高校化学 活性化エネルギー—定期テストで温度と触媒による速度の変化を図で説明する｜武蔵野個別指導塾

エネルギー図の山と両端の差を読み分け、温度や触媒による速度変化を考える鍵は活性化エネルギーです。

範囲表を開き、授業ノートのエネルギー図と小テストの触媒に関する設問を照らし合わせてみます。よくあるのは、触媒を加えると反応が速くなることから、反応エンタルピーも変わると考える場面です。山の高さと、出発点から到着点までの高低差は別の量です。化学の学習範囲には物質の変化と平衡が含まれますが、授業でどこまで扱ったかは手元の範囲表で確かめてください。

問題文から何を拾うか

エネルギー図の問題には、まず反応物、生成物、山の頂上の位置から活性化エネルギーと反応エンタルピーを読み取る型があります。矢印の始点が反応物か生成物かで、正反応と逆反応の値が変わります。図の縦軸の単位と反応の向きを見てから差を取ります。

次は、温度や濃度を変えたときの速度を粒子の衝突に結び付けて説明する型です。温度上昇では、反応に必要なエネルギーを持つ粒子の割合が増えることが要点です。濃度上昇では、同じ体積中の粒子が増え、衝突の頻度が増えることに注目します。どちらも山自体が低くなるという説明にはしません。

もう1つは、触媒ありとなしの経路を比べる型です。触媒は活性化エネルギーの小さい別の経路を与えます。反応物と生成物が同じなら両端のエネルギー差は変わらず、正逆両方向の障壁をそれぞれ読み取れます。速度の詳しい式を反応式の係数から決めることや、大学の速度論は扱いません。

山の高さと両端の差を分ける

反応物が生成物に変化するには、粒子が衝突すれば必ずよいわけではありません。反応が進むには、衝突する粒子が必要なエネルギーを持ち、反応に適した向きなどの条件も満たす必要があります。反応物から山の頂上に達するまでに必要なエネルギーを、正反応の活性化エネルギーと呼びます。

図1のように、縦方向はエネルギー、横方向は反応の進行を表します。横軸は時間ではなく、曲線の左右の長さから反応にかかる時間は読み取れません。頂上は反応の途中でエネルギーが高くなった状態を表し、山と出発点の縦の差が障壁です。

図1では生成物が反応物より低く、正反応は発熱反応です。反応エンタルピー ΔH は「生成物のエネルギー − 反応物のエネルギー」で表すので負です。逆反応は生成物側を出発点として同じ頂上までの差を読みます。逆方向の ΔH は符号が反対です。反応式を逆にしたことと、図の出発点を交換したことが対応します。

触媒を加えると、同じ反応物から同じ生成物に至る別の経路を通ることができます。図の両端はそのまま、途中の山が低くなると考えます。正反応の山だけでなく、逆反応の出発点から見た山も低くなります。触媒は反応の途中に関わり、反応全体では再生されます。

温度を上げると、粒子のエネルギーの分布が変わり、障壁を越えられる粒子の割合が増えます。同じ経路の活性化エネルギーが温度上昇によって下がると考える必要はありません。濃度の増加も、通常は衝突の機会を増やす効果として扱います。気体や溶液で条件を比べるときは、どの粒子の濃度を変えたかを問題文から拾いましょう。

エネルギーの基準は問題ごとに決められます。反応物が必ず 0 kJ とは限らないため、頂上の値をそのまま活性化エネルギーにせず、出発点の値を引いてください。例えば基準を移して両端と頂上に同じ値を加えても、それぞれの差は変わりません。図に書かれた絶対的な高さより、比較する2点の差が計算の対象です。

グラフが数値を持たない場合も、どの縦の長さを比べるかを明記します。触媒の有無で違うのは曲線の途中の経路であり、同一の反応物と生成物に対する始点と終点ではありません。図の線が途中で交わっていても、正反応では反応物から各経路の頂上、逆反応では生成物から各経路の頂上までを測ります。

速度の増減を説明するときは、条件を1つずつ比べます。温度と濃度を同時に変えた記録から、どちらがどれだけ効いたかを条件なしに決めることはできません。また、衝突の回数が増えても、衝突が毎回反応につながるわけではありません。必要なエネルギーや向きの条件を満たす衝突に着目します。

基本例題：頂上までの差を引く

ある反応のエネルギー図で、反応式に示された量の反応物を基準の 0 kJ とします。触媒がない経路の頂上は 80 kJ、生成物は -30 kJ です。触媒を用いた別の経路の頂上は 50 kJ です。両経路とも反応物と生成物は同じです。正反応と逆反応の活性化エネルギーをそれぞれ整数で kJ を付けて求め、正反応の ΔH も整数で kJ を付けて求めてください。

図2のように、まず反応物と生成物の高さを固定します。各数値はこの問題の条件であり、特定の物質の測定値ではありません。矢印を始点から頂上に向けて読むと、引き算の順序を決められます。

触媒なしの正反応は反応物から出発するので、80 − 0 = 80 kJ です。逆反応は生成物から出発するので、80 − (-30) = 110 kJ です。負の値を引くため、頂上が 80 kJ でも逆反応の障壁は 110 kJ になります。

触媒ありの正反応は 50 − 0 = 50 kJ、逆反応は 50 − (-30) = 80 kJ です。正反応では 80 − 50 = 30 kJ、逆反応でも 110 − 80 = 30 kJ 低くなります。ここで比較するのは同じ方向の障壁どうしです。

正反応の ΔH は -30 − 0 = -30 kJ です。触媒ありでも反応物と生成物の高さは同じなので、ΔH は -30 kJ のままです。頂上から反応物を引いた 80 kJ は活性化エネルギーであり、反応前後の差ではありません。

答えを図の条件へ戻すと、反応物 0 kJ に正反応の障壁 80 kJ を足した頂上は 80 kJ です。生成物 -30 kJ に逆反応の障壁 110 kJ を足しても同じ 80 kJ に戻ります。触媒ありでも 0 + 50 = 50、-30 + 80 = 50 となり、同じ頂上に到達します。両端の差も -30 − 0 = -30 kJ と元の条件に合います。

向きを変えると何が変わるか

別の反応では、反応式に示された量の反応物を 0 kJ、生成物を 40 kJ とします。触媒なしの正反応の活性化エネルギーは 100 kJ、触媒ありでは 70 kJ です。それぞれの逆反応の活性化エネルギーと正逆の ΔH を整数で kJ を付けて求めてください。また、触媒の有無で正逆の速度と反応前後の差がどう変わるか説明してください。

正反応の出発点が 0 kJ なので、触媒なしの頂上は 0 + 100 = 100 kJ です。生成物は 40 kJ ですから、逆反応の障壁は 100 − 40 = 60 kJ です。触媒ありの頂上は 0 + 70 = 70 kJ、逆反応の障壁は 70 − 40 = 30 kJ です。

正反応の ΔH は 40 − 0 = +40 kJ、逆反応は 0 − 40 = -40 kJ です。前の例とは異なり、正反応が吸熱です。生成物の方が高い場合は逆反応の障壁が正反応の障壁より小さくなる点が分かれ目です。反応の向きを確認せずに「逆反応の方が常に大きい」と覚えると、この場合に誤ります。

触媒は正逆両方向に別の経路を与え、各方向の活性化エネルギーを小さくします。同じ条件で比べると両方向の反応が速くなりますが、反応物と生成物の差は変えません。可逆反応では両方向が速くなるため平衡に達するまでが速くなりますが、触媒自体は平衡の位置を変えません。

検算では、逆反応の出発点 40 kJ にそれぞれ 60 kJ、30 kJ を加えると、触媒なしとありの頂上 100 kJ、70 kJ に戻ります。各経路の頂上は両端より高く、求めた障壁は負になりません。正逆の ΔH を足すと 0 kJ になり、反応を往復して同じ状態に戻る条件とも合います。

誤答をたどって直す

図3のように、触媒で山が低くなった図を見て「生成物も低くなるので ΔH が小さくなる」と書く誤りがあります。原因は、経路の途中にある頂上と、反応後にある生成物の高さを同じ点として扱うことです。修正するときはまず両端を印で固定し、その後で触媒ありの低い山を描きます。

図3では、触媒ありの経路も同じ反応物から出て同じ生成物に着きます。山の差は活性化エネルギーの変化で、両端の差は ΔH です。山が下がる矢印と両端の差を示す矢印を別々にたどれば、何が変化したかを文章に戻せます。

「温度を上げると活性化エネルギーが下がる」という答えも、速度が増す理由と障壁の高さを混ぜています。同じ経路では障壁をそのまま描き、必要なエネルギーを持つ粒子の割合が増えると直します。濃度を上げた場合は粒子の数と衝突頻度を述べ、エネルギーを持つ割合の変化と区別します。

また「触媒は正反応だけを速める」という答えでは、逆向きの出発点から山を見ていません。生成物側から頂上まで矢印を引き直してください。両端が固定されたまま頂上が低くなれば、逆方向の障壁も小さくなると読めます。

練習：図を自分で読み替える

以下の数値は各問題の条件です。エネルギーはそれぞれの反応式に示された量に対応します。数値の答えは整数で、単位 kJ を付けてください。

1. 反応物が 10 kJ、生成物が -10 kJ、経路の頂上が 70 kJ です。正反応と逆反応の活性化エネルギー、および正反応の ΔH を求めてください。
2. 反応物が 0 kJ、生成物が 20 kJ です。触媒なしの頂上が 90 kJ、触媒ありの頂上が 60 kJ のとき、両経路の正逆の活性化エネルギーと正反応の ΔH を求めてください。
3. 同じ反応について、触媒を使わず温度を上げたところ反応が速くなりました。同じ経路の障壁と、障壁を越えられる粒子の割合に触れて理由を説明してください。
4. 一定温度の溶液中で、他の条件を同じにして反応物の濃度を増やすと、反応速度が大きくなったという観察記録があります。この変化を粒子の衝突に結び付けて説明し、触媒が反応を速める仕組みとの違いも述べてください。

練習の答えと戻し方

1. 正反応は 70 − 10 = 60 kJ、逆反応は 70 − (-10) = 80 kJ です。ΔH は -10 − 10 = -20 kJ で、正反応は発熱です。10 + 60 = 70、-10 + 80 = 70 と戻すと同じ頂上になり、両端の差も -20 kJ です。
2. 触媒なしでは正反応が 90 − 0 = 90 kJ、逆反応が 90 − 20 = 70 kJ です。触媒ありでは正反応が 60 − 0 = 60 kJ、逆反応が 60 − 20 = 40 kJ です。ΔH はどちらも 20 − 0 = +20 kJ です。0 + 90 と 20 + 70 はともに 90、0 + 60 と 20 + 40 はともに 60 となり、与えられた頂上に戻ります。両端を固定したため ΔH も同じです。
3. 同じ経路の活性化エネルギーは変わりません。温度上昇により、必要なエネルギーを持つ粒子の割合が増え、有効な衝突が起こりやすくなるためです。速度の増加から山が下がったと逆算することはできません。
4. 同じ体積中の反応物粒子が増えると、粒子が出会う機会が増え、有効な衝突も起こりやすくなります。触媒は別の経路を与えて活性化エネルギーを小さくします。濃度の変更は、この別経路を与える作用とは区別します。

数値問題では、引き算を終えても元の頂上に戻す確認が必要です。正逆で異なる頂上になった場合は、出発点の取り違えや負の数の引き算を点検します。説明問題では、変えた条件と、その結果として増えるものを一文ずつ結び付けると因果関係を示せます。

手元に残す要点

反応の向きを決めてから、出発点と頂上の差を取ります。
ΔH は生成物と反応物の差で、触媒はこの差を変えません。
温度は必要なエネルギーを持つ粒子の割合に、濃度は衝突頻度に関わります。
触媒は正逆両方向の障壁を小さくします。

自分の答案のどこを見るか

図を見て値を取れないときは、縦軸の高さに反応物、生成物、頂上の印を付け、正逆それぞれの矢印を描いてみてください。式が書けても符号が違う場合は、生成物から反応物を引く順序と負の数の扱いを見直します。温度や濃度の説明が混ざる場合は、問題が変えた条件に下線を引き、増えるのが粒子の割合か衝突の機会かを言葉にします。

個別指導で確かめるなら、答えだけでなく、触媒ありの曲線を描く前に両端を固定できるか、逆反応の矢印をどこから始めるかを見てもらうと、自分の混同した箇所が見えます。反応の向きと基準点を定めれば、山と両端の差はそれぞれ読み取れます。