なぜ触媒反応の速度は温度や反応物濃度で変わるのか？

2026年9月20日

触媒を使うと化学反応は速くなりますが、同じ触媒を使っても、温度や反応物濃度を変えると反応速度は大きく変わります。低温ではほとんど進まなかった反応が高温で急に速くなったり、反応物濃度を増やすと速くなる一方、ある濃度以上では速度がほとんど増えなくなったりすることがあります。

この違いが生じるのは、触媒反応が反応物の吸着、表面反応、生成物の脱離など複数の段階から成り、それぞれの速さが温度や濃度によって変化するからです。特に固体触媒では、活性点が反応物でどれだけ覆われているかが重要になります。

この記事では、なぜ触媒反応の速度が温度や反応物濃度で変わるのかを、Arrhenius式、速度式、吸着、表面被覆率、Langmuir–Hinshelwood機構、物質移動、触媒量、被毒という観点から解説します。

触媒反応でも温度が上がると速度定数は大きくなる

触媒は、触媒がない場合とは異なる反応経路を提供し、より低い活性化障壁で反応を進めます。

しかし、活性化障壁が低くなっても、温度の影響がなくなるわけではありません。

多くの触媒反応では、速度定数kと絶対温度Tの関係をArrhenius型の式で表せます。

k = A exp(−E_a/RT)

温度が上がると、活性化障壁を越えられる粒子が増えるため、触媒表面での反応速度も一般に大きくなります。

OpenStaxでも、温度・濃度・触媒の存在が化学反応速度を左右する主要因として整理されています。

触媒があっても「低温なら遅い」ことはある

触媒は活性化エネルギーを下げますが、反応速度を無限に大きくするわけではありません。

低温では、触媒表面に反応物が吸着していても、表面反応を進めるのに必要なエネルギーを持つ分子が少なく、反応速度が小さいことがあります。

そのため工業触媒では、触媒を使うだけでなく、十分な反応速度を得られる温度条件を選ぶ必要があります。

温度を上げすぎると速度が単純には増えない場合がある

温度を上げると表面反応自体は速くなることが多い一方、吸着には逆の影響が出る場合があります。

気体分子の吸着が発熱的なら、高温になるほど表面へとどまりにくくなることがあります。

その結果、低温では反応物が表面に十分存在するものの化学反応が遅く、高温では化学反応は速いものの表面被覆率が低い、という競合が起こります。

このため触媒反応には、活性が高くなる適切な温度範囲が存在することがあります。

反応物濃度が高いと活性点へ到達する分子が増える

溶液反応や気相反応では、反応物濃度を高くすると、単位時間あたりに触媒表面へ到達する分子数が増えます。

表面の活性点が十分空いている範囲では、反応物濃度の増加によって吸着量が増え、反応速度も大きくなることがあります。

一般の速度式は、

v = k[A]^m[B]ⁿ

のように表されます。

OpenStaxでは、反応速度と反応物濃度の関係は速度式で表され、指数は実験によって決めると説明されています。

濃度を上げても速度が頭打ちになることがある

固体触媒では、反応物は表面の有限個の活性点へ吸着します。

濃度が低いときは空いている活性点が多いため、濃度を上げると吸着量が増えます。しかし濃度が高くなり、ほとんどの活性点が反応物で埋まると、それ以上濃度を上げても吸着量はあまり増えません。

その結果、反応速度が濃度に対して飽和し、見かけ上ほぼ零次のような挙動を示す場合があります。

触媒反応で「濃度を増やしたのに速度が増えない」ことがあるのは、活性点数に限界があるためです。

Langmuir–Hinshelwood機構では両方の反応物が表面へ吸着する

IUPACはLangmuir–Hinshelwood機構を、表面へ吸着した化学種どうしが反応する表面触媒機構として定義しています。

たとえばAとBが触媒表面へ吸着して反応する場合、

Aが表面へ吸着する
Bが表面へ吸着する
隣接したAとBが表面反応を起こす
生成物が脱離する

という流れを考えます。

この場合、AとBの濃度を増やしたときの効果は、表面のどの程度がAやBで覆われているかによって変わります。

一方の反応物が多すぎるとかえって遅くなる場合がある

二つの反応物が同じ活性点へ競争吸着する場合、一方の濃度が高すぎると表面をほぼ独占してしまうことがあります。

たとえばAとBの両方が表面に必要なのに、Aだけが大量に存在して活性点を埋めると、Bが吸着できる場所が減ります。

その結果、A濃度をさらに増やしても速度が増えないだけでなく、条件によっては速度が低下することもあります。

触媒反応の濃度依存性が単純でない大きな理由です。

触媒反応は吸着・脱離・表面反応の組み合わせで決まる

日本表面科学会の触媒速度論の解説では、触媒反応は吸着、脱離、表面反応などの素過程から構成され、それらの複雑なバランスによって触媒活性が現れると整理されています。

つまり、触媒反応速度を決めるのは「触媒表面での化学反応」だけではありません。

反応物が表面へ届く速さ、吸着する速さ、表面で変化する速さ、生成物が離れる速さのうち、最も遅い段階が全体速度へ強く影響します。

律速段階が変わると温度・濃度依存性も変わる

同じ触媒反応でも、条件によって全体を支配する段階が変わることがあります。

低温では表面反応が遅く、温度依存性が大きく見える一方、高温では表面反応が速くなり、反応物の拡散や供給が律速になる場合があります。

このとき、さらに温度を上げても全体速度が期待ほど増えなくなります。

濃度についても同様で、低濃度では吸着量が速度を支配していても、高濃度では活性点が飽和し、別の段階が律速になることがあります。

物質移動が遅いと触媒本来の速度が見えなくなる

触媒反応では、反応物が触媒表面まで運ばれなければ反応できません。

気体や液体の流れが遅い場合、触媒粒子の周囲に境膜ができ、反応物がその境膜を通って表面へ移動する速さが全体を制限することがあります。

また、多孔質触媒では反応物が細孔内部まで拡散する必要があります。

化学反応そのものが非常に速い場合、表面や細孔へ反応物を運ぶ物質移動が律速になり、温度や触媒活性を上げても全体速度があまり増えません。

撹拌や流速を上げると速度が増える場合がある

液相触媒反応では、撹拌を強くすると反応物が触媒粒子へ運ばれやすくなります。

気相反応では、流速を変えることで外部境膜の厚さや反応物供給速度が変わります。

もし物質移動が律速なら、撹拌や流速を上げることで観測速度が大きくなります。

一方、十分に物質移動が速く、表面化学反応が律速なら、撹拌をさらに強くしても速度はほとんど変わりません。

触媒量を増やすと利用できる活性点が増える

触媒量を増やせば、一般に利用できる活性点の総数も増えます。

反応物供給が十分で、各活性点が同じように働く条件では、触媒量の増加によって全体反応速度が大きくなります。

しかし、反応物が不足している場合や物質移動が律速の場合には、触媒を増やしてもすべての活性点を有効利用できず、速度増加が小さくなることがあります。

触媒の表面積が大きいほど活性点を増やしやすい

固体触媒では、同じ質量でも粒子が細かく、比表面積が大きいほど多くの表面原子を利用できます。

そのため、活性点密度が同じなら表面積が大きい触媒ほど高い反応速度を示しやすくなります。

ただし、粒子サイズが変わると表面構造や電子状態も変化することがあり、単純に表面積だけでは比較できない場合があります。

触媒毒があると濃度を上げても速度が出ないことがある

触媒毒が活性点へ強く吸着すると、反応物が使える場所が減ります。

そのため反応物濃度を高くしても、利用可能な活性点数が少なければ速度は十分に増えません。

硫黄化合物などが金属触媒へ強く吸着する例では、微量の不純物でも活性が大きく低下することがあります。

反応速度を濃度だけで比較するときは、触媒表面が同じ状態であることを確認する必要があります。

生成物が表面を覆うと反応が遅くなることがある

生成物が触媒表面へ強く吸着すると、反応物の吸着場所を奪います。

この場合、反応が進むにつれて生成物濃度が増え、表面被覆率が変化するため、反応速度は時間とともに低下することがあります。

生成物を流れで除去したり、脱離しやすい温度へ調整したりすると、活性点を再び空けられる場合があります。

可逆反応では温度が速度と平衡の両方へ影響する

触媒は正反応と逆反応の両方を速めます。

温度を上げると正反応・逆反応それぞれの速度定数が変わり、同時に化学平衡も温度依存性をもちます。

そのため工業触媒では、「速く反応する温度」と「目的生成物が平衡上多く得られる温度」が一致しない場合があります。

触媒反応条件は、速度だけでなく平衡と選択性を合わせて決めます。

反応速度式は実験で決める必要がある

触媒反応の速度式は、総括反応式だけから決めることはできません。

吸着平衡、表面反応、脱離、競争吸着などを考慮して、実験データと機構モデルを照らし合わせます。

OpenStaxでも、一般の速度式の反応次数は化学反応式の係数から自動的に決まるのではなく、実験的に求める必要があると説明されています。

触媒反応では表面被覆率が関わるため、単純なべき乗則より複雑な式になることも珍しくありません。

温度依存性から見かけの活性化エネルギーを求められる

複数の温度で速度定数を測定すると、Arrheniusプロットから見かけの活性化エネルギーを求めることができます。

ただし、測定温度範囲で律速段階が変化すると、一つの直線では整理できない場合があります。

また物質移動律速では、観測される見かけの活性化エネルギーが本来の表面化学反応より小さく見えることがあります。

温度依存性は反応機構を調べる手がかりにもなります。

反応物濃度を変えると反応次数や吸着状態を推定できる

反応物濃度を系統的に変えて速度を測定すると、その反応物に対する速度依存性を調べられます。

低濃度で一次に近く、高濃度で零次に近づくなら、表面吸着の飽和が関係している可能性があります。

二種類の反応物がある場合に、一方の濃度増加で速度が低下するなら、競争吸着や阻害が疑われます。

濃度依存性は、触媒表面で何が起きているかを推定する重要な情報です。

触媒反応速度を比較するときにそろえる条件

二つの触媒反応速度を比較するときは、少なくとも次の条件をそろえる必要があります。

触媒の種類と量
触媒粒子径と表面積
反応物の種類と濃度・分圧
温度
圧力
流速・撹拌条件
溶媒
触媒の前処理状態
被毒物質や不純物の有無
反応開始からの時間

条件が違えば、速度差が触媒本来の活性によるものか、反応物供給や表面被覆率の違いによるものかを判断できません。