反応速度、概論

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反応速度、概論

化学反応において、反応速度はとても重要な概念です。例えば、薬を溶かして溶液にしたとします。溶液は時間が経過することで薬の成分が分解されていき薬効が消失していきます。今回は反応速度について見ていきたいと思います。

反応速度

反応速度は単位時間当たりの反応物の減少量や生成物の増加量で表されます。例えば、薬が分解するような反応では反応速度(－dC/dt)は以下の式で表されます。

(－dC/dt)=kC^n

k；反応速度定数
C；反応物濃度
t；経過時間
n；反応次数

この反応次数に応じて以下のようにわけられます。

0次反応
1次反応
2次反応

0次反応

0次反応では、一定速度で分解します。例えば、薬が全部で12個あったとしましょう。そして、1時間たつごとに3個ずつ分解されていくとします。

0時間(スタート)では、もちろん12個あります。1時間経過すると、3個減るので9個になります。

さらに1時間経過すると、また3個減るので6個になります。つまりスタート時点から考えると半減期は2時間となります。

そしてまた1時間経過すると、また3個減るので3個となります。そしてもう1時間経過すると、ついに0個になります。よってスタート時点から4時間経つことで薬が全て分解されることになります。

1次反応

1次反応では、常に一定の割合で分解します。1次反応といえば、SN1反応が代表例です。SN1反応は基質のみの濃度に依存する反応でしたね。

1次反応も同じく薬が全部で12固あった場合の例を見てみると

0時間(スタート)では12固あります。ここから半減期経過することで、半分になるので6個になります。

さらに、もう半減期経過すると半分になるので3個になり、またさらに半減期経つと1.5個となります。

2次反応

2次反応では、半減期は初濃度に反比例します。2次反応も代表例と言えばSN2反応です。SN2反応は基質と試薬に依存する反応でした。

2次反応も同じく薬が全部で12個あった場合の例を見てみると

0時間(スタート)では12固あります。ここから半減期経過することで半分になるので6個になります。

そこからさらに3個になるには、2半減期時間がかかります。

それぞれの反応のイメージはわいたでしょうか？次回からは具体的な式などをもとにそれぞれの反応をみていきます。

まとめ

0次反応は、一定速度で分解していく反応。
1次反応は、一定割合で分解していく反応。
2次反応は、半減期は初濃度に反比例する。

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0次反応の式とグラフ、例題編: 0次反応の式では縦軸の切片はC0、傾きは－kの直線的なグラフとなります。また0次反応の式では、2半減期以降だと濃度は0となります。
1次反応の式とグラフ、例題編: 1次反応の式とグラフはlnの時は切片はlnC0、傾きは－kの直線的となります。logの時は縦軸の切片はlogC0、傾きは－k/2.303となるので注意が必要です。
2次反応の式とグラフ、例題編: 2次反応は縦軸の切片は1/C0、傾きはkの直線的なグラフとなります。。0次反応や1次反応と異なり、傾きがプラスであるのがグラフとしては特徴的です。
擬0次反応の式とグラフ、例題編: 擬0次反応とは懸濁剤(サスペンション)などにおいて、溶液中の分解速度が、固体の溶解速度よりも遅いために、本当は1次反応なのに、0次反応のマネをするような式やグラフとなります。
擬1次反応、特殊酸触媒と特殊塩基触媒: 擬1次反応には、エステルの特殊酸触媒と特殊塩基触媒の反応などがあります。特殊酸触媒と特殊塩基触媒の影響を受ける医薬品では、kH[H+]=kOH[－OH]の時が最も安定となります。
活性化エネルギーと反応エンタルピー: 活性化エネルギーが大きいほど反応が進みにくく、小さいほど反応が進みやすいです。触媒は活性化エネルギーに影響を与えて、反応エンタルピーには影響を与えないということができます。
Arrhenius式(アレニウス式)とグラフ: Arrhenius式(アレニウス式)は、反応速度と温度の関係を表した式です。アレニウスプロットではそのグラフから薬の安定性などがわかります。
酸と塩基の基本: 酸と塩基のには、Arrhenius(アレニウス)の定義、Lewis(ルイス)の定義、BronstedーLowry(ブレンステッド・ローリー)の定義などがあります。弱酸においてはKa=[A－]・[H+]/[HA]が成り立ち、Kaを酸解離定数と言います。
弱酸のpHの計算: pH=－log[H+]で表されます。強酸の場合は、全て解離するためpHの計算はやりやすいですが、弱酸の場合は[H+]=√(Ka・C)で計算する必要があります。
Henderson-Hasselbalch(ヘンダーソンーハッセルバルヒ)の式と計算: あるpHのおける弱電解質の分子形やイオン形の割合を求めるのがHenderson-Hasselbalch(ヘンダーソンーハッセルバルヒ)の式です。Henderson-Hasselbalch(ヘンダーソンーハッセルバルヒ)の式を使って計算できるようになりましょう。
真度と精度の違い: 真度は真の値からのかたよりの程度です。精度は均質な検体から採取した複数の試料を繰り返し分析して得られる一連の測定値が互いに一致する程度です。真度と精度の違いを間違えないようにしましょう。
容量分析法、標定と滴定: 容量分析法には中和滴定、非水滴定、キレート滴定、沈殿滴定、酸化還元滴定などがあり標準液、標準試薬、指示薬が決まっています。
直接滴定と逆滴定、対応量の計算: 直接滴定と逆滴定によって、対応量を計算します。対応量とは用いた標準液1mLに対応する資料の量(mg)のことで、おちついて計算できるようにしましょう。
中和滴定のグラフ: 中和滴定は酸性医薬品や塩基性医薬品を中和反応を利用して滴定する方法で、指示電極にはガラス電極が使われます。中和滴定の指示薬には、メチルレッド、メチルオレンジ、フェノールフタレインなどがあります。
非水滴定、キレート滴定: 非水滴定は、きわめて弱い酸や塩基を滴定します。キレート滴定はエチレンジアミン四酢酸二水素ナトリウム(EDTAナトリウム)と金属イオンは1:1で反応します。
沈殿滴定、Fajans法(ファヤンス法)、Volhard法(フォルハルト法): 沈殿滴定は銀を利用して、Fajans法(ファヤンス法)やVolhard法(フォルハルト法)などがあります。沈殿滴定では銀イオンがハロゲン化物(フッ素以外)、シアン化物イオン(CN-)、チオシアン酸イオン(SCN-)などと反応します。
酸化還元滴定、ジアゾ滴定: 酸化還元滴定では、デンプン試薬が指示薬として使われるが、過マンガン酸カリウムについてはそれ自体が指示薬として働きます。ジアゾ滴定は酸化還元滴定の1つです。
クロマトグラフィーの原理と種類: クロマトグラフィーの原理は、試料の固定相への親和性の違いによって分離します。クロマトグラフィーの移動相固定相による分類では、液体クロマトグラフィー、ガスクロマトグラフィーなどがあります。
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クロマトグラフィーの定性と定量: クロマトグラフィーの定性には保持時間が使われます。クロマトグラフィーの定量は、ピーク高さやピーク面積を用いる。方法には内標準法、絶対検量線法、標準添加法などがあります。
ガスクロマトグラフィーと検出器: ガスクロマトグラフィーの検出器には、熱伝導度検出器、水素炎イオン化検出器、電子捕獲検出器、炎光光度検出器、アルカリ熱イオン化検出器などがあります。
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溶媒抽出法、固相抽出法、除タンパク法: 溶媒抽出法は、水と有機溶媒の中に試料を入れることで、目的物質を片方の層に移すことで、邪魔者と分離する方法です。固定抽出法は固相を用いて、目的物と邪魔者を分離する方法です。
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