化学反応速度

質問

A+2B→3C+D
の化学反応式で反応速度が1.0mol/Lsのとき各々の成分が生成・消滅する速度を求めろとあるんですが、反応係数からAは1.0mol/Lsで消滅、Bは2.0mol/Lsで消滅、Cは3.0mol/Lsで生成、Dは1.0mol/Lsで生成すると考えればいいんでしょうか？

なにか計算する必要があるなら教えてもらいたいです。
よろしくお願いします。

回答No.3

koz7291 · ベストアンサー

No.2です。横槍を入れるようですが、No.1さんのへのお礼で気になったところがありましたので。

>もし注目する物質がB、またはCとなった場合は反応速度が変わるのでしょうか？

　No.1さんと見解が異なるかもしれませんが、反応速度の定義に従うと、どの物質に注目しても、反応速度自体は変わるものではありません。反応速度は、反応式の書き方が決まれば決まります。逆に言えば、反応式の書き方を変えると変わってしまいます。しかし、各物質の生成速度・消滅速度(変化速度)は変わりません。
　ご質問の例で言いますと、反応
A + 2B → 3C + D
の反応速度は1.0 mol/(L・s)でしたが、書き方を
(1/2)A + B → (3/2)C + (1/2)D
と変えると、反応速度は2.0 mol/(L・s)となります。しかし、各物質の変化速度は、
dc(A)/dt = -1.0 mol/(L・s)
dc(B)/dt = -2.0 mol/(L・s)
dc(C)/dt = 3.0 mol/(L・s)
dc(D)/dt = 1.0 mol/(L・s)
で、どちらの反応式の書き方をしても変わることはありません。そこには、No.2に書きましたように、(モル濃度基準の)反応速度rVの定義
rV = (1/ν(B))・dc(B)/dt
の関係が成り立っています。最初の書き方をした場合、
ν(A) = -1、ν(B) = -2、ν(C) = 3、ν(D) = 1
でしたが、二番目の書き方をした場合には、
ν(A) = -1/2、ν(B) = -1、ν(C) = 3/2、ν(D) = 1/2
となります。ν(B)(νはギリシャ文字の「ニュー」)は物質Bの化学量数で、No.2に書いた通りです。紙と鉛筆を用意して上の関係を確かめるのもよいですし、反応式の書き表し方を変えると何がどう変わるか、いろいろ思考をめぐらせてみるのもよいでしょう。そこに物質量の考えや、化学の法則を見出すことができることと思います。

お礼

ありがとうございます！！
疑問に思っていたことが少しですがわかった気がします。
計算してみます。ありがとうございました。

回答No.2

koz7291

>反応係数からAは1.0mol/Lsで消滅、Bは2.0mol/Lsで消滅、Cは3.0mol/Lsで生成、Dは1.0mol/Lsで生成すると考えればいいんでしょうか？

　その通り、正解です。反応速度、というものがどういうものか、ちゃんと分かっていらっしゃると思います。
　反応速度の定義、というものが一応ちゃんとあるのですが、化学反応もいろんな形式があるので、場合によっていろいろな表現がされ、正確に定義しようとするとどうしても複雑になってしまいます。これは大学の物理化学の範囲になってしまいますので、参考程度に読んでください。以下に記します。
　純粋な反応速度rは、反応進行度ξ(グザイ)と時間tにより、
r = dξ/dt　…(1)
で定義されます。ここでξは、反応に関与する化学種(分子、イオンなど)をBで表したとき(このBは、ご質問の反応式のBではなく一般的な化学種を表しています)、
Δξ = Δn(B)/ν(B)　…(2)
と定義されます。Δ(デルタ)は数学や物理などの場合と同じく変化量を表し、n(B)はBの物質量、νはBの化学量数といいます。化学量数は化学量論係数と呼ばれることもありますが、難しいことはなくて、化学反応式に現れる係数のことです。ご質問の反応式の場合、
ν(A) = -1
ν(B) = -2
ν(C) = 3
ν(D) = 1
です。左辺(原系、反応系)で負、右辺(生成系)で正の値をとります。「反応が進む向きが正」ということです。
　式(2)が元々のξの定義なのですが、Δのない形で表すと、
ξ = {n(B) - n0(B)}/ν(B)　…(3)
ということになります。n0(B)(“0”は下付きの字です)は、化学種Bの最初の(反応前の)物質量です。n0(B)は時間tに対して変化しない定数ですので、時間tで微分すると0になります。すると、式(1)に式(3)を代入して、反応速度rは、
r = dξ/dt
= (1/ν(B))・dn(B)/dt　…(4)
となります。
　この式(4)が純粋な反応速度を表すのですが、実際の化学反応は、溶液中の反応、気体同士の反応、気体が固体触媒の表面で反応する反応などが主になります。そうすると、反応が行われる空間の体積当たりの反応速度や、触媒の質量当たりの反応速度、触媒の表面積当たりの反応速度というものが実用的に重要になってきます。今の場合、溶液反応を考えます。
　溶液反応での単位体積当たりの反応速度rVは、式(4)を体積Vで割ってやるとよく、
rV = r/V
= (1/Vν(B))・dn(B)/dt　…(5)
となりますが、普通体積Vは一定なので、物質量n(B)とモル濃度c(B)との間に、
c(B) = n(B)/V
の関係があり、これを時間tで微分すると
dc(B)/dt = (1/V)・dn(B)/dt　…(6)
となります。式(6)と式(5)よりdn(B)/dtを消去すると、
rV = (1/ν(B))・dc(B)/dt　…(7)
となります。式(4)と式(7)を比べると、物質量nがモル濃度cに変わっています。このことから、式(7)のrVを、別名モル濃度基準の反応速度といいます。溶液反応の場合、普通この式(7)のモル濃度基準の反応速度を用います。
　さて、ご質問の反応に戻りますと、問題文で、「反応速度が1.0 mol/(L・s)のとき」といっているのは、このモル濃度基準の反応速度rVのことです。式(7)に当てはめてみると、
rV = (1/(-1))・dc(A)/dt
= (1/(-2))・dc(B)/dt
= (1/3)・dc(C)/dt
= (1/1)・dc(D)/dt
となります。ここに、rV = 1.0 mol/(L・s)を代入すると、
dc(A)/dt = -1.0 mol/(L・s)
dc(B)/dt = -2.0 mol/(L・s)
dc(C)/dt = 3.0 mol/(L・s)
dc(D)/dt = 1.0 mol/(L・s)
となります。こうして、各化学種の生成・消滅する速度が、数学的に導けるのです。

お礼

物理化学はまだ講義でとってないのですが、少し勉強してみます。
ありがとうございました。

回答No.1

noname#160321

反応速度の「基準」を何に取るかで変わります。
お答えになられたのはＡとＤに着目する場合です。
他のものに着目すると変わってしまいます。

お礼

ありがとうございます。
もし注目する物質がB、またはCとなった場合は反応速度が変わるのでしょうか？もしよかったらお返事ください。