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.4

km1939

No.3さんの言うように「触媒は途中反応に参加しているが元に戻る」との考えが
　　正しいと思います。アンモニアの例で触媒の働きを見ますと(1)～(5)の反応
　　と考えられます。

　　　　Ｎ２　＋ 3Ｈ2　　⇔　　　2NH3
鉄触媒

　　　　N2 ⇔ 2N 　　 (触媒表面への吸着）　　　　　　　　 　 　 　(1)
　　　　 　おそい 　　　　　　　　 　　　　　　　

H2 ⇔ 2H　　　　（触媒表面への吸着）　　　　　　　　　　 　　(2)
速い

　　　 N 　 + H ⇔　 NH 　　　(触媒表面での反応） 　　(3)　　　　　　　
速い

NH + H ⇔　 NH2 　　　(触媒表面での反応)　 　(4)
　 速い 　

NH2 + H ⇔　 NH3 　　 アンモニアが生成すると　　　(5)
　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　同時に触媒表面か
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ら飛び出す　　　　

　　　　⇔　；可逆反応

お礼

ありがとうございます。

　　Ｎ2　＋ 3Ｈ2　　⇔　　　2NH3 （鉄触媒）

は詳しく過程を見ると、（１）→（５）のことが起こっているのですね。NH3ができるまでの過程のすべてが触媒である鉄の表面で起こっているのですか。もし鉄が無ければNH3を作るのは大変そうです。

化学反応の速さの観点で見ると、（１）の

　N2 ⇔ 2N 　　 (触媒表面への吸着）　おそい

ということから、ここでほとんどの時間を使っていそうですね。窒素分子をばらばらにするのにエネルギーがたくさん必要だとNo.2さんに教えていただきましたから、それが関係しているのかなと思いました。

それにしても、触媒というものは不思議だなぁと思います。いや、不思議といか、誰かが発見して、ってハーバーさんでしょうね。いろいろな触媒がきっとあって、現代の科学技術はそれを発見して利用して、なんらかの化学物質を作る際に省エネルギー、時間短縮をして、生産コストを下げて経済活動をしているんだろうなって思いました。