反応速度（知識）

過酸化水素水に触媒を加えると、次の反応が起こる。
$$2{\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_2⟶2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}+{\mathrm{O}}_2$$
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 ${\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_2$ の濃度は時間とともに（ a ）する。また、同じ時間で比べると、${\mathrm{O}}_2$ の生成速度は ${\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_2$ の分解速度の（ b ）倍である。

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。

同じ質量の亜鉛を、同じ温度・同じ濃度・同じ体積の塩酸と反応させる。粒状の亜鉛のかわりに粉末状の亜鉛を用いると、水素が発生する反応の速さは（ a ）。
また、容積一定の容器内で水素とヨウ素の気体が反応しているとき、温度を一定に保ったまま、反応に関係しないアルゴンを加えると、容器内の全圧は大きくなるが、水素とヨウ素の濃度は（ b ）。

気体 $\mathrm{A}$ と気体 $\mathrm{B}$ が反応して気体 $\mathrm{C}$ が生じる反応
$$2\mathrm{A}+\mathrm{B}⟶\mathrm{C}$$
の反応速度 $v$ は、速度定数 $k$ を用いて
$$v=k[\mathrm{A}][\mathrm{B}]$$
と表される。この反応についての記述として正しいものを、次のア〜オからすべて選べ。

• ア　一般に、速度式の濃度の指数は反応式の係数と等しくなるので、この反応でも $[\mathrm{A}]$ の指数は $\mathrm{A}$ の係数と等しい。
• イ　この反応は、全体として二次反応である。
• ウ　温度を一定に保ったまま $[\mathrm{A}]$ を 2 倍にすると、速度定数 $k$ も 2 倍になる。
• エ　速度定数 $k$ の値は、温度によって変化する。
• オ　温度を一定に保ったまま適切な触媒を加えると、反応の活性化エネルギーが小さくなり、速度定数 $k$ は大きくなる。

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。

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。

いくつかの素反応が順に起こって進む反応を多段階反応という。多段階反応では、全体の反応速度は、いくつかの段階のうち（ a ）段階の速さでほぼ決まる。このように全体の反応速度を決める段階を（ b ）という。

容積一定の密閉容器内で気体どうしが反応しているとき、温度を上げると反応速度は大きくなる。その主な理由として最も適当なものを、次のア〜エから 1 つ選べ。

• ア　反応の活性化エネルギーが小さくなるから。
• イ　反応物の濃度が大きくなるから。
• ウ　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大きくなるから。
• エ　分子の平均の運動エネルギーが小さくなるから。

過酸化水素水に酸化マンガン(IV) を加えると、過酸化水素の分解反応
$$2{\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_2⟶2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}+{\mathrm{O}}_2$$
が速く進むようになる。このとき酸化マンガン(IV) は触媒としてはたらいている。触媒のはたらきについての記述として最も適当なものを、次のア〜エから 1 つ選べ。

• ア　触媒は、反応エンタルピーを小さくする。
• イ　触媒は、活性化エネルギーの小さい別の経路で反応を進ませる。
• ウ　触媒は、正反応の活性化エネルギーだけを小さくし、逆反応の活性化エネルギーは変えない。
• エ　触媒は、反応の前後でそれ自身が別の物質に変化する。

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。

反応速度式と反応のしくみに関する記述として最も適当なものを、次のア〜エのうちから 1 つ選べ。

• ア　反応速度式における各反応物の濃度の指数（反応次数）は、化学反応式の係数から必ず決まる。
• イ　いくつかの段階を経て進む反応全体の反応速度は、最も遅い段階の反応速度でほぼ決まる。
• ウ　温度が一定でも、反応物の濃度を大きくすると、反応速度定数の値は大きくなる。
• エ　反応速度定数の値は、反応の種類だけで決まり、温度を変えても変わらない。

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。

五酸化二窒素の分解反応
$$2{\mathrm{N}}_2{\mathrm{O}}_5⟶4\mathrm{N}{\mathrm{O}}_2+{\mathrm{O}}_2$$
の反応速度 $v$ は、実験から、速度定数 $k$ を用いて $v=k[{\mathrm{N}}_2{\mathrm{O}}_5]$ と表されることがわかっている。この反応と反応速度式に関する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。

• ア　化学反応式で ${\mathrm{N}}_2{\mathrm{O}}_5$ の係数が 2 なので、この反応は ${\mathrm{N}}_2{\mathrm{O}}_5$ について二次反応である。
• イ　温度を一定に保ったまま ${\mathrm{N}}_2{\mathrm{O}}_5$ の濃度を 2 倍にすると、速度定数 $k$ も 2 倍になる。
• ウ　温度を一定に保てば、反応が進んで ${\mathrm{N}}_2{\mathrm{O}}_5$ の濃度が小さくなっても、速度定数 $k$ の値は変わらない。
• エ　触媒を加えて反応速度が大きくなっても、同じ温度であれば速度定数 $k$ の値は変わらない。
• オ　この反応がいくつかの段階を経て進むとすると、反応全体の速さは、それらの段階のうち最も速い段階の速さで決まる。

ある気体の反応は、1 段階で進むのではなく、次の 2 つの段階 $(1)$, $(2)$ を順に経て進むことが実験からわかっている。
$$(1)2\mathrm{N}{\mathrm{O}}_2⟶\mathrm{N}{\mathrm{O}}_3+\mathrm{NO}(\text{遅い})$$
$$(2)\mathrm{N}{\mathrm{O}}_3+\mathrm{CO}⟶\mathrm{N}{\mathrm{O}}_2+\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2(\text{速い})$$
段階 $(1)$ は段階 $(2)$ に比べてきわめて遅いため、全体の反応 $\mathrm{N}{\mathrm{O}}_2+\mathrm{CO}⟶\mathrm{NO}+\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ の反応速度は、ほぼ段階 $(1)$ の反応速度で決まる。

このように、いくつかの段階を経て進む反応において、最も遅く、全体の反応速度を決めている段階を何というか。漢字で答えよ。

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。

気体 $\mathrm{A}$ と気体 $\mathrm{B}$ から気体 $\mathrm{C}$ が生じる反応 $2\mathrm{A}+\mathrm{B}⟶2\mathrm{C}$ は、1 段階で進むのではなく、中間体 $\mathrm{X}$ を経由する次の 2 つの段階 $(1)$, $(2)$ からなることがわかっている。
$$(1)\mathrm{A}+\mathrm{B}⟶\mathrm{X}+\mathrm{C}(\text{遅い})$$
$$(2)\mathrm{X}+\mathrm{A}⟶\mathrm{C}(\text{速い})$$
一定温度で実験を行うと、この反応全体の反応速度 $v$ は、速度定数を $k$ として $v=k[\mathrm{A}][\mathrm{B}]$ と表された。これは、段階 $(2)$ がいくら速く進んでも、生じる $\mathrm{X}$ の量は段階 $(1)$ の進み方で限られるため、反応全体の速さが段階 $(1)$ の速さでほぼ決まってしまうからである。

このように、いくつかの段階を経て進む反応において、最も遅く、反応全体の反応速度を決めている段階を何というか。漢字で答えよ。

反応速度とそれを変える条件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　過酸化水素の分解反応 $2{\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_2⟶2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}+{\mathrm{O}}_2$ において、同じ時間内に減少する ${\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_2$ の物質量は、増加する ${\mathrm{O}}_2$ の物質量の 2 倍である。
• イ　同じ質量の亜鉛を希塩酸に加えるとき、粒状の亜鉛より粉末状の亜鉛のほうが、塩酸と接触する表面積が大きいので、水素が発生する反応の速さは大きい。
• ウ　気体どうしの反応において、温度と容器の体積を一定に保ったまま、反応に関係しないアルゴンを加えて全圧を大きくすると、反応物の濃度が大きくなるので反応速度は大きくなる。
• エ　臭化銀 $\mathrm{AgBr}$ に光を当てると分解して銀が生じる。このように、光のエネルギーを吸収して起こる反応を光化学反応という。
• オ　スチールウールは、空気中よりも純粋な酸素中のほうが激しく燃える。これは、反応物である酸素の濃度が大きいほど反応速度が大きくなるためである。

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。

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。

窒素と水素からアンモニアを合成する可逆反応
$${\mathrm{N}}_2+3{\mathrm{H}}_2\rightleftarrows 2\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3$$
を工業的に行うハーバー・ボッシュ法では、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が用いられる。この触媒は気体の反応物とは異なる状態で存在し、その表面で反応が進む。このように、反応物と均一に混じり合わずにはたらく触媒を（　a　）という。

また、温度と圧力を一定に保って、この触媒を用いた場合と用いない場合を比べると、触媒を用いた場合のほうが平衡状態に達するまでの時間は短くなるが、平衡状態での $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3$ の物質量は（　b　）。

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。

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。

一定温度で、気体 $\mathrm{X}$ と気体 $\mathrm{Y}$ から気体 $\mathrm{Z}$ が生じる反応 $\mathrm{X}+2\mathrm{Y}⟶\mathrm{Z}$ の反応速度 $v$ を調べたところ、速度定数を $k$ として $v=k[\mathrm{X}][\mathrm{Y}]$ と表されることがわかった。この反応の反応次数（全体の次数）は（ a ）である。また、反応速度式の濃度の指数が化学反応式の係数と一致しないことから、この反応はいくつかの素反応からなる多段階反応であり、全体の反応速度は、それらの素反応のうち反応速度が最も（ b ）段階で決まると考えられる。

水素と塩素を体積比 $1:1$ で混合した気体を、常温で暗所に置いても、塩化水素はほとんど生じない。ところが、温度・圧力・濃度を変えずに、この混合気体に強い紫外線を含む光を当てると、反応が急激に進んで爆発的に塩化水素が生じる。

$${\mathrm{H}}_2+\mathrm{C}{\mathrm{l}}_2⟶2\mathrm{HCl}$$

また、臭化銀に光を当てると銀が遊離して黒くなる変化も、同じしくみで起こる。このように、物質が光のエネルギーを吸収することによって起こる化学反応を何というか。漢字で答えよ。

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。

反応速度とその変化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　過酸化水素の分解反応 $2{\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_2⟶2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}+{\mathrm{O}}_2$ において、ある時間での ${\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_2$ の減少速度（単位はいずれも $mol/(\mathrm{L}\cdot \mathrm{s})$）は、${\mathrm{O}}_2$ の生成速度の 2 倍である。
• イ　同じ質量の亜鉛を同じ濃度・同じ体積の塩酸に加えると、塊状の亜鉛より粉末状の亜鉛のほうが速く反応する。これは、固体の表面積が大きくなり、単位時間あたりに亜鉛と水素イオンが衝突する回数が増えるためである。
• ウ　気体どうしの反応で、温度を一定に保ったまま容器の体積を小さくして圧力を大きくすると、反応物の濃度が大きくなるので、反応速度は大きくなる。
• エ　体積一定の容器内で進む気体どうしの反応に、温度を一定に保ったまま反応に関係しないアルゴンを加えて全圧を大きくすると、反応物の濃度が大きくなり、反応速度は大きくなる。
• オ　臭化銀に光を当てると銀が析出するように、光のエネルギーを吸収することによって進む反応がある。