なぜ触媒があると活性化エネルギーは下がるのか?

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触媒と吸着


 
触媒が化学反応を促進するのは、反応の活性化エネルギーを低くするからであるとされている。

しかしなぜ触媒があると化学反応は促進するのに活性化エネルギーがさがるのだろうか?

それは分子への吸着が関係していることが大きい要因といえるもの。

触媒が化学反応を促進するのは、反応物を吸着して活性化すると言える。 


固体表面への分子の吸着には、分子間力による弱い結合の物理吸着と分子と表面との化学結合ができる化学吸着
(活性化吸着)がある。

吸着のうちでも触媒作用で重要な役割を果たすのは化学吸着です。
分子内の原子と原子との結合力より吸着力の方が強い場合には、分子が分解して吸着する解離吸着が起こる。

解離吸着は反応物の反応性を高めるのできわめて重要な触媒過程となるはず。
 

分子が吸着して反応する触媒上の場所を活性点という。活性点の構造は、触媒と触媒反応の種類によって異なる。

吸着が起こるために触媒反応は複雑になる。
触媒がないときに、単一過程で起こっていた反応が、触媒反応になると反応物の吸着、表面反応、生成物の脱離、の
少なくとも三つの過程を通って起こることになる。

123

触媒表面で起こる反応をさらに詳しく見ていくと、いくつかの過程に分解できる場合が多い。

吸着と脱離を含めて、もっとも単純だと思われる過程を、素反応という。
 
素反応の中で最も遅い素反応があり、他の素反応はそれより十分に速い場合、その素反応を律速素反応あるいは
律速段階という。

律速段階を促進する触媒は、理屈としては反応全体を促進する。
しかしながら、触媒反応に律速段階が必ずあるとは限らず、複数の素反応が同程度に遅い場合も多い。

実際の触媒反応では、反応物が触媒に吸着する前の段階、すなわち反応物が触媒に近寄る段階が律速段階になることが
よくある。反応物を攪拌したり、流動させたりしないで静置しておくと、触媒に近づくためには拡散によるほか無い。
拡散は、触媒反応に比べると一般に非常に遅い過程である。


触媒反応よりも前の段階が遅い場合を、拡散律速と言う。




触媒作用

それでは、吸着がどのようにして反応の活性化エネルギーを下げるのか? 


例えば水素とヨウ素の反応を触媒を使って行うとする。

この反応は300℃よりもはるか低温で起こり、求めた活性化エネルギーも小さくなっていることが理解できるはず。

234

ここで触媒が何をしたかというと、まず水素とヨウ素を解離吸着して、水素原子とヨウ素原子にした。

水素原子とヨウ素原子は、つぎに反応してヨウ化水素となって脱離することになる。
このように、この反応での触媒の役割は、触媒がないときの遷移状態を通らない別の反応ルートをつくることなのだ。

これを化学式で書くと、次のようになる。
  H2 2H(a)      
  I2 2I(a)       
  H(a) + I(a) HI     

このように、「触媒が活性化エネルギーを下げる」というのは見かけ上の話であって、内容はそれほど単純ではない。

触媒によって水素とヨウ素の反応の活性化エネルギーが下がったということは、素反応(上の3つの化学式)の
活性化エネルギーのいずれもが、触媒がないときの活性化エネルギーよりそれぞれ小さいということなのです。

つまり触媒が反応物を吸着することにより、無触媒反応の遷移状態に相当する状態が、より安定に(低エネルギーで)
作られたということが言えるわけね。




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