反応速度の表し方

反応速度を単位時間あたりの濃度（物質量）の変化量で表すことと、各物質の減少速度・生成速度の比が反応式の係数の比に等しいこと（例: $N_{2} + 3 H_{2} \to 2 N H_{3}$ で $N H_{3}$ の生成速度は $N_{2}$ の減少速度の 2 倍）を使って、記述の正誤を判定できる

前提

化学反応式と量的関係（高校化学物質量と化学反応式）
モル濃度（高校化学物質量と化学反応式）

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原子・分子と化学式（中学理科化学分野の用語と知識）
原子量・分子量・式量（高校化学物質量と化学反応式）
物質量と質量・粒子の数（高校化学物質量と化学反応式）
気体の体積と物質量（高校化学物質量と化学反応式）
化学反応式の係数（中学理科化学変化と原子・分子）
化学反応式と量的関係（高校化学物質量と化学反応式）
モル濃度（高校化学物質量と化学反応式）

説明

化学反応の速さ（反応速度）を、数値で比べられる形に表す方法を学びます。反応速度は「単位時間あたりに、ある物質の濃度（または物質量）がどれだけ変化したか」で表します。さらに、同じ反応の中では、各物質の減少速度・生成速度の比が反応式の係数の比に等しくなることを使って、「〇〇の生成速度は△△の減少速度の何倍か」といった記述が正しいかどうかを判定できるようになります。

なぜそうしてよいのか

反応物 A の濃度が、時刻 $t_{1}$ から $t_{2}$ の間に $[A]_{1}$ から $[A]_{2}$ に減ったとき、その間の A の減少速度（平均の反応速度）は
$v = - \frac{[ A ] _{2} - [ A ] _{1}}{t _{2} - t _{1}}$
で表します。濃度は減るので変化量 $[A]_{2} - [A]_{1}$ は負になり、負号をつけて速度を正の値にしています。生成物なら濃度が増えるので、負号をつけずに増加量を時間で割ります。単位は $mol/ (L \cdot s)$ などになります。体積が一定なら、濃度の代わりに物質量の変化量で考えても、比べ方は同じです。

反応式の係数の比は、反応する（生じる）物質量の比です。たとえば $N_{2} + 3 H_{2} ⟶ 2 N H_{3}$ では、 $N_{2}$ が $1$ mol 反応すると $H_{2}$ は $3$ mol 反応し、 $N H_{3}$ は $2$ mol 生じます。同じ時間・同じ体積の中で起こることなので、時間で割った速さの比も $1 : 3 : 2$ になります。つまり $N_{2}$ の減少速度を $v$ とすると、 $H_{2}$ の減少速度は $3 v$ 、 $N H_{3}$ の生成速度は $2 v$ です。

このように、どの物質に注目するかで反応速度の数値は変わります。だからこそ、反応速度を言うときは「どの物質の減少速度（生成速度）か」をはっきりさせる必要があります。

手順

反応式の係数を確認し、各物質の係数の比を書き出す（例: $N_{2} : H_{2} : N H_{3} = 1 : 3 : 2$ ）
記述が比べている 2 つの速度（どの物質の減少速度・生成速度か）を確認する
2 つの速度の比は係数の比に等しいので、「Y の速度は X の速度の（Y の係数）÷（X の係数）倍」と計算する
計算した倍率と記述の倍率を比べて、正誤を判定する

例題

二酸化硫黄と酸素から三酸化硫黄が生じる反応 $2 S O_{2} + O_{2} ⟶ 2 S O_{3}$ において、ある時間内の各物質の減少速度・生成速度について述べた記述として正しいものを、次のア〜エのうちから 1 つ選べ。

ア　 $S O_{3}$ の生成速度は、 $O_{2}$ の減少速度の $\frac{1}{2}$ 倍である。
イ　 $S O_{2}$ の減少速度は、 $O_{2}$ の減少速度の $2$ 倍である。
ウ　 $S O_{2}$ の減少速度は、 $S O_{3}$ の生成速度の $2$ 倍である。
エ　 $O_{2}$ の減少速度は、 $S O_{2}$ の減少速度の $2$ 倍である。

例題の解答

手順 1: 係数の比は $S O_{2} : O_{2} : S O_{3} = 2 : 1 : 2$ 。 $O_{2}$ の減少速度を $v$ とすると、 $S O_{2}$ の減少速度は $2 v$ 、 $S O_{3}$ の生成速度は $2 v$ 。

手順 2〜4: 各記述を確かめる。
- ア: $S O_{3}$ の生成速度 $\div$ $O_{2}$ の減少速度 $= \frac{2}{1} = 2$ 倍。 $\frac{1}{2}$ 倍ではないので誤り。
- イ: $S O_{2}$ の減少速度 $\div$ $O_{2}$ の減少速度 $= \frac{2}{1} = 2$ 倍。正しい。
- ウ: $S O_{2}$ の減少速度 $\div$ $S O_{3}$ の生成速度 $= \frac{2}{2} = 1$ 倍（等しい）。誤り。
- エ: $O_{2}$ の減少速度 $\div$ $S O_{2}$ の減少速度 $= \frac{1}{2}$ 倍。誤り。

よって正しいものはイ。

答え:

イ

よくある誤り

反応速度はどの物質で表しても同じ値になる、としてしまう誤り。正しくは、 $N_{2} + 3 H_{2} \to 2 N H_{3}$ で $N_{2}$ の減少速度が $v$ なら $H_{2}$ の減少速度は $3 v$ 、 $N H_{3}$ の生成速度は $2 v$ のように、係数に比例して値が異なる。
倍率を係数の逆数の比で考えてしまう誤り（ $N H_{3}$ の係数が 2 だから、 $N H_{3}$ の生成速度は $N_{2}$ の減少速度の $\frac{1}{2}$ 倍とする）。正しくは、係数が大きい物質ほど速く変化するので、 $N H_{3}$ の生成速度は $N_{2}$ の減少速度の $\frac{2}{1} = 2$ 倍である。
反応物の減少速度を、濃度の変化量 $[A]_{2} - [A]_{1}$ をそのまま時間で割った値（負の値）としてしまう誤り。正しくは、減少速度は $- \frac{[ A ] _{2} - [ A ] _{1}}{t _{2} - t _{1}}$ のように負号をつけて正の値で表す。
反応速度を、濃度の変化量そのもの（時間で割らない値）としてしまう誤り。正しくは、単位時間あたりの変化量なので、変化量を経過時間で割り、単位は $mol/ (L \cdot s)$ のようになる。

この説明は AI が書き、別の AI が例題を独立に解いて答えを確かめ、説明を一歩ずつ査読しました。

入口の問題

難易度 1（教科書の例題レベル）
過酸化水素水に触媒を加えると、次の反応が起こる。
$2 H_{2} O_{2} ⟶ 2 H_{2} O + O_{2}$
次の文中の空欄 a・b に入る語句の組み合わせとして最も適当なものを、下のア〜エから 1 つ選べ。
反応速度は、単位時間あたりの物質の濃度の変化量で表す。この反応では、反応物である $H_{2} O_{2}$ の濃度は時間とともに（ a ）する。また、同じ時間で比べると、 $O_{2}$ の生成速度は $H_{2} O_{2}$ の分解速度の（ b ）倍である。
a b
ア増加 $2$
イ減少 $\frac{1}{2}$
ウ増加 $\frac{1}{2}$
エ減少 $2$

	a	b
ア	増加	$2$
イ	減少	$\frac{1}{2}$
ウ	増加	$\frac{1}{2}$
エ	減少	$2$

この技能を使う問題

この技能の次に学べること

反応速度を変える条件（濃度・圧力・表面積・光）（高校化学反応速度（知識））
反応速度式・反応次数・速度定数の意味（高校化学反応速度（知識））
可逆反応と化学平衡の状態（高校化学化学平衡（知識））