「速い反応」「遅い反応」を定量的に扱うのが反応速度です。
単位時間あたりの濃度変化という明確な定義を身につけ、
実験データから反応速度を計算できるようになりましょう。
化学反応が進むと、反応物の量は減少し、生成物の量は増加していきます。この変化の「速さ」を定量的に表したものが反応速度（reaction rate）です。
反応速度は次のように定義されます。
ここで Δ[A] は時間 Δt の間のモル濃度の変化量を表します。反応物は減少するので Δ[A] は負の値になりますが、反応速度は正の値で表すために「−」をつけます。
濃度の単位は mol/L、時間の単位は s（秒）を用いることが多いため、反応速度の単位は通常 mol/(L・s) になります。反応が遅い場合は mol/(L・min) や mol/(L・h) を使うこともあります。
「単位時間あたりの濃度変化」は、数学的には濃度の時間に関する微分です。区間 [t1, t2] での平均の反応速度は、グラフ上で濃度−時間曲線の2点を結ぶ直線の傾きの絶対値に対応します。時刻 t における瞬間の反応速度は、その点での接線の傾きの絶対値です。
反応速度を求めるには、時間とともに変化する量を測定してモル濃度に換算します。測定する量は反応の種類によって選択します。
気体を生じる反応では、発生した気体の体積を時間とともに測定します。例えば、過酸化水素 H2O2 を酸化マンガン(IV) MnO2 で分解すると酸素 O2 が発生します。
2H2O2 → O2 + 2H2O
発生した O2 の体積と気体のモル体積（標準状態では 22.4 L/mol）を使うと、消費された H2O2 の物質量、さらにモル濃度の変化量を計算できます。
滴定などにより溶液中の物質のモル濃度を直接測定する方法です。一定時間ごとにサンプルを採取し、滴定で濃度を求めます。酸や塩基が関与する反応では中和滴定が使われます。
反応物または生成物が有色の場合、溶液の色の濃さ（吸光度）を測定することで濃度変化を追跡できます。ヨウ素 I2（褐色）やニ酸化窒素 NO2（赤褐色）を含む反応で利用されます。
| 測定量 | 適用例 |
|---|---|
| 気体発生量（体積） | H2O2 の分解、金属と酸の反応 |
| 溶液の濃度（滴定） | エステル化、加水分解反応 |
| 色の変化（吸光度） | I2・NO2 を含む反応 |
| 圧力変化 | 気相反応（気体の分子数が変化するもの） |
1つの反応でも、着目する物質によって反応速度の値は異なります。反応 2A → B を例に考えましょう。A が 2 mol 減少すると B が 1 mol 増加するので、
このように、各物質の反応速度の比は化学反応式の係数の比に等しいことがわかります。
反応 aA + bB → cC + dD の場合、
反応開始 20 秒後から 40 秒後の間に、反応物 A のモル濃度が 0.36 mol/L から 0.24 mol/L に減少した。
A の平均の反応速度：
vA = −Δ[A]/Δt = −(0.24 − 0.36)/(40 − 20) = 0.12/20 = 6.0 × 10−3 mol/(L・s)
B の平均の反応速度：
vB = vA/2 = 3.0 × 10−3 mol/(L・s) （係数の比から）
「この反応の速度は何 mol/(L・s) ですか？」と聞かれたとき、どの物質に着目しているかを必ず確認しましょう。同じ反応でも、係数が異なる物質では速度の数値が異なります。答える際は「A の減少速度」や「B の生成速度」のように物質を明示することが重要です。
反応速度の概念は、化学反応の制御や工業的応用の基礎となります。以下の学習内容とつながっています。
Q1. 反応速度を「正の値」で表すために、反応物の濃度変化に「−」をつける理由を述べよ。
Q2. 反応 N2 + 3H2 → 2NH3 において、H2 の減少速度が 3.0 × 10−3 mol/(L・s) のとき、NH3 の生成速度は何 mol/(L・s) か。
Q3. 反応速度を測定する方法を2つ挙げ、それぞれどのような反応に適しているか述べよ。
Q4. 過酸化水素の分解反応（2H2O2 → O2 + 2H2O）において、0秒から60秒の間に O2 が 14.0 mL（標準状態）発生した。このとき溶液の体積を 50.0 mL とすると、この区間の H2O2 の分解の平均の反応速度を求めよ。
基礎（A）から発展（C）まで段階的に取り組んでみてください。
反応 2NO2(気) → 2NO(気) + O2(気) において、ある時間区間に NO2 のモル濃度が 0.80 mol/L から 0.60 mol/L に変化した。この区間の時間が 40 s のとき、以下の問いに答えよ。
(1) NO2 の平均の反応速度 [mol/(L・s)] を求めよ。
(2) O2 の生成速度 [mol/(L・s)] を求めよ。
(1) 5.0 × 10−3 mol/(L・s)
(2) 2.5 × 10−3 mol/(L・s)
(1) vNO₂ = −Δ[NO2]/Δt = −(0.60 − 0.80)/40 = 0.20/40 = 5.0 × 10−3 mol/(L・s)
(2) 化学反応式の係数より、NO2 : O2 = 2 : 1。したがって、vO₂ = 5.0 × 10−3 × (1/2) = 2.5 × 10−3 mol/(L・s)
過酸化水素水に酸化マンガン(IV) を加えると、酸素が発生する。この実験において、以下の測定データが得られた。溶液の体積は 100 mL で変化しないものとする。
| 反応時間 [s] | 0 | 60 | 120 | 180 |
|---|---|---|---|---|
| 発生した O2 体積 [mL]（標準状態） | 0 | 22.4 | 39.2 | 50.4 |
(1) 0〜60 s の間の H2O2 の分解の平均の反応速度 [mol/(L・s)] を求めよ。
(2) 60〜120 s の区間の平均の反応速度を (1) と比較し、その変化の理由を述べよ。
(1) 3.3 × 10−3 mol/(L・s)
(2) 60〜120 s の速度は 2.5 × 10−4 mol/(L・s) で、速度が小さくなっている。時間の経過とともに H2O2 の濃度が減少し、単位時間あたりの衝突回数が減るため、反応速度が低下する。
(1) 0〜60 s で発生した O2 = 22.4 mL = 22.4 × 10−3 L。物質量 = 22.4 × 10−3/22.4 = 1.0 × 10−3 mol。分解した H2O2 = 2 × 1.0 × 10−3 = 2.0 × 10−3 mol。Δ[H2O2] = −2.0 × 10−3/0.100 = −0.020 mol/L。速度 = 0.020/60 = 3.3 × 10−3 mol/(L・s)。
(2) 60〜120 s で増加した O2 = 39.2 − 22.4 = 16.8 mL = 16.8 × 10−3 L。物質量 = 16.8 × 10−3/22.4 = 7.5 × 10−4 mol。分解した H2O2 = 2 × 7.5 × 10−4 = 1.5 × 10−3 mol。Δ[H2O2] = −1.5 × 10−3/0.100 = −0.015 mol/L。速度 = 0.015/60 = 2.5 × 10−4 mol/(L・s)。反応が進むと H2O2 の濃度が下がるため、反応物の衝突頻度が減り速度が低下する。
反応 H2(気) + I2(気) → 2HI(気) において、ある温度での [H2]、[I2]、[HI] の時間変化を測定した。
(1) この反応において、HI の生成速度と H2 の減少速度の比を求めよ。
(2) 反応が進むにつれて平均の反応速度が変化していく理由を、分子の衝突という観点から説明せよ。
(3) 「瞬間の反応速度」と「平均の反応速度」の違いを、グラフの傾きを用いて説明せよ。
(1) 係数の比より、vHI : vH₂ = 2 : 1
(2) 反応が進むにつれて H2 および I2 の濃度が減少し、単位体積あたりの粒子数が少なくなる。そのため H2 分子と I2 分子の衝突回数が減少し、反応速度は小さくなる。
(3) 平均の反応速度は濃度−時間グラフ上で2点を結ぶ直線の傾きの絶対値で表される。瞬間の反応速度は、その時刻におけるグラフの接線の傾きの絶対値で表される。
(1) H2 + I2 → 2HI では係数が H2:HI = 1:2。HI は H2 の2倍の速度（物質量の変化量）で生成する。
(2) 反応速度が濃度に依存する（後の節で学ぶ反応速度式）ことが根本にある。濃度が下がると衝突回数が減り速度が落ちる。この「時間とともに速度が変化する」という現象こそが、平均と瞬間の区別が必要な理由でもある。
(3) 平均の反応速度は有限の時間区間での変化を表すので、グラフ上の2点を結ぶ割線の傾き。瞬間の速度は Δt → 0 の極限で、グラフの接線の傾きになる。