医療工学科の化学講義(13)反応速度・平衡反応・原子核の壊変

前回の講義に対する質問コメント感想その他いろいろの紹介

前回の講義録参照

• (12)気体の法則+化学反応(2011-07-06)

配布資料

• 放射線と放射能
• 前期試験模擬問題計算問題の訂正

反応速度に影響を与える因子

反応物そのものの性質，反応温度，反応物の濃度，反応物の表面積，触媒の存在，などが速度を向上させます．

触媒

活性化エネルギーの低い別の反応経路に化学反応を導く物質が触媒です．触媒は化学反応によって消費されません．また，後で紹介する平衡の向きにも作用しません．

触媒の作用として「活性化エネルギーを下げる」と説明されることがありますが，これは誤りです．相対的に低い活性化エネルギーをもつ別経路に反応が誘導されるため，見かけ上，活性化エネルギーが低くなったようにみえるだけです．

平衡定数

A+B=C+Dという化学反応(等号は→と←のかさねあわせ)において，A, B, C, Dそれぞれの濃度を[A], [B], [C], [D]であらわしたとき，K=[C][D]/[A][B]であらわされる量が平衡定数です．[C][D]が[A][D]よりも大きい場合，反応が正方向に偏っていることになり，生成物を得る際に有利な条件となります．逆に，[C][D]が[A][D]よりも小さい場合は，生成物を得るのに不利な反応であることがわかります．具体的な数値を用いた平衡論は，後期の水溶液化学の単元で扱う予定です．

ルシャトリエの原理:実際の例

平衡状態にある化学反応に何らかの操作を加えた場合，反応系は新しい条件で平衡状態となるよう，システムを再構築します．これは体内における生化学反応を理解するときに重要な考え方です．私たちは様々な食物を採りいれ，それらを消化し，そこからエネルギーを取り出し，身体を構成する材料を得ています．そのために私達の身体システムは，フレキシブルな化学反応を多段階に組み合わせることによって，日々異なる環境下で，日々異なる食料を採りいれても，安定状態に保たれています．

平衡系に何らかの作用が与えられたとき，平衡がどのようにシフトするのかを判断する際，「ルシャトリエの原理」が役立ちます．(1) 水素ガス+窒素ガスとアンモニアガスとの平衡反応，(2)NO₂とN₂O₄との平衡反応，に関して，反応系から構成要素を取り除いた場合，圧力を変えた場合，温度を変えた場合について，反応系がどのように平衡状態をシフトさせるのかを考えました．

↑平衡反応(2)の温度依存性

アンモニア合成の化学

水素と窒素からアンモニアを合成する化学プロセス「ハーバー・ボッシュ法」について紹介しました．20世紀工業化学の代表的成功例です．触媒の開発と高圧反応装置の開発，化学反応のシステム化によって実現された，空気中の窒素を原料に有用物質を生産する優れた化学技術です．

原子核の壊変と放射線

ウランやプルトニウムなど，質量数の大きな原子核は徐々に壊れて行き，質量数の小さな原子核に変わって行きます．これを原子核の壊変，または崩壊と呼びます．

原子核の崩壊に伴って，⁴Heの原子核が放出される場合があります．これをα線と呼びます．また，原子核から電子が放出される場合があります．これをβ線と呼びます．さらに，電磁波が放出される場合もあります．これをγ線と呼びます．

α線，β線，γ線などを放射線と呼びます．そして，放射線を放出する能力を放射能と呼びます．放射能をもつ物質を，放射性同位元素，放射性同位体，ラジオアイソトープ(RI)などと呼びます．

原子核の崩壊については次回の講義で解説します．

嘆きの圧力計算

恒例最後の10分で解く計算問題．計算力トレーニングは脳みその筋トレ．これまでトレーニングを怠けてきた者は大学入学後に苦労する．週に一回，この苦しみを乗り越えて進級せよ!

旧式のエアバッグでは次の反応による窒素ガス発生を利用していた．

2NaN₃ → 2Na + 3N₂

このしくみを利用して，25 ℃における動作時の内圧が2.0 atmとなる，直径50 cmの球状エアバッグをつくるためには，何 g NaN₃ を封入すればよいか．気体定数は8.314 J K^-1 mol^-1とせよ．1 atm=1013 hPa，0 ℃=273 K，NaN₃ のモル質量を 65.0 g mol^-1として計算せよ．

こたえ2.3×10² g．正答にたどり着いたのは2名だけでした．球の体積とかいきなり言われるとダメなんですねぇ．

• 「嘆きの圧力計算」の解答と解法

●計算がやばいです●次は「惨劇」のってのどうですか?●ざせつ●ざせつ●分かりまへん．ギブアップー．後でゆっくり考えれば分かるかもしれません．●わからん●球の体積とかもうもうだめでした．でなおしてきます●はやく時間内に計算したい!●挫折しました・・・．●The折●わかりませんでした●ざせつ!最近，解けない●テストまでにはできるようにします．●挫折●ここ勉強がんばります●計算が複雑で計算機なければone more yearになるので絶対もってこようと思った．●ざせつ●何をするのかわかりませんでした．国語力の問題でしょうか．●挫折orz●ざせつ●わかんね●ざせつ●難しいです●ざせつー!●分からない●挫折●うーん．●ざせつ●またとけませんでした・・・●ぎぶあっぷ．物理を倒してから化学がんばります●できたかな・・・．自信なし．

全般

●平衡のが分かったのでよかったです．●テスト近くなってきて焦ります・・・●もっと崩壊やりたいです●これから病院見学いってきます(^▽^)/

●先生のTwitter面白い!!

Twitterこっち→ @TakahikoNojima

●化学本当にわかんない!前期単位とれなかったらどうなるんですか?

後期に挽回せよ．前期＋後期で200点ぶん以上出題するから，合計で120点とればOK. 取れなかったら来年再履修．再試験ナシ．必修科目は本腰を入れて取り組むこと．

●放射線やりたくないです

ダメ．

●Tcテクネチウム/テクネシウムどちらも使うんですか?

どっちもOK. Technetium．

●爆弾に使われているのは確か²³⁵Uだったと思うのですが，ウランの同位体なのにどうしてこんなにも差があるのでしょうか．

中性子の数が違うからです．これによって安定性が変わるのです．

●化学平衡を書くとき化学式に(g)や(aq)は必ずつけるのでしょうか?NH3には何もついていなかったので気になります．

説明が必要なら書く．

●J/K・mol=J・K-・mol-1この表記アリですか?化学って楽しいですよね(^_^)/s

前者の表記はダメ．molが分子に乗っかっていると誤解されるから．

●この前チョコレート味のガムを見つけました．作ってる間に溶けないんですか?

最初からガムにチョコレート味をつけるのであれば，チョコレートのように油脂を入れる必要がなく，ガムが溶けることもありません．

次回予告

原子核壊変の速度論を解説した後，原子力と診療放射線を解説します．ここで2011年度前期はおしまい．その次の週は前期試験です．

リンク

www.tnojima.net
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生命科学のための基礎化学―無機物理化学編