化学の解説

0次反応って何?

0次反応って何?

反応速度を勉強していると1次反応2次反応などと言った言葉を聞いたことがあると思います。
1次反応とは放射性物質(プルトニウムなど)の壊変や、あるいは過酸化物(過酸化水素など)の分解などの『1分子のみ』で起こる反応です。
2次反応とは『2分子の衝突』で起こる反応で、例えばラジカル重合などがそうです。

では《0次反応》って何なのでしょうか?

0次反応とは?

0次反応とは

反応速度が反応物の濃度によらず一定である反応のこと
速度式はv=k

0次反応とは、化学反応の速度が『反応物(原料)の濃度に依存せず一定』な反応のことです。
つまり、反応速度に原料の大小が関係ない、というような状況の反応のことを言います。
言いかえれば、反応速度において、反応物濃度が律速ではない反応のことです。

定義

零次反応とは、反応速度が反応物の濃度に依存しない反応である。反応物の濃度が増加することで反応が加速することはなく、反応した物質は単純に経過時間に比例する。・・・ wikipedia(2019年9月5日現在)

wikipediaからではありますが、0次反応とは「反応速度が反応物の濃度に依存しない反応」ということが言われています。
反応速度が反応物の濃度に全く関係なく常に一定の速度であるような反応です。
繰り返しになりますが、0次反応とはそういう反応のことを言います。

1次反応と2次反応の場合

でも普通、反応速度って反応物の濃度に依存しますよね。
反応速度が反応物の濃度に依存しないとは、どういう状況なのでしょうか。

一応おさらいで反応速度が濃度に依存する『普通』の反応を見ていきたいと思います。
例:1次反応
1次反応と濃度1次反応の例として、箱の中に入っている放射性物質の壊変の場合を考えます。
放射性物質の濃度が大きい方が、出てくる中性子(※)の数も多くなります。
つまり、「反応速度が反応物の濃度に依存」している、と言えます。
(※ 放射壊変で出てくる物質。中性子の他にβ線やγ線などを出すものもある。)

2次反応ぶ場合も同じです。反応物の濃度が大きいほうが、「衝突頻度」の関係で反応速度は増大します。

0次反応では

一方、0次反応は反応物の濃度に依存しません。
これは、かなり特殊な状況にある反応になります。

0次反応の具体的な状況

0次反応のよくある例が「触媒反応」です。
それも、ただの触媒反応ではなく、『反応物に対して触媒量が非常に少ない』状況下で起きる場合です。

0次反応と触媒
反応物はたくさんあるにも関わらず、触媒量が非常に少ないような上図↑のような状況のとき、触媒上は常に満席になっていて他の分子は「順番待ち」をしています。
既に反応物は大量にあるので、触媒が「空いた」ら即座に近くの分子が触媒に吸着します。
そのためこれ以上反応物が増えたところで、反応速度には全く影響がないのです。

反応速度は反応物の濃度に依存しておらず、触媒量に依存しています。
つまり、このような状況における反応を0次反応と呼びます。

0次反応の特徴

0次反応の発生

0次反応は、反応物の濃度ではなく、別のものが反応の律速となっている状況で発生します。

  1. 反応物は大量にあって、触媒がわずかしかない
  2. 「触媒はいっぱいあるが、触媒上での反応時間がそれなりに長い時間を要する」

などといった状況です。

0次反応の速度式

0次反応の速度式
0次反応の速度vは「v=k」つまり、速度定数のみで表されます。
「反応物の濃度」が入っていないところが注目です。
この速度定数kというのは、触媒の量や触媒上での反応速度によって決まります。
単位は、モル濃度/秒 です。
重要なのは、「反応物が触媒量に対して大過剰にある」という前提です。
このような前提でのみ、0次反応は起こります。

まとめ

まとめ

・0次反応は反応速度が反応物濃度に依存しない反応である。
・触媒反応が律速のときに0次反応は起こる。
・反応速度v=kで表され、反応物濃度の項がない。

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