授業ガイド・ワークシートLESSON GUIDE · WORKSHEET
活性化エネルギーと触媒Activation Energy and Catalysts
ねらいGoal:活性化エネルギーEaは反応物から遷移状態までのエネルギーの山の高さであり、温度を上げるとこの山を越えられる分子が増え、触媒は反応熱ΔHを変えずに山を低くする別の経路をつくるので、反応速度定数kが大きくなることを理解する。Students understand that the activation energy Ea is the height of the energy barrier from the reactants up to the transition state, that raising the temperature lets more molecules get over it, and that a catalyst provides another path with a lower barrier without changing the enthalpy change ΔH, so the rate constant k increases.
▶ シミュレーションを開く▶ Open the simulation
1予想しよう(触る前に)Predict (before you touch anything)
- 触媒を加えると、エネルギー図のどこが変わると思いますか。山の高さ、反応物の高さ、生成物の高さのそれぞれについて考えましょう。When a catalyst is added, what do you think changes on the energy diagram? Think about the height of the hill, the reactants and the products.💡 触媒は反応の前後で変化せず、反応物と生成物そのものは同じ物質です。A catalyst is unchanged at the end of the reaction, and the reactants and products are the same substances as before.
- 温度を600 Kから300 Kに下げると、山を越えて生成物側に行くボールの数はどうなると思いますか。If the temperature is lowered from 600 K to 300 K, what do you think happens to the number of balls that get over the hill to the product side?💡 ボールの跳ねの高さは温度によって決まります。How high the balls hop depends on the temperature.
2動かしてみようTry it
- 初期状態(温度 T=600 K、Ea=120 kJ/mol、ΔH=−40 kJ/mol、触媒OFF)で、左の谷のボールが跳ねて山に挑戦し、越えたボールが紫になって右の谷で緑になる様子を見る。図のEa・Ea'・ΔHの矢印と、右側の「k =」「累積到達」を読む。At the start (Temp. T = 600 K, Ea = 120 kJ/mol, ΔH = −40 kJ/mol, catalyst off), watch the balls in the left valley hop up the hill; those that cross turn purple and then green in the right valley. Read the Ea, Ea' and ΔH arrows on the diagram and "k =" and "Reached products" on the right.
- 温度スライダーを300 K、1000 Kに変え、そのつど「リセット」を押して約10秒間の「累積到達」とkの値を記録する。Set the temperature slider to 300 K and then 1000 K, press "Reset" each time, and record "Reached products" after about 10 seconds and the value of k.
- 600 Kに戻して「触媒 ON」にチェックを入れる。オレンジの点線の経路、「触媒 Ea=」の値、ΔHの矢印、kの値を触媒OFFのときと比べ、「リセット」して約10秒間の到達数も記録する。Return to 600 K and tick "Catalyst ON". Compare the dashed orange path, the "Catalyst Ea=" value, the ΔH arrow and k with the catalyst-off case, then press "Reset" and record the number reached in about 10 seconds.
- ΔHスライダーを+30 kJ/molにして吸熱反応にし、生成物の谷の位置とEa、逆反応障壁Ea'の表示がどう変わるか確かめる。Move the ΔH slider to +30 kJ/mol to make the reaction endothermic, and check how the product valley, Ea and the reverse barrier Ea' change.
- 下のk–Tグラフで、Ea=50とEa=200のときの曲線の傾きの違いを見る(Eaスライダーを動かして紫の曲線を比べる)。On the k vs T graph below, compare how steep the curve is for Ea = 50 and Ea = 200 (move the Ea slider and compare the purple curve).
3確かめようCheck
- Ea=120 kJ/mol・触媒OFFで、300 K、600 K、1000 Kのkと約10秒間の到達数はどうでしたか。With Ea = 120 kJ/mol and no catalyst, what were k and the number reached in about 10 seconds at 300 K, 600 K and 1000 K?→ kは300 Kで1.27×10⁻⁸ s⁻¹、600 Kで3.57×10² s⁻¹、1000 Kで5.39×10⁶ s⁻¹。到達数は観察例で300 Kが0個、600 Kが5個前後、1000 Kが13個前後で、温度が高いほど増えた(ランダムなので回ごとに少し変わる)。k was 1.27×10⁻⁸ s⁻¹ at 300 K, 3.57×10² s⁻¹ at 600 K and 5.39×10⁶ s⁻¹ at 1000 K. In one run about 0 balls reached products at 300 K, about 5 at 600 K and about 13 at 1000 K: more at higher temperature (the counts vary a little each run because they are random).
- 触媒をONにすると、何が変わり、何が変わりませんでしたか。When the catalyst was turned on, what changed and what did not?→ 障壁が120 kJ/molから72 kJ/mol(60%)に下がり、600 Kでkは3.57×10²から5.39×10⁶ s⁻¹へ約1万5千倍になり、到達数も増えた。反応物と生成物の谷の高さ(ΔH=−40 kJ/mol)は変わらなかった。The barrier dropped from 120 kJ/mol to 72 kJ/mol (60%), k at 600 K rose from 3.57×10² to 5.39×10⁶ s⁻¹ (about 15,000 times), and more balls reached the products. The heights of the reactant and product valleys (ΔH = −40 kJ/mol) did not change.
- ΔH=−40 kJ/molと+30 kJ/molのとき、逆反応障壁Ea'はいくつでしたか。どんな関係がありますか。What was the reverse barrier Ea' for ΔH = −40 kJ/mol and +30 kJ/mol? What is the relationship?→ Ea=120 kJ/molのとき、ΔH=−40で160 kJ/mol、ΔH=+30で90 kJ/mol。Ea'=Ea−ΔHの関係があり、Ea(反応物の谷から峰まで)はΔHを変えても変わらない。With Ea = 120 kJ/mol, Ea' was 160 kJ/mol for ΔH = −40 and 90 kJ/mol for ΔH = +30. They follow Ea' = Ea − ΔH; Ea (from the reactant valley to the peak) does not change when ΔH changes.
- k–Tグラフで、Eaが大きいほど曲線はどうなっていましたか。On the k vs T graph, how did the curve change as Ea became larger?→ Eaが大きいほど曲線は全体に下がり、傾きが急になった。Eaが大きい反応ほど低温ではほとんど進まず、温度による変化が大きい。The larger Ea, the lower the whole curve and the steeper it became. Reactions with a large Ea hardly proceed at low temperature and are more sensitive to temperature.
4考えようThink further
- 触媒を使っても、反応で出入りする熱の量(反応熱)が変わらないのはなぜでしょうか。Why does using a catalyst not change the amount of heat released or absorbed (the enthalpy change)?→ 反応熱は反応物と生成物のエネルギーの差で決まり、途中の経路には関係しないから。触媒は途中の山(経路)だけを低くし、谷の高さは変えない(シミュレーションでもΔHの矢印は変わらない)。Because the enthalpy change depends only on the energy difference between reactants and products, not on the path between them. A catalyst lowers only the hill (the path), not the valleys (the ΔH arrow stays the same in the simulation).
- Ea=60 kJ/mol・300 KとEa=120 kJ/mol・600 Kでは、kが同じ3.57×10² s⁻¹になります。なぜでしょうか。k is the same, 3.57×10² s⁻¹, for Ea = 60 kJ/mol at 300 K and for Ea = 120 kJ/mol at 600 K. Why?→ k = A·exp(−Ea/RT)はEaとTの比(Ea/RT)で決まり、両方ともEa/RTが同じだから。障壁が2倍でも温度が2倍なら越える割合は同じになる。Because k = A·exp(−Ea/RT) depends on the ratio Ea/RT, and both cases have the same Ea/RT. A barrier twice as high is crossed equally often when the temperature is also twice as high.
よくある誤解Common misconceptions
- 「触媒は反応熱を小さくしたり、生成物のエネルギーを変えたりする」という誤解。触媒が変えるのは活性化エネルギー(経路)だけで、ΔHは変わらない。"A catalyst reduces the heat of reaction or changes the energy of the products." A catalyst changes only the activation energy (the path); ΔH stays the same.
- 「発熱反応は活性化エネルギーが小さく、速く進む」という誤解。EaとΔHは別々の量で、発熱反応でもEaが大きければ低温ではほとんど進まない。"Exothermic reactions have small activation energies and go fast." Ea and ΔH are separate quantities; an exothermic reaction with a large Ea hardly proceeds at low temperature.
用語(日本語 / English)Key terms (Japanese / English)
活性化エネルギーactivation energy遷移状態(活性化状態)transition state (activated complex)反応熱(反応エンタルピー)enthalpy change of reaction (ΔH)触媒catalyst反応速度定数rate constantアレニウスの式Arrhenius equation
先生へFor teachers
アニメは見やすさのため熱エネルギーを6倍に拡大しており、ボールの到達数はkの値そのものではなく傾向を示す(1回の跳ねで越える確率は exp(−Ea/(6RT)) と画面下に表示)。逆反応(生成物から戻る越境)は省略しているので、到達数は減らない。触媒の経路は「Eaを60%に下げた二段の山」という模式的なもので、強い吸熱のときは障壁をΔH+5 kJ/molにする調整が入る。ΔHの符号は日本の教科書の反応エンタルピーの表し方(発熱が負)にそろっている。For visibility the animation magnifies thermal energy six times, so the number of balls crossing shows the trend, not the actual value of k (the chance per hop, exp(−Ea/(6RT)), is shown below the readout). The reverse crossing (products back to reactants) is omitted, so the count never decreases. The catalyst path is a schematic two-step hill at 60% of Ea; for strongly endothermic cases its barrier is set to ΔH + 5 kJ/mol instead. ΔH uses the enthalpy sign convention (exothermic is negative).