、この違いを説明できます。

問いを3つに分ける

エネルギー図を読む問題では、反応物の高さから山頂までの差と、生成物の高さから山頂までの差を求めます。正反応と逆反応で出発点が異なるため、同じ山頂でも2つの障壁は一般に異なります。反応前後の高さの差は反応エンタルピー ΔH です。山の高さそのものを ΔH と取り違えないことが目標です。

触媒を加えた図の問題では、始点と終点をそろえたまま別の経路を描きます。そこから正逆それぞれの障壁を読み、同温度での平衡組成まで変わるかを判断します。さらに温度を変える問題では、山の高さを下げる説明ではなく、粒子のエネルギー分布が変化する説明を選びます。数値で速度を予測する式は扱わず、図と条件から言える範囲に絞ります。

山の高さはどこから測るか

図1のように、縦軸はエネルギー、横軸は反応が進む道筋を表します。横軸は時間ではありません。1つの粒子が一定の時間で山を上り下りする様子をそのまま記録したグラフでもなく、反応物から生成物に至る経路を模式的に表したものです。

反応物のエネルギーを Eᵣ、生成物を Eₚ、経路の山頂を Eₜ とします。反応式に対応する量でそろえれば、正反応の活性化エネルギー Eₐ正、逆反応の活性化エネルギー Eₐ逆、反応エンタルピー ΔH の関係は次のようになります。ここではエネルギー図とエンタルピー差を対応させた高校化学の模式図として扱います。

Eₐ正 = Eₜ - Eᵣ
Eₐ逆 = Eₜ - Eₚ
ΔH = Eₚ - Eᵣ
Eₐ正 - Eₐ逆 = Eₚ - Eᵣ
ΔH = Eₐ正 - Eₐ逆

生成物が低ければ ΔH は負で、正反応は発熱反応です。逆反応は同じ差を逆向きに進むので吸熱反応となり、その障壁は正反応の障壁より大きくなります。逆に生成物が高ければ、正反応は吸熱反応で、正反応の障壁の方が大きくなります。反応物と生成物の相対的な高さと、山頂までの高さを別々に読むことが要点です。

山を越えるためのエネルギーを持つ粒子が増えると、反応に結びつく衝突が増えやすくなります。ただし衝突の向きなども関係するため、エネルギーが基準を超えた衝突が必ず反応するとは限りません。活性化エネルギーが小さいほど、同じ条件では障壁を越えられる粒子の割合が増えると考えますが、その値だけで異なる反応の速さを数値として確定することはできません。

触媒は反応の途中に関わり、別の反応経路を与えます。途中で触媒が別の形になっても、全体の反応では再生されます。反応物と生成物の状態が同じなら、触媒を使っても両者のエネルギー差は変わりません。図を単純な1つの山で表すとき、低い山は正反応側からも逆反応側からも低くなります。実際の経路は複数の段階や山を持つことがあり、1つの山の図はその特徴を整理する模型です。

温度を上げる操作は、触媒を加える操作とは違います。粒子のエネルギーにはばらつきがあり、温度が上がると高いエネルギーを持つ粒子の割合が増えます。障壁の位置を変えなくても、そこを越える粒子の割合が増えるため、一般に反応は速くなります。分布の山の高さだけを見るのではなく、障壁より高い領域の面積の変化に注目します。温度の変化は平衡定数も変えうるので、同温度で触媒を加えた場合とは区別します。

基本例題：両側から山頂を見る

ある反応の模式図で、反応物、生成物、山頂のエネルギーをそれぞれ 20、-10、80 kJ/mol とします。これらは問題のために設定した値で、同じ反応式1回分に対応します。正反応と逆反応の活性化エネルギー、および正反応の ΔH を kJ/mol で整数として求め、発熱か吸熱かを答えてください。

図2のように、山頂を共通にしてそれぞれの出発点から差を取ります。符号付きの高さを代入し、負の値を引くところに注意します。

Eₐ正 = 80 - 20
Eₐ正 = 60 kJ/mol
Eₐ逆 = 80 - (-10)
Eₐ逆 = 90 kJ/mol
ΔH = -10 - 20
ΔH = -30 kJ/mol

したがって正反応は発熱反応です。別の確かめ方は、2つの障壁の差を取る方法です。60 − 90 = -30 kJ/mol となり、反応前後の差と一致します。逆向きでは生成物を出発点とするので、ΔH は +30 kJ/mol です。図2の高さと答えを照合すると、どちらの障壁も正の差であり、終点は始点より 30 kJ/mol 低いことが確認できます。

基準の高さを変えても差は変わりません。例えば全ての高さから 20 kJ/mol を引けば、反応物は 0、生成物は -30、山頂は 60 kJ/mol です。見かけの座標は変化しますが、正逆の障壁はそれぞれ 60、90 kJ/mol のままです。基準値と反応熱を混同しないために、必ず2点の差を式に書きます。

標準例題：低い経路を比べる

同じ反応物と生成物を持つ反応について、反応物を 0、生成物を -40、触媒なしの山頂を 100、触媒ありの模式的な山頂を 60 kJ/mol とします。各値は問題の設定です。正逆の活性化エネルギーと ΔH を整数の kJ/mol で求め、同じ温度で触媒を加えたときの平衡組成について説明してください。

触媒なしの Eₐ正 = 100 - 0 = 100 kJ/mol
触媒なしの Eₐ逆 = 100 - (-40) = 140 kJ/mol
触媒ありの Eₐ正 = 60 - 0 = 60 kJ/mol
触媒ありの Eₐ逆 = 60 - (-40) = 100 kJ/mol
ΔH = -40 - 0 = -40 kJ/mol

正逆の障壁はどちらも 40 kJ/mol 低くなります。差を計算すると、触媒なしでは 100 − 140 = -40、触媒ありでは 60 − 100 = -40 kJ/mol です。両経路とも同じ始点と終点に戻るので、反応熱は一致します。高さを逆算しても、各障壁をそれぞれの出発点に足した値は、その経路の山頂に一致します。

触媒は正反応を速めると同時に逆反応も速め、同温度での平衡定数を変えません。同じ初期組成の閉じた系なら、平衡に達するまでの経過は変わっても平衡組成は変わりません。平衡では反応が止まっているのではなく、正逆の反応が同じ速さで進み、見かけの組成が変化しません。触媒を入れた直後に正逆の速さがどちらも変わっても、平衡組成そのものが新たな値へ動くという結論にはなりません。

ただし、十分な時間がたつ前に比較すれば量は違いえます。反応物から出発して生成物が増える場合、触媒ありの方が同じ途中時刻に生成物を多く含むことはあります。それは平衡時の量が増えた証拠ではありません。また触媒の失活や副反応など、単純な条件が成り立たない系では、この模型だけから経過を決められません。問題で指定された条件に戻って判断します。

発展例題：温度と触媒を別の操作として読む

可逆な発熱反応 A ⇄ B を考えます。密閉容器内で初期組成をそろえ、温度 T₁ で触媒なしの系と触媒ありの系を比べます。次に、触媒なしの別の系をより高い温度 T₂ に保ちます。いずれも十分に時間を置いて平衡に達し、他の反応は起こらないものとします。各操作で速さと平衡組成がどう変わるか、理由とともに答えてください。

T₁ で触媒を加えた系は、触媒なしの系と平衡組成が同じで、一般に平衡へ早く近づきます。触媒が同じ始点と終点を結ぶ別経路を与えるためです。反応の経過を比べるときは、初期組成、温度、容器の条件をそろえて初めて触媒の効果を切り分けられます。

一方、T₂ では高いエネルギーを持つ粒子の割合が増え、一般に正逆の反応が速くなります。さらに、正反応が発熱なら、高温の平衡では A 側が相対的に有利になり、同じ全量のもとで B の平衡量は減ります。速く生成することと、最終的に多く存在することは別の判定です。温度変更では平衡定数自体が変わるため、触媒の比較で使った「同温度なら同じ組成」をそのまま適用できません。

別の見方として、温度を変えた直後と新たな平衡を分けます。温度を変えた瞬間には組成はまだ変わっていませんが、その温度に対応する平衡とのずれが生じます。その後、正逆の速さが等しくなるまで組成が変化します。図の縦軸が生成物量なら、傾きの大きさは変化の速さ、十分時間がたった後の高さは平衡量を表します。傾きが急な曲線が、必ず高い位置で終わるとは限りません。

比較実験とグラフの読み違い

触媒の効果を調べるなら、同じ反応物量、温度、容器、混合条件で触媒の有無を比べ、生成物量を時間ごとに記録する設計にします。安全に注意が必要な反応は学校の指導の下で扱い、ここでは記録の読み方を考えます。例えば同じ単位の生成物量が、触媒なしでは開始後 1、2、長時間後に 2、3、4、触媒ありでは同じ時刻に 3、4、4 と記録されたとします。これは読み取りのための模擬データです。

この記録では、途中の量には差がある一方、最後の値は同じです。ただし、記録された最後の2点が同じでも、測定精度より小さな変化は隠れるかもしれません。追加の時刻を測り、正逆どちらの初期組成から始めても同じ組成に近づくか調べれば、平衡の判断がより確かになります。1点の値だけでは、平衡に達したことと測定が鈍いことを区別しにくいからです。

測定開始が遅れると初期の急な変化を見落とし、時間軸の基準を誤れば速さの比較がゆがみます。温度が途中で変われば触媒の有無以外の条件も変わり、終点の違いまで混ざりえます。混合の不足や触媒表面の状態の違いも経過に影響しえます。測定時刻と温度を記録し、繰り返し測定のばらつきとともに示すことで、観測の差と条件の差を切り分けます。

分布の図では、横軸が粒子のエネルギー、縦軸がその付近の粒子の分布です。総粒子数をそろえた比較では曲線の下の全面積をそろえ、高温側は一般に広がって頂点が低くなります。頂点が低いから高温で反応が遅い、とは読めません。障壁より右側の面積が増えるかを見ます。触媒の場合は同じ温度の分布を考え、障壁の位置を低エネルギー側に移して比較します。

誤答を直す：山頂と差を混同しない

「反応物が 20、生成物が -10、山頂が 80 kJ/mol だから、正反応の活性化エネルギーは 80 kJ/mol」という答えは誤りです。山頂の座標をそのまま障壁として読んでいます。図3のように、始点から山頂までの縦の差を取ると、80 − 20 = 60 kJ/mol です。基準の高さを変えても障壁は変わらないことも、座標をそのまま使えない理由です。

別の誤りは「触媒が正反応の山を下げるので、生成物が平衡で増える」です。低い経路を逆向きにもたどることを図に書き込み、逆反応の障壁も下がると確認します。同じ温度と同じ反応物・生成物なら ΔH と平衡定数は変わりません。初期量が同じという条件を加えれば、平衡組成も同じです。

「温度を上げると活性化エネルギーが下がる」という説明も、分布の変化と経路の変化の混同です。扱う経路を固定した模式図では障壁を固定し、高エネルギー側の粒子の割合の変化で説明します。温度が違う系の平衡を比べるときには、触媒の場合と異なり、平衡定数も検討対象に入れます。

練習：図の外でも条件を保つ

各数値は問題用の設定です。エネルギーの答えは kJ/mol で整数とし、指定した反応式1回分について考えてください。

反応物 10、生成物 30、山頂 70 kJ/mol の反応で、正逆の活性化エネルギーと ΔH を求め、正反応が発熱か吸熱かを答えてください。
反応物を基準の 0 とし、正反応の活性化エネルギーが 75、逆反応が 105 kJ/mol のとき、山頂と生成物の高さ、および ΔH を求めてください。
反応物 0、生成物 25、触媒なしの山頂 95、触媒ありの山頂 65 kJ/mol のとき、それぞれの経路の正逆の障壁と ΔH を求めてください。
同温度、同じ初期組成の可逆反応で、触媒なしと触媒ありを比べます。途中時刻の生成物量が異なったとき、平衡時も異なると断定できるか、理由を述べてください。
ある反応の経路を固定し温度を上げます。障壁の値、障壁以上のエネルギーを持つ粒子の割合、反応の速さについて、定性的に述べてください。

答えと考え方

正反応は 70 − 10 = 60、逆反応は 70 − 30 = 40 kJ/mol です。ΔH = 30 − 10 = +20 kJ/mol なので吸熱です。60 − 40 = +20 となり、障壁の差と前後の差も一致します。各出発点に障壁を足すと、どちらも山頂の 70 に戻ります。
山頂は 0 + 75 = 75 kJ/mol、生成物は 75 − 105 = -30 kJ/mol です。ΔH は -30 kJ/mol です。生成物の高さから山頂まで 105 kJ/mol あり、与えられた逆反応の障壁を再現します。
触媒なしの正逆は 95、70 kJ/mol、触媒ありは 65、40 kJ/mol です。両方で ΔH は +25 kJ/mol です。95 − 70 と 65 − 40 はどちらも 25 となり、生成物と反応物の高さの差と一致します。
断定できません。触媒によって平衡への到達の経過が変わるため、途中時刻の量は異なりえます。同温度で平衡定数は変わらず、同じ初期組成の閉じた系では平衡組成も同じです。長時間後の測定と、平衡に達したかの確認が必要です。
固定した経路の障壁は変えずに考えます。高温では障壁以上のエネルギーを持つ粒子の割合が増え、一般に反応は速くなります。粒子の向きなども関係するので、割合だけから個々の衝突の結果や速度の数値までは決まりません。

最後に確認する線

正逆の障壁は、それぞれの出発点から同じ経路の山頂までの差です。
ΔH は生成物と反応物の差で、正逆の障壁の差に等しくなります。
触媒は経路を変え、同温度での平衡定数を変えません。
温度は粒子の分布を変え、平衡定数も変えうる条件です。

つまずいたら、まず図に反応物、生成物、山頂の3つの高さを書き、2点ずつ引けるか確かめます。次に操作が触媒の追加か温度の変更かを言葉にし、途中の速さと平衡の組成を別の欄に記します。個別指導で説明するときも、答えの符号だけでなく、どの出発点から差を取ったかを図で示すと考え違いが見えます。山の両側を測れば、速さと平衡を分けて考えられます。