反応速度論
- 1 次
- ln(CA/CA0) = −kt
- 半減期（1 次）
- t½ = ln 2/k
- 2 次
- 1/CA = 1/CA0 + kt
- アレニウス
- k = A·e−Ea/(RT)
- 2 つの温度
- ln(k2/k1) = (Ea/R)(1/T1 − 1/T2)
反応工学：直前対策パック
公式集、全トピックの解法の要点、8 問の演習問題。完全な解答は巻末にあります。
1公式と解法
反応器の設計（CSTR と PFR）
- 空間時間
- τ = V/Q
- CSTR、1 次反応
- τ = X/(k·(1 − X)), CA = CA0/(1 + kτ)
- PFR、1 次反応
- τ = ln(1/(1 − X))/k, CA = CA0·e−kτ
- 体積から求める反応率
- CSTR: X = kτ/(1 + kτ), PFR: X = 1 − e−kτ
- 直列につないだ N 個の等しい CSTR
- X = 1 − 1/(1 + kτi)N
化学平衡
- 平衡定数
- Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b)
- ICE 表
- 初期、変化（×係数）、平衡
- 2 次方程式
- x = (−b + √(b² − 4ac))/(2a)
解き方
- Kc は生成物を反応物で割った形で書き、それぞれを係数乗します。
- ICE 表をつくります：初期（Initial）、変化（Change、x に係数を掛けた量）、平衡（Equilibrium）。
- 平衡時の式を Kc に代入し、x について解きます。
- 近似が使えるほど x が小さいか確認します。小さくなければ 2 次方程式を解きます。
物質収支
- 定常状態
- 入量 = 出量
- 全体収支
- ṁ1 + ṁ2 = ṁ3
- 成分収支
- ṁ1x1 + ṁ2x2 = ṁ3x3
- 蒸発缶
- F·xF = P·xP, W = F − P
2演習問題
1.反応速度論ふつう
速度式 −rA = k·CA² の反応で k = 0.25 L/(mol·min)、初濃度は 2 mol/L である。20 min 後の濃度 CA を求めよ。
k = 0.25 L/(mol·min)CA0 = 2 mol/Lt = 20 min
CA = mol/L
2.反応速度論むずかしい
2 つの実験で A → 生成物の初速度を測定する。CA0 = 0.5 mol/L のとき反応速度は 0.012 mol/(L·s)、CA0 = 1 mol/L のとき 0.024 mol/(L·s) である。A に関する反応次数 n を求めよ。
CA0,1 = 0.5 mol/Lr1 = 0.012 mol/(L·s)CA0,2 = 1 mol/Lr2 = 0.024 mol/(L·s)
n =
3.反応器の設計（CSTR と PFR）ふつう
k = 0.1 min⁻¹ の液相 1 次反応 A → B を、40 L/min で供給される押出し流れ反応器（PFR）で行う。 密度は一定で、反応器は定常状態にある。A の反応率 95% に必要な反応器体積 V をリットルで求めよ。
Q = 40 L/mink = 0.1 min⁻¹X = 95%
V = L
4.反応器の設計（CSTR と PFR）むずかしい
液相 1 次反応（k = 0.12 min⁻¹）を、100 L/min で供給される 1500 L の CSTR で行う。密度は一定で、反応器は定常状態にある。反応率 X をパーセントで求めよ。
V = 1500 LQ = 100 L/mink = 0.12 min⁻¹
X = %
5.化学平衡ふつう
0.8 mol/L の H₂ と 0.8 mol/L の I₂ を容器に入れると、H₂ + I₂ ⇌ 2HI の反応が起こる。Kc = 54 である。平衡濃度 [HI] を求めよ。
[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0.8 mol/LKc = 54
[HI] = mol/L
6.化学平衡むずかしい
PCl₅ は PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂ のように分解し、反応温度で Kc = 0.04 である。容器には初め 0.1 mol/L の PCl₅ だけが入っている。平衡濃度 [PCl5] を求めよ。
[PCl₅]₀ = 0.1 mol/LKc = 0.04
[PCl5] = mol/L
7.物質収支ふつう
混合後の製品が砂糖を 25% 含むようにするには、流れ 1 に毎時どれだけ流れ 2 を加えればよいか。ṁ2 を求めよ。
ṁ1 = 550 kg/hx1 = 10 %x2 = 45 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
8.物質収支むずかしい
蒸発缶で純水を蒸発させ、食塩水溶液を濃縮する。製品流量 Pを kg/h で求めよ。
F = 4400 kg/hxF = 10 %xP = 60 %
P = kg/h
3溶液
1.反応速度論
答え: CA = 0.1818 mol/L
反応速度：1 次反応では −dC/dt = kC なので C = C₀·e−kt、半減期 ln 2/k は濃度によりません。2 次反応では 1/C = 1/C₀ + kt。速度定数はアレニウスの式に従い温度とともに増加します：k = A·e−Ea/(RT)。
2 次の積分形速度式
1/CA = 1/CA0 + kt = 0.5 + 0.25·20 = 5.5 L/mol
CA = 1/5.5 = 0.1818 mol/L
答え
CA = 0.1818 mol/L
2.反応速度論
答え: n = 1
初速度法：r = k·Cⁿ について、初濃度だけが異なる 2 つの実験を比べると k が消えます：r₂/r₁ = (C₂/C₁)ⁿ。C を 2 倍にすると、1 次では反応速度が 2 倍、2 次では 4 倍になります。
比
r2/r1 = 0.024/0.012 = 2
C2/C1 = 1/0.5 = 2
次数
n = ln(2)/ln(2) = 1
答え
n = 1
3.反応器の設計（CSTR と PFR）
答え: V = 1198 L
理想反応器、1 次反応（−rA = k·CA）の定常状態、空間時間 τ = V/Q。CSTR は完全に混合されているので、体積全体が低い出口濃度で反応します：τ = X/(k·(1 − X))、CA = CA0/(1 + k·τ)。PFR では流体の各断片が小さな回分反応器のように反応します：τ = ln(1/(1 − X))/k、CA = CA0·e−k·τ。同じ反応率では、CSTR は常に PFR より大きな体積を必要とします。
空間時間
τ = ln(1/(1 − 0.95))/0.1 = 2.996/0.1 = 29.96 min
体積
V = Q·τ = 40·29.96 = 1198 L
答え
V = 1198 L
4.反応器の設計（CSTR と PFR）
答え: X = 64.29 %
理想反応器、1 次反応（−rA = k·CA）の定常状態、空間時間 τ = V/Q。CSTR は完全に混合されているので、体積全体が低い出口濃度で反応します：τ = X/(k·(1 − X))、CA = CA0/(1 + k·τ)。PFR では流体の各断片が小さな回分反応器のように反応します：τ = ln(1/(1 − X))/k、CA = CA0·e−k·τ。同じ反応率では、CSTR は常に PFR より大きな体積を必要とします。
空間時間
τ = V/Q = 1500/100 = 15 min, kτ = 0.12·15 = 1.8
反応率
X = kτ/(1 + kτ) = 1.8/(1 + 1.8) = 64.29%
答え
X = 64.29%
5.化学平衡
答え: [HI] = 1.258 mol/L
化学平衡：aA + bB ⇌ cC + dD に対して、平衡定数は Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b) で、平衡時の濃度を使います。ICE 表（初期・変化・平衡）は、係数倍した 1 つの未知数 x を通して、初めの量と平衡時の量を結びつけます。
平衡の式
54 = (2x)²/(0.8 − x)²
平方根をとる
7.348 = 2x/(0.8 − x) → x = 0.8·7.348/(2 + 7.348) = 0.6288 mol/L
平衡濃度
[HI] = 2x = 1.258 mol/L
答え
[HI] = 1.258 mol/L
6.化学平衡
答え: [PCl5] = 0.05367 mol/L
化学平衡：aA + bB ⇌ cC + dD に対して、平衡定数は Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b) で、平衡時の濃度を使います。ICE 表（初期・変化・平衡）は、係数倍した 1 つの未知数 x を通して、初めの量と平衡時の量を結びつけます。
平衡の式
0.04 = x²/(0.1 − x) → x² + 0.04·x − 0.004 = 0
2 次方程式を解く
x = (−0.04 + √(0.04² + 4·0.004))/2 = 0.04633 mol/L
平衡濃度
[PCl₅] = 0.1 − 0.04633 = 0.05367 mol/L
答え
[PCl5] = 0.05367 mol/L
7.物質収支
答え: ṁ2 = 412.5 kg/h
定常状態の物質収支：全体と各成分で入量 = 出量。混合の問題では両方を組み合わせます。
収支
Total: ṁ3 = ṁ1 + ṁ2
砂糖: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3
ṁ2 について解く
ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 550·(10 − 25)/(25 − 45) = 412.5 kg/h
答え
ṁ2 = 412.5 kg/h
8.物質収支
答え: P = 733.3 kg/h
タイ成分：1 つの流れだけを変化せずに通る成分（ここでは溶質）は、流量どうしを直接結びつけます。残りは全体収支で求まります。
溶質収支
F·xF = P·xP → P = 4400·10/60 = 733.3 kg/h
答え
P = 733.3 kg/h
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