化学化学平衡物質の状態・構成・変化理科

正反応とは?逆反応との違いや活性化エネルギー・反応速度などを理系ライターが解説!

よぉ、桜木建二だ。

今回のテーマは正反応だ。そもそも化学反応には、反応物と生成物があり、反応物から生成物を作ることを正反応、生成物から反応物に戻る反応を逆反応と呼んでいるぞ。
多くの種類がある化学反応だが、ただ反応物を混ぜれば反応が進むものや加熱しないと反応が進まないものもある。この違いはいったい何だろうか?

今回は化学反応に注目して、正反応が進むために経由する活性化状態や化学反応を進みやすくする触媒の働きを化学に詳しいライターリックと解説していくぞ。

解説/桜木建二

「ドラゴン桜」主人公の桜木建二。物語内では落ちこぼれ高校・龍山高校を進学校に立て直した手腕を持つ。学生から社会人まで幅広く、学びのナビゲート役を務める。

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ライター/リック

高校生で化学にハマり、大学院までずっと化学を勉強してきた化学オタク。今は化学メーカーで働きながら化学の楽しさを発信する。

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化学反応式とは

image by iStockphoto

化学反応という言葉、聞いたことがあるのではないでしょうか?化学反応とは、化学変化が起きる過程のことです。化学変化とは、1つ以上の化学物質が、別の1つ以上の化学物質へと変化することで、反応前の化学物質を構成する原子同士の結合が切断されたり、新しい結合が形成されたりします。物質を構成している原子同士の間で原子の結合方法が組み変わるので、全く新しい物質を作ることができるんです。

また、化学変化を図表で表したものを化学反応式と呼び、化学量論的な関係を表したり、反応機構や化学反応前後での物質の構造変化を表現したりします。化学を勉強したことのある人なら必ず見たことがある「化学反応式」をまずは深堀していきましょう!

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化学反応式の作り方

まず、化学反応式の基本を解説していきます。化学反応式を作るには、反応前の物質と反応後の物質が必要です。反応前の物質は反応物と呼び、反応後の物質は生成物といいます。

化学反応式を作るときは、反応物を左辺に生成物を右辺に書き、その間に矢印を書きましょう。この矢印は化学反応が進む向きを表しているので、左から右に向かって書くのが一般的です。これで、「反応物が化学変化を起こして生成物ができた」ということが分かります。

簡単な化学反応式の例を見てみましょう。メタンという気体を燃やすと、空気中の酸素分子と反応して、水と二酸化炭素が発生します。これはメタンガスの燃焼という化学変化ですね。反応物はメタン分子と酸素分子、生成物は水分子と二酸化炭素分子ですね。

これでメタンガスの燃焼を化学反応式で表すことができました。

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正反応と逆反応とは?

先ほど解説した反応式の矢印は右向きでした。反応物から生成物ができる化学反応を「正反応」と呼びます。一方で、生成物から反応物ができる反応もあるんです。生成物から反応物ができる反応を「逆反応」と呼びます。

ただし、反応物から生成物ができるのが化学変化の基本です。化学反応は基本「正反応」で進行すると覚えておいてください。生成物から反応物ができる逆反応も化学反応式を見ると、左辺と右辺の物質を入れ替えてあげれば、実は「正反応」になるんですね。

一方で、正反応と逆反応が同時に起こる反応もあり、「可逆反応」と呼びます。可逆反応は正反応と逆反応が同時に起こるため、時間が経つと反応物と生成物の濃度が同じになり、見かけ上反応が停止したように見えるんです。可逆反応はここでは省略しますが、別の記事で詳しく解説していますので、ぜひチェックしてみてください。

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混ぜるだけでは化学反応は進まない?

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化学反応式を見ると、反応物を混ぜ合わせるだけで正反応が進行するようにも見えますが、実際はそうではありません。先ほど紹介したメタンガスの燃焼の化学変化では、メタン分子と酸素分子を混合させただけでは化学変化は進みません。メタンガスに引火することで急激に反応が進みます。

しかし、反応物によっては、物質同士が接触するだけで正反応が進行する化学変化もあるんです。この違いは何でしょうか。実は、化学変化が進むためには、あるエネルギーが重要な役割をしているんです。

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化学反応が進行するためには、あるエネルギーの壁を反応物が超える必要があるぞ。

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活性化状態と活性化エネルギーとは?

活性化状態と活性化エネルギーとは?

image by Study-Z編集部

化学反応式を見ただけでは分かりにくいですが、反応物は化学変化で直接生成物になるわけではありません。エネルギー状態に注目して、化学変化がどのように進むのか見てみましょう。反応物はそれぞれ分子として存在しており、分子を構成する原子は共有結合でつながっています。新しい分子を作るためには、結合の組み換えをしてあげる必要があるんです。

結合が切れつつ、新しい結合が形成されている状態を「活性化状態」と呼び、この状態を経由することで、反応物から生成物へ化学変化が進んでいきます。

反応物が活性化状態に変化するためには、一定量以上のエネルギーを反応物がもつ必要があるんです。このエネルギーを活性化エネルギーといいますが、活性化エネルギーの壁を超えることができないと、反応物は活性化状態になることができません。つまり、化学変化が進まないんです。

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触媒を入れる本当の目的とは?

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実際に実験をするとよく分かりますが、「触媒」は化学反応が進むとき非常に重要です。触媒はなぜ入れるのか、知っていますか。「反応速度が増加するから」というのも回答の一つですが、「活性化エネルギーが減少するから」というのが本当の理由です。

触媒が反応系に加わること、活性化状態が変化します。活性化状態が変わり、より少ない活性化エネルギーで化学変化が進行するんです。活性化エネルギーが減少すると、反応物がより少ないエネルギーで生成物に変化することができるので、反応速度は増加します。

触媒が影響するのはあくまでも活性化エネルギーの部分だけです。そのため、反応熱に影響はありません。触媒があるとないとでは反応熱の大きさは変わらないということですね。テストでも狙われるので、ぜひ覚えておいてくださいね。

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