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化学の質問です。

炭素と水素からメタンが生成されるとき、
(C+2H2→CH4)

反応において、水素分子はバラバラになり、必ず4Hの状態になって反応し始めるのですか??

A 回答 (3件)

やたらにデタラメな反応になります。

水素ラジカル(水素原子)、一から三の水素を持つ炭素ラジカル、これらが連鎖反応でメタンを作るのですが、炭素は通常グラファイトの状態なので「ただしい」反応機構はよく分りませんし、研究に値しないので分からないままです。
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炭素と水素からいきなりできるとお思いですか。


世の中でどうやって作られるか、自然界でどうやって出来ているかを調べてみましょう(ググればすぐに出てきます)。
いきなり出来ていなければ、この質問は的外れということになります。
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メタン1分子あたりでいえば、そうです。

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現実にある濃度の塩酸を作ることを考えてみてください。
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これに対し、市販の濃塩酸なり、濃度の分かっている塩酸なら水溶液という液体ですので、体積なり重量を容器に入れて測定することが容易にできます。従って、これを水に溶かして、希望の濃度の塩酸を作ることができます。

大学でも研究機関でも企業でも気体の塩化水素でないといけない場合(塩酸ではなく気体の塩化水素として使用する場合)は別にして、ある濃度の塩酸を使うのであれば、塩化水素を水に溶かして使うということはまずありません。市販の塩酸を水に溶かして使います。私も大学時代から40年近く塩酸を使っていますが、塩化水素を水に溶かして塩酸にしたことは一度もありません。必ず濃い塩酸を水に溶かしてうすい塩酸を作っています。

高校化学の教科書なり参考書で、ほとんど現実に行われない、塩化水素を水に溶かすという表現よりも、ごく普通に行われる、塩酸を水に溶かすという表現の方が使われるのは普通だと著者も考えて書いているでしょう。

現実にある濃度の塩酸を作ることを考えてみてください。
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平衡定数Kの各成分濃度[A][B][C]の乗数は、化学反応式の係数になります。
このときに反応速度式が化学反応式の係数とたまたま同じであれば、
反応速度定数k1とk2を用いた時にK=k1/k2となりますね。
(値が等しくなるということだけで、本質的にはKとk1/k2は別物です。
 のちに少し触れます。)

質問者さんの疑問は、速度式の次数が化学反応式の係数と等しくない場合、
当然そのような反応も世の中には存在するわけですが、
K=k1/k2が成立しないのではないか?
Kとk1/k2がイコールにならない。これでいいのか?という疑問ですよね。
はい、イコールになりませんね。元々、平衡定数Kと速度定数の比とは別物です。

No.4にも書きましたが、教科書では、たまたま係数が同じになる反応で説明していますが
質問者さんが考えられているように、全ての反応が速度式の乗数と化学反応式の係数が
同じになるとは限りません。
異なる場合、K=k1/k2は成立しません。
でも、反応式の乗数がどうであれ、質量作用の法則は成立します。
つまり、A+B = Cという反応ならば、K=[C]/[A][B]は 速度式の乗数に関係なく成立し
Kは温度一定ならば一定値を示します。

元々、平衡定数Kは速度比ではないのです。
それを速度比のように説明するから、質問者さんのような疑問になってしまいます。
平衡定数Kの単位はご存知ですか?
乗数がどうであれ、無次元ですよね。

反応速度定数kの単位はどうなりますか?
反応が1次反応なのか、2次反応なのかでkの単位は変わりますよね。
A+B = Cという反応ならば、K=[C]/[A][B]となり 平衡定数Kの単位は無次元です。

しかしながら、速度比 k1/k2の単位は、1次反応と2次反応の比なので無次元にはなりません。
つまり、速度定数の比と平衡定数とは違うものだと理解できると思います。

たまたま数式で絶対値が同じになっても、内容は違うのです。

質問者さんの補足では、K=k1/k2が成立しないことになりますが、
成立しないのです。

反応速度式の乗数が化学反応式の係数と一致しない反応においても
化学平衡が成立しているのならば、平衡時には右向きの反応速度と
左向きの反応速度は等しくなって、見かけ上、反応は停止しているように
見えるでしょう。

この時、k1/k2の値は、ある数値を示しているでしょうね。
実験によって、反応次数を調べて、測定すれば求まると思います。
その値は、平衡定数Kの値とは違う数値になるでしょうね。
平衡時に、確かに右向きの反応と左向きの反応とは速度が同じになっている。
この時k1/k2はある値を示している。
一方、Kもある値を示している。でもそれは異なった数値になっている。一致していない。
ということだと思います。

質問者さんが補足に添付した資料において、質量作用の法則の説明でk1/k2は一定値になる
と説明していますが、k1/k2=Kとは言っていないですよね。
そしてKの誘導は、厳密には熱力学から誘導されるとして、速度比から誘導されるとは
していませんよね。

繰り返しますが、平衡定数Kの分子分母は、右向きの反応速度と左向きの反応速度の比では
ないのです。

補足拝見しました。
平衡定数Kの各成分濃度[A][B][C]の乗数は、化学反応式の係数になります。
このときに反応速度式が化学反応式の係数とたまたま同じであれば、
反応速度定数k1とk2を用いた時にK=k1/k2となりますね。
(値が等しくなるということだけで、本質的にはKとk1/k2は別物です。
 のちに少し触れます。)

質問者さんの疑問は、速度式の次数が化学反応式の係数と等しくない場合、
当然そのような反応も世の中には存在するわけですが、
K=k1/k2が成立しないのではないか?
Kとk1/k2がイコールにならな...続きを読む


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