触媒を使うと反応速度が上がる理由とは？

質問

• 化学反応の速度を上げる方法には、温度を上げる、濃度を上げる、触媒を使うという３つの方法があります。温度と濃度の場合は原子や分子のぶつかり合いが激しくなるため、反応が進みます。一方、触媒を使う場合は異なる経路で反応が進むため、活性化エネルギーが下がり、反応速度が上がると言われています。
• 触媒を使う方法としては、ハーバー法とオストワルト法が知られています。ハーバー法では、N2とH2が反応してNH3が生成されます。この反応では、触媒としてFeが使われます。一方、オストワルト法では、NH3とO2が反応してNOとH2Oが生成されます。この反応では、触媒としてPtが使われます。
• 触媒を使った場合の異なる反応経路とは、触媒が反応に参加して新たな中間体を形成し、その中間体を経由することで反応が進むことを意味します。具体的には、触媒が反応物と反応して新たな化学種を生成し、その化学種が反応を促進する役割を果たします。触媒を使うことで、反応経路が多様化し、より効率的に反応が進むため、反応速度が上がるのです。

回答No.2

Tacosan

窒素と水素から直接アンモニアを合成するときにどのような反応が起きてるのかしらんけど, ハーバー法は詳しく知られていて
1. 鉄の表面に窒素分子が吸着する
2. 窒素分子が 2個の窒素原子に分解する (窒素原子が鉄原子と相互作用する)
3. 窒素原子に逐次水素原子が結合して
N → NH → NH2 → NH3
と変化する (この反応も鉄の表面で起きる)
4. できたアンモニア分子が鉄から離れる
と進行する. 鉄との相互作用のおかげで, 2 のエネルギーを減らすことができる (ただ分解するだけだと 900 kJ/mol 以上必要).

お礼

ありがとうございます。

ハーバー法
N2+3H2→2NH3 触媒はFe

は、窒素分子をまず単体の窒素に分解しないと水素にくっつけないわけですね。そのために必要なエネルギーが900kJ/mol以上。

でも、Feがあれば、窒素分子が鉄の表面に吸着して単体の窒素２個に分解する。これもエネルギーが必要だが、それはさきほどの900kJ/molよりも少ないエネルギーですることができる。

ここの差が大きいのですね！！

そのあと、バラバラになった窒素に水素原子がくっつき、そして鉄から離れる。

N2+3H2+たくさんのkJ→2NH3 Fe無し

が

N2+3H2→2NH3 触媒はFe

になると理解しました。