活性化エネルギーと遷移状態

化学反応が起こるとき、反応物の粒子どうしが衝突しただけでは反応は進まず、エネルギーの高い不安定な状態（遷移状態）を経て生成物になる。反応物を遷移状態にするのに必要な最小のエネルギーを何というか。

化学反応が起こるとき、反応物の粒子どうしが衝突しただけでは必ずしも反応は起こらない。反応物は、エネルギーの高い不安定な状態（遷移状態）を経てから生成物になる。

反応物を、この遷移状態にするために必要な最小のエネルギー（反応物のエネルギーと遷移状態のエネルギーの差）を何というか。

気体や溶液中の分子がもつエネルギーは一定ではなく、ある分布をもつ。温度を上げるとこの分布は高エネルギー側に広がり、反応に必要なエネルギー（活性化エネルギー $E_{\mathrm{a}}$）以上のエネルギーをもつ分子の割合が大きく増える。そのため、温度が高いほど反応速度定数 $k$ は大きくなる。

反応速度定数 $k$ と絶対温度 $T$ の関係を、活性化エネルギー $E_{\mathrm{a}}$、気体定数 $R$、反応ごとに決まる定数 $A$（頻度因子）を用いて
$$k=A{e}^{-\frac{E_{\mathrm{a}}}{RT}}$$
と表した式を何というか。人名を用いた名称で答えよ。

気体どうしの反応では、ほかの条件を変えずに温度を上げると反応速度が大きくなる。温度を上げたときに起こる変化について述べた次の文のうち、正しいものを、次のア〜オからすべて選べ。

• ア　反応の活性化エネルギーが小さくなる。
• イ　活性化エネルギー以上の運動エネルギーをもつ分子の割合が大きくなる。
• ウ　分子の運動エネルギーの平均値は変わらず、エネルギー分布の形だけが変わる。
• エ　分子の熱運動が激しくなり、単位時間あたりの分子どうしの衝突回数が増える。
• オ　エネルギー分布の幅がせまくなり、ほとんどの分子が平均値に近いエネルギーをもつようになる。

一定量の気体について、横軸に分子 1 個がもつ運動エネルギー、縦軸にそのエネルギーをもつ分子の数の割合をとったグラフ（エネルギー分布曲線）を考える。このグラフは山形の曲線になり、曲線と横軸で囲まれた部分の面積は、気体の分子全体を表す。

気体の物質量を変えずに温度を上げたとき、このエネルギー分布曲線と反応速度の変化について述べた記述として最も適当なものを、次のア〜オのうちから 1 つ選べ。ただし、反応の活性化エネルギーを $E_{\mathrm{a}}$ とする。

• ア　曲線の山の頂点は高エネルギー側へ移り、山の頂点の高さは高くなる。
• イ　曲線と横軸で囲まれた部分の面積が大きくなり、その分だけ反応する分子が増える。
• ウ　すべての分子が $E_{\mathrm{a}}$ 以上のエネルギーをもつようになり、どの衝突でも反応が起こる。
• エ　$E_{\mathrm{a}}$ 以上のエネルギーをもつ分子の割合が大きくなり、単位時間あたりに反応する分子の数が増える。
• オ　分子の運動エネルギーの平均値は変わらず、分布の広がり方だけが変わる。

触媒に関する記述として誤っているものを、次のア〜オのうちから 1 つ選べ。

• ア　可逆反応に触媒を加えると、正反応の活性化エネルギーも逆反応の活性化エネルギーも小さくなる。
• イ　触媒を加えて反応の経路が変わっても、反応エンタルピー（反応熱）の値は変わらない。
• ウ　可逆反応に触媒を加えると、平衡に達するまでの時間は短くなるが、平衡定数の値は変わらない。
• エ　過酸化水素水に塩化鉄(III)水溶液を加えて過酸化水素を分解させるとき、塩化鉄(III)は不均一触媒としてはたらく。
• オ　酵素はタンパク質を主成分とする触媒で、温度が高くなりすぎると変性してはたらきを失う。

触媒に関する記述として誤っているものを、次のア〜オのうちから 1 つ選べ。

• ア　酵素はタンパク質を主成分とする触媒で、それぞれ特定の物質（基質）にだけはたらく。
• イ　触媒を加えると、正反応の活性化エネルギーも逆反応の活性化エネルギーも小さくなる。
• ウ　可逆反応に触媒を加えると、平衡に達するまでの時間が短くなり、平衡状態での生成物の量も増える。
• エ　過酸化水素水に酸化マンガン(IV)を加えて酸素を発生させるとき、酸化マンガン(IV)は不均一触媒としてはたらいている。
• オ　触媒を加えても、反応物と生成物のエンタルピーは変わらないので、反応エンタルピーは変わらない。

1 段階で進む可逆反応について、活性化エネルギーと遷移状態（活性化状態）に関する記述として正しいものを、次のア〜オからすべて選べ。ただし、反応エンタルピーの大きさとは、反応物と生成物のエンタルピーの差の大きさ（反応熱の大きさ）をいう。

• ア　正反応が発熱反応であるとき、逆反応の活性化エネルギーは、正反応の活性化エネルギーより大きい。
• イ　遷移状態にある原子の集まりは、反応物よりもエネルギーが高く不安定な状態である。
• ウ　同じ温度で比べると、活性化エネルギーが大きい反応ほど反応速度が大きい。
• エ　正反応の活性化エネルギーと逆反応の活性化エネルギーの差は、反応エンタルピーの大きさに等しい。
• オ　正反応が吸熱反応であるとき、正反応の活性化エネルギーは、反応エンタルピーの大きさより小さい。

反応速度とその変化に関する記述として正しいものを、次のア〜オのうちから 1 つ選べ。

• ア　反応 ${\mathrm{N}}_2+3{\mathrm{H}}_2⟶2\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3$ において、$\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3$ の生成速度（単位時間あたりのモル濃度の増加量）は、${\mathrm{N}}_2$ の減少速度（単位時間あたりのモル濃度の減少量）の $3$ 倍である。
• イ　亜鉛と塩酸の反応で、亜鉛を粉末にして表面積を大きくすると反応速度が大きくなるのは、反応の活性化エネルギーが小さくなるためである。
• ウ　気体どうしの反応で、温度を一定に保ったまま容器を圧縮して圧力を大きくすると、各気体の濃度が大きくなって単位時間あたりの分子の衝突回数が増えるため、反応速度は大きくなる。
• エ　水素と塩素の混合気体に強い光を当てると爆発的に反応するのは、光によって反応エンタルピー（反応熱）の値が大きくなるためである。
• オ　温度を $10\mathrm{K}$ 上げると反応速度が $2$〜$3$ 倍になることが多いのは、分子どうしの衝突回数が $2$〜$3$ 倍に増えるためである。

可逆反応 $\mathrm{A}\rightleftarrows \mathrm{B}$ が 1 段階で進むものとする。活性化エネルギーと遷移状態（活性化状態）に関する記述として誤っているものを、次のア〜オのうちから 1 つ選べ。ただし、反応エンタルピーは正反応（$\mathrm{A}⟶\mathrm{B}$）についての値とする。

• ア　正反応が発熱反応であるとき、逆反応の活性化エネルギーは正反応の活性化エネルギーより大きい。
• イ　活性化エネルギーが大きい反応ほど、温度を上げたときの反応速度定数の増加の割合は小さい。
• ウ　遷移状態は、反応の経路の途中にあり、反応物 $\mathrm{A}$ や生成物 $\mathrm{B}$ よりもエネルギーが高い不安定な状態である。
• エ　正反応の活性化エネルギーと逆反応の活性化エネルギーの差の大きさは、反応エンタルピーの大きさに等しい。
• オ　正反応が吸熱反応であるとき、正反応の活性化エネルギーは反応エンタルピーの大きさより大きい。

温度を上げると、分子の運動エネルギーの分布は高エネルギー側に広がり、活性化エネルギー $E_{\mathrm{a}}$ 以上のエネルギーをもつ分子の割合が急激に増える。このため、多くの反応では、温度が $10\mathrm{K}$ 上がるごとに反応速度が $2$〜$3$ 倍になる。

この関係を定量的に表したものとして、反応の速度定数 $k$ と絶対温度 $T$ の関係を、活性化エネルギー $E_{\mathrm{a}}$、気体定数 $R$、反応ごとに決まる定数 $A$ を用いて

$$k=A{e}^{-\frac{E_{\mathrm{a}}}{RT}}$$

と表した式がある。ここで $e^{-\frac{E_{\mathrm{a}}}{RT}}$ は、活性化エネルギー以上のエネルギーをもつ分子の割合に対応する。この式を、提案したスウェーデンの化学者の名前をとって何というか。

気体の可逆反応 ${\mathrm{H}}_2+{\mathrm{I}}_2\rightleftarrows 2\mathrm{HI}$ の正反応（右向きの反応）は発熱反応であり、正反応・逆反応とも 1 段階で進むものとする。この反応の活性化エネルギーと遷移状態（活性化状態）に関する記述として正しいものを、次のア〜オのうちから 1 つ選べ。

• ア　遷移状態にある原子の集合体は、反応物と生成物の中間にあるエネルギーの低い安定な物質なので、反応の途中で取り出して保存することができる。
• イ　正反応の活性化エネルギーは、逆反応の活性化エネルギーより小さい。
• ウ　同じ温度で比べると、活性化エネルギーが大きい反応ほど反応速度は大きい。
• エ　触媒を加えると、正反応の活性化エネルギーと逆反応の活性化エネルギーの差が小さくなる。
• オ　温度を上げると遷移状態のエネルギーが低くなるので、正反応の活性化エネルギーが小さくなり、反応速度が大きくなる。

次の文中の空欄 a・b に入る語句の組み合わせとして正しいものを、下のア〜エのうちから 1 つ選べ。

アンモニアの工業的製法では、気体の窒素と水素の可逆反応
$${\mathrm{N}}_2+3{\mathrm{H}}_2\rightleftarrows 2\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3$$
を、四酸化三鉄 $\mathrm{F}{\mathrm{e}}_3{\mathrm{O}}_4$ を主成分とする固体の触媒を用いて行う。この触媒は、触媒の分類では [ a ] にあたる。温度と圧力を一定に保ったまま、この反応に触媒を用いると、触媒を用いない場合に比べて、正反応の反応速度が大きくなるとともに、逆反応の反応速度は [ b ]。

気体どうしの反応において、ほかの条件を変えずに温度を上げたときの分子のエネルギーと反応速度に関する記述として誤っているものを、次のア〜オのうちから 1 つ選べ。

• ア　一定温度の気体中でも、分子の運動エネルギーはすべて等しいわけではなく、小さいものから大きいものまで分布している。
• イ　温度を上げると、分子の運動エネルギーの分布は高エネルギー側に広がり、最も多くの分子がもつ運動エネルギーの値も大きくなる。
• ウ　温度を上げると分子の衝突回数も増えるが、反応速度が大きくなるおもな理由は、活性化エネルギー以上のエネルギーをもつ分子の割合が増えることである。
• エ　温度を上げると活性化エネルギー以上のエネルギーをもつ分子の割合が増えるが、その増加の割合は、絶対温度の増加の割合とほぼ等しい。
• オ　温度を上げても、反応の活性化エネルギーの大きさは変わらない。