反応速度は一定ではなく、外部条件によって大きく変わります。
濃度・温度・表面積という3つの要因を、「なぜそうなるか」の
分子レベルの理由とともに理解しましょう。
反応物の濃度が大きいほど、反応速度は大きくなります。これは最も直感的に理解しやすい要因です。
化学反応は、反応物の粒子どうしが衝突することで進みます。溶液や気体中では、単位体積あたりの粒子数が多いほど（＝濃度が高いほど）、単位時間あたりの衝突回数が増加します。
濃度と反応速度の定量的な関係は反応速度式で表されます。例えば、反応 A + B → C で速度が両反応物の濃度に比例する場合、
ここで k は反応速度定数で、温度が一定なら一定の値をとります（濃度には依存しない）。濃度を2倍にすると、それに関わる速度も2倍になります。
反応速度式が v = k[A][B] のとき、A と B の濃度をどちらも3倍にすると？
v' = k(3[A])(3[B]) = 9k[A][B] = 9v
→ 反応速度は9倍になる。
固体の場合、内部の粒子は液体や気体の反応物と接触できません。反応は固体の表面でしか起こりません。そのため固体のモル濃度（物質量/体積）を変えても速度式には入りません。固体については「表面積」が重要です（後述）。
温度が高いほど反応速度は大きくなります。その変化は非常に急激で、反応温度が約 10℃（10 K）上昇するごとに、反応速度は約 2〜3 倍になることが知られています。
五酸化二窒素 N2O5 の分解反応（2N2O5 → 4NO2 + O2）について温度と反応速度定数 k の関係を調べると、以下のようになります。
| 温度 [K] | 反応速度定数 k [/s] | 隣との比 |
|---|---|---|
| 298 | 3.38 × 10−5 | — |
| 308（+10 K） | 1.35 × 10−4 | 約 4.0 倍 |
| 318（+10 K） | 4.98 × 10−4 | 約 3.7 倍 |
| 328（+10 K） | 1.50 × 10−3 | 約 3.0 倍 |
| 338（+10 K） | 4.87 × 10−3 | 約 3.2 倍 |
温度が 10 K 上昇するごとに速度定数は約 3〜4 倍になっていることがわかります。これは濃度の影響とは比較にならないほど大きな変化です。
※ 活性化エネルギーの詳細は 13-3 で学ぶ。
反応速度式 v = k[A][B] において、濃度 [A]、[B] を変えても速度定数 k は変わりません。しかし温度を変えると k の値そのものが変化します。温度が速度に与える影響が大きい本当の理由は、k が温度に対して指数関数的に変化するためです（アレニウスの式）。
触媒を加えると、同じ温度・濃度でも反応速度が大きく増加します。触媒のしくみと活性化エネルギーとの関係は13-3 で詳しく扱います。ここでは現象として押さえておきましょう。
触媒とは、反応速度を大きくするが、反応の前後で自身は変化しない物質です。
過酸化水素水に MnO2（酸化マンガン(IV)）を加えると、常温でも O2 が激しく発生します。MnO2 は触媒として働き、反応後に MnO2 として残ります。触媒が速度を上げる根本的な理由（活性化エネルギーの低下）は 13-3 で学びます。
固体が関与する反応では、固体の表面積が大きいほど反応速度が大きくなります。
石灰石（主成分 CaCO3）に塩酸を加えると、二酸化炭素が発生します。
CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + H2O + CO2
粒状の石灰石と粉末状の石灰石を同じ物質量・同じ濃度の塩酸で反応させると、粉末状の方が激しく CO2 が発生します。物質量（= 全体の粒子数）が同じでも、表面積が大きい方が速い。
固体と液体（または気体）の反応は、固体の表面でしか起こりません。固体を細かく砕くと表面積が増大し、液体の反応物（ここでは HCl）と接触できる面積が広がります。その結果、単位時間あたりの衝突回数が増え、反応速度が大きくなります。
| 固体の形状 | 表面積 | 反応速度 |
|---|---|---|
| 大きな塊 | 小さい | 遅い |
| 粒状（砕いたもの） | 中程度 | 中程度 |
| 粉末 | 大きい | 速い |
小麦粉や石炭の粉末は、塊の状態では燃えにくいにもかかわらず、空気中に浮遊した粉末状態では爆発的に燃焼することがあります（粉じん爆発）。これは表面積の増大による反応速度の急激な増加が原因です。工場の粉体取り扱い設備では防爆対策が必要です。
反応速度に影響する条件は、工業的な化学反応の設計に直結します。以下の学習内容とつながっています。
Q1. 反応速度式が v = k[A]2[B] の反応で、[A] を2倍、[B] を3倍にすると、反応速度は何倍になるか。
Q2. ある反応で温度が 10℃ 上昇するごとに速度が3倍になる。温度を 30℃ 上昇させると速度は何倍になるか。
Q3. 固体の表面積を大きくすると反応速度が増大する理由を、分子（粒子）の衝突の観点から説明せよ。
Q4. 温度が上昇すると反応速度が増大する主な理由は「衝突回数の増加」だけでは不十分とされる。その理由を述べよ。
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。
化学反応の速さに関する記述として誤っているものを、次の①〜⑤から1つ選べ。
④
④が誤り。触媒は反応速度を大きくしますが、反応の前後で自身は変化しません（触媒の定義）。①②③⑤はすべて正しい記述です。⑤について：速度定数 k は濃度には依存しませんが、温度には強く依存します（温度が高いほど大きくなります）。
反応 A + B → C の反応速度式は v = k[A][B] で表され、25℃ での速度定数は k = 2.0 × 10−2 L/(mol・s) である。
(1) [A] = 0.10 mol/L、[B] = 0.20 mol/L のときの反応速度を求めよ。
(2) 温度を 25℃ から 45℃ に上げると、反応速度が約 4 倍になった。この温度範囲での速度定数を求めよ。
(3) (2) の結果から、10℃ 上昇あたりの速度の増加倍率を求めよ。
(1) 4.0 × 10−4 mol/(L・s)
(2) k' = 8.0 × 10−2 L/(mol・s)
(3) 約 2 倍
(1) v = 2.0 × 10−2 × 0.10 × 0.20 = 4.0 × 10−4 mol/(L・s)
(2) 速度が 4 倍になっても濃度は変わらないので、速度定数が 4 倍になる。k' = 4 × 2.0 × 10−2 = 8.0 × 10−2 L/(mol・s)
(3) 25→45℃ の 20℃ 上昇で 4 倍。10℃ 上昇あたりでは √4 = 2 倍。
鉄は常温の空気中では非常にゆっくりと酸化されるが、粉末状にした鉄（鉄粉）を空気中に撒くと激しく燃焼する。また、同じ鉄粉でも加熱すると燃焼が起こりやすくなる。
(1) 塊状の鉄と粉末状の鉄で反応速度が異なる理由を、表面積の観点から説明せよ。
(2) 加熱によって反応速度が大きくなる理由を、分子（粒子）のエネルギーの観点から説明せよ。
(3) 化学工業において、固体触媒を用いる際に細かい粒子状や多孔質の構造にする理由を、本節の内容と関連させて述べよ。
(1) 鉄と酸素の反応は鉄の表面でのみ起こる。粉末状にすると表面積が大幅に増大し、酸素と接触できる鉄の面積が広がるため、単位時間あたりの衝突回数が増加して反応速度が大きくなる。
(2) 温度が高いほど粒子の運動エネルギーが増大し、活性化エネルギーを超えるエネルギーをもつ粒子の割合が増加する。そのため、衝突した際に反応できる確率が高まり、反応速度が大きくなる。
(3) 固体触媒は表面で反応物と作用する（不均一触媒）。触媒を細かくしたり多孔質にしたりすることで表面積を大きくすると、反応物と触媒の接触面積が増え、触媒作用が発揮される機会が増大するため。
(1) 固体は内部の粒子が反応に関与できないため、外部と接触している表面のみで反応が進行します。粉末化によって表面積が飛躍的に増大すると、これが実質的な「濃度増加」と同じ効果をもたらします。
(2) これが温度と速度の関係の核心です。ボルツマン分布によれば、温度が上が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指数関数的に増加します（詳細は 13-3）。
(3) 工業触媒（例：ハーバー・ボッシュ法の鉄触媒、自動車排ガス触媒の Pt・Rh）は多孔質構造にして有効表面積を最大化しています。触媒の有効表面積の設計は触媒工学の重要テーマです。