反応のエネルギー図メーカー
化学のエネルギー図を縮尺どおりに作図。Ea と ΔH の矢印付きの発熱・吸熱反応、触媒の有無による 2 本の経路、多段階反応の機構、結合のポテンシャルエネルギー曲線まで。演習プリント、授業スライド、論文に。
エネルギー図のスタイル
4 つのスタイルを、それぞれ別のエネルギー図で示しています。教科書風カラーの CH₃Br + OH⁻ の SN2 反応（遷移状態は [HO···CH₃···Br]⁻）、白黒の試験問題風で 20 kJ 刻みの目盛りと正反応・逆反応の活性化エネルギーを示した吸熱反応、論文の図として DFT 計算の自由エネルギー図を破線でつないだ準位で描き律速段階を示したもの、ダークスライドで ES と EP を経る酵素反応の経路を触媒なしの反応と比べたものです。
エネルギー図の例
4 枚とも実際の生成結果で、カードのプロンプトから描かれています。ヨウ化物イオン触媒の有無による過酸化水素の分解（Ea 75 と 56 kJ/mol、ΔH = −98 kJ/mol）、記号だけで示した 1 段階の吸熱反応、律速段階を示した 2 段階の SN1 反応（Ea1 = 95、Ea2 = 7 kJ/mol）、最小点が 74 pm にある H₂ のポテンシャルエネルギー曲線です。カードをクリックするとプロンプトが読み込まれます。
エネルギー図とは？
エネルギー図（エネルギー断面図、ポテンシャルエネルギー図とも呼ぶ）は、反応座標を横軸、系のエネルギーを縦軸にとり、左の反応物から右の生成物へ反応が進むときのエネルギー変化を表した図です。 山の頂上はそれぞれ遷移状態、2 つの山の間の谷は反応中間体です。反応物からエネルギー障壁の頂上までの高さが活性化エネルギー Ea、反応物と生成物の 2 つの準位の高さの差がエンタルピー変化 ΔH です。生成物が反応物より低ければ発熱反応、高ければ吸熱反応で、触媒は同じ 2 つの準位の間を通るより低い経路として現れます。
このエネルギー図ツールについて
- ノートに書いてあるとおりに入力できます：反応物 0、遷移状態1 +85、中間体 +20、遷移状態2 +60、生成物 −45 kJ/mol。各段階の Ea と ΔH だけ（Ea = 50 kJ/mol、ΔH = −30 kJ/mol）でもよく、作図の前に各準位が計算されます。
- 曲線はすべての停留点を通るように計算され、各遷移状態でちょうど極大、各中間体でちょうど極小になり、余計なこぶは入りません。すべての準位が数値なら、高さは縮尺どおりです。
- 活性化エネルギーの矢印は、その障壁の直前の極小点から描き、軸からは描きません。ΔH の矢印は反応物の準位から生成物の準位へ向かい、ΔH = −45 kJ/mol や ΔH = +30 kJ のように符号付きで示します。
- 数値をまったく入れない場合（「触媒あり・なしの吸熱反応」など）は、説明どおりの形で描き、矢印には Ea や ΔH > 0 といった記号だけを付けます。数値をでっち上げることはありません。
- 単位は入力どおりです（kJ/mol、kJ·mol⁻¹、kcal/mol、eV）。自由エネルギー図を指定すると矢印は ΔG‡ と ΔG° に、「準位を破線でつなぐ」と指定すると DFT 論文でよく見る階段状の図になります。
作れるエネルギー図
化学の授業や論文でこの 2 つの軸に描かれる 8 種類の図と、それぞれの特徴、入力のしかたです。
発熱反応のエネルギー図
生成物が反応物より低い位置で終わるので ΔH は負、ΔH の矢印は下向きです。 逆反応の障壁は必ず高くなり、Ea = 50 kJ/mol、ΔH = −120 kJ/mol なら生成物から戻るには 170 kJ/mol を越える必要があります。2 つの数値を入れるか、「発熱反応」とだけ書けば、矢印は Ea と ΔH < 0 になります。
吸熱反応のエネルギー図
生成物が反応物より高い位置で終わり、ΔH は正、障壁は少なくともその差を越えなければなりません。 反応物 40 kJ、活性錯合体 100 kJ、生成物 70 kJ なら、正反応の活性化エネルギー 60 kJ、逆反応 30 kJ、ΔH = +30 kJ という定番の試験問題になります。「縦軸は 20 kJ 刻み」と加えれば目盛りが付きます。
触媒あり・なしの活性化エネルギーの図
同じ反応物と生成物の準位の間に 2 本の経路：触媒ありの経路はより低く破線で描き、専用の Ea の矢印を付けます。触媒は ΔH を変えないので ΔH は 1 本だけです。 教科書の定番は過酸化水素の分解で、触媒なしの Ea は 75 kJ/mol、ヨウ化物イオンありで 56 kJ/mol、ΔH = −98 kJ/mol です。酵素反応のエネルギー図も同じ種類の図で、触媒経路が ES と EP の複合体を通ります。
多段階反応の反応座標図
素反応ごとに山が 1 つ、中間体ごとに谷が 1 つあり、各段階の Ea はその直前の極小点から測ります。 反応物 0、遷移状態1 +85、中間体 +20、遷移状態2 +60、生成物 −45 kJ/mol なら Ea1 = 85、Ea2 = 40 kJ/mol です。「律速段階を示す」と書くと数値から判定します：山の前の最も低い点からの上りが最大の段階で、最も高い山とは限りません。
SN1・SN2 反応のエネルギー図
SN2 は 1 段階で、五配位の遷移状態 [Nu···C···L]‡ に山が 1 つあるだけで中間体はありません。SN1 は 2 段階で、高い第 1 の障壁を越えてカルボカチオンに電離し、求核剤が結合するときに小さな第 2 の障壁を越えます。 反応機構を書けば形が決まり、遷移状態1・カルボカチオン・遷移状態2 のエネルギーを入れれば縮尺どおりに描けます。E2 と E1 のエネルギー図も同じ 2 つの形です。
ギブズ自由エネルギー図（ΔG‡）
縦軸は G、矢印は ΔG‡ と ΔG° になり、計算化学の論文では各状態を短い水平の準位として描き、次の準位と破線でつなぎます。 DFT の値と一緒に「自由エネルギー、kcal/mol、準位を破線でつなぐ」と書けば、論文の図スタイルで目盛りも付きます。25 °C で 18.4 kcal/mol の障壁は速度定数約 0.2 s⁻¹、半減期約 3.4 s に相当します。
エンタルピー図
縦軸をエンタルピー H にした同じ図で、反応物と生成物を準位として描き、その間が ΔH、山の上が Ea です。 反応物と生成物だけを指定すると、2 つの準位と ΔH の矢印 1 本だけで障壁のないエンタルピー図になり、Ea を加えると間に曲線が現れます。
結合のポテンシャルエネルギー曲線（モースポテンシャル、レナード-ジョーンズポテンシャル）
「ポテンシャルエネルギー図」と呼ばれるもう 1 つの図で、2 原子のエネルギーを核間距離に対して描いたものです。短距離では急な反発の壁、結合距離で極小、原子が離れると 0 に向かって平らになります。 H₂ は 74 pm に極小、深さ 436 kJ/mol の井戸で描きます。レナード-ジョーンズと指定して ε と σ を与えれば、アルゴンのようなファンデルワールス対（ε = 0.998 kJ/mol、σ = 340 pm）も描け、極小は 2^(1/6)σ = 382 pm にあります。
エネルギー図の読み方
反応のエネルギー図の各要素が何で、図のどこにあり、反応について何を示すか。
| 要素 | 図のどこにあるか | 何がわかるか |
|---|---|---|
| 反応物と生成物 | 左端と右端の水平な準位 | それぞれのエネルギー。その差が ΔH |
| 遷移状態（‡） | それぞれの山の頂上 | 素反応の中で最もエネルギーの高い原子配置。寿命は結合振動 1 回程度で、単離できない |
| 反応中間体 | 2 つの山の間の谷 | 有限の寿命をもつ実在の化学種。SN1 のカルボカチオンなど。検出できることもある |
| 活性化エネルギー Ea | 山の直前の極小点から頂上まで | その段階の遅さ。25 °C では障壁が 5.7 kJ/mol（1.36 kcal/mol）増えるごとに速さは約 10 分の 1 |
| 逆反応の活性化エネルギー | 生成物から最後の山の頂上まで | 逆反応の障壁：Ea（逆）= Ea（正）− ΔH |
| ΔH（自由エネルギー図では ΔG°） | 反応物の準位から生成物の準位までの高さの差 | 負なら発熱（発エルゴン）でエネルギーを放出、正なら吸熱（吸エルゴン） |
| 律速段階 | 直前の最も低い点からの上りが最大の段階 | 全体の速さを決める段階。多くは山が最も高い段階だが、そうとは限らない |
| 触媒経路 | 同じ 2 つの準位の間を通るより低い経路 | Ea が小さく、中間体が増えることが多い。ΔH と平衡の位置は変わらない |
反応座標には単位も目盛りの数値もありません。 反応の段階を左から右へ並べているだけで、測定量は縦軸だけです。そのため、エネルギー図の横方向の間隔には意味がありません。
発熱反応と吸熱反応のエネルギー図の違い
準位、障壁、2 本の矢印という同じ 3 つの要素も、どちらの準位が低いかで読み方が変わります。
| 発熱反応 | 吸熱反応 | |
|---|---|---|
| 反応物に対する生成物 | 低い | 高い |
| ΔH の符号 | 負、ΔH < 0 | 正、ΔH > 0 |
| ΔH の矢印 | 下向き | 上向き |
| 正反応と逆反応の障壁 | Ea（正）は Ea（逆）より小さい | Ea（正）は Ea（逆）より大きく、ΔH 以上 |
| エネルギーと周囲 | 熱を放出し、周囲の温度が上がる | 熱を吸収し、周囲の温度が下がる |
| 遷移状態（ハモンドの仮説） | 早い遷移状態で、反応物に似る | 遅い遷移状態で、生成物に似る |
| 例 | メタンの燃焼 ΔH = −890 kJ/mol、H₂O₂ の分解 −98 kJ/mol | CaCO₃ → CaO + CO₂ ΔH = +178 kJ/mol、N₂ + O₂ → 2NO +181 kJ/mol |
発熱反応だから速いとは限りません。 ΔH の符号は 2 つの準位で、速さは障壁で決まります。メタンと酸素は混ぜても反応せず、火花が活性化エネルギーを与えて初めて反応します。反応では 890 kJ/mol もの熱が出るにもかかわらずです。
2 つの障壁から求める ΔH と、触媒の効き目
どのエネルギー図でも ΔH = Ea（正）− Ea（逆）が成り立ち、アレニウスの式は障壁の変化を速さの変化に換算します。 障壁が指数に入っているため、Ea が数 kJ/mol 下がるだけで反応は何倍も速くなります。
ΔH = Ea,正 − Ea,逆 k = A·e^(−Ea / RT) k触媒 / k無触媒 = e^((Ea,無触媒 − Ea,触媒) / RT)
言葉でいうと
2 つの準位の差は 2 回の上りの差。障壁を 1 kJ/mol 下げるごとに速さは何倍にもなる。
ヨウ化物イオンは過酸化水素の分解の障壁を 75 から 56 kJ/mol に下げます。25 °C では e^(19 000 / (8.314 × 298)) ≈ 2100 となり、触媒反応は約 2000 倍速く進みます（A が同じと仮定）。一方 ΔH は −98 kJ/mol のままです。自由エネルギー図では、同じ計算をアイリングの式の ΔG‡ で行います：k = (k_B·T / h)·e^(−ΔG‡ / RT)。
エネルギー図のよくある質問
エネルギー図の書き方は？
縦軸にエネルギー、横軸に反応座標をとり、左に反応物、右に生成物を短い水平線で描き、その間に段階ごとに山を 1 つ描きます。次に反応物の準位から山の頂上へ Ea の矢印、反応物から生成物へ ΔH の矢印を引きます。 ここではかわりにエネルギーを入力するだけです。たとえば「反応物 0、遷移状態 75、生成物 −98 kJ/mol」、または Ea と ΔH だけでも、山・2 本の矢印・数値が自動で配置されます。
活性化エネルギーの矢印はどこから引きますか？
障壁の直前にあるもののエネルギーから引きます。1 段階の反応なら反応物、後の段階ならその前の中間体で、終点はその障壁の頂上です。 横軸や 0 から引くのではありません。反応物 0、遷移状態1 85、中間体 20、遷移状態2 60 の 2 段階反応では、第 2 段階の Ea は 60 ではなく 60 − 20 = 40 です。
エネルギー図から発熱反応か吸熱反応かを見分けるには？
2 つの準位を比べます。生成物が反応物より低ければ発熱反応（ΔH < 0）、高ければ吸熱反応（ΔH > 0）です。 障壁の高さはこれとは無関係で、吸熱反応でも Ea が小さいことがあり、発熱反応でも Ea がとても大きいことがあります。
遷移状態と反応中間体の違いは？
遷移状態は山の頂上、中間体は谷です。 遷移状態は素反応の最高点で、結合の切断と生成の途中にある構造であり、単離できません。中間体はある段階でできて次の段階で消費される実在の化学種で、SN1 のカルボカチオンがその例です。n 段階の反応のエネルギー図には遷移状態が n 個、中間体が n − 1 個あります。
触媒はエネルギー図をどう変えますか？
同じ反応物と生成物の準位の間に、より低い経路を加えます。Ea は下がり、ΔH はまったく変わりません。 触媒は反応物と結合し、変化した生成物を放すため、触媒経路は段階が多く、各段階の障壁が小さいことがよくあります。酵素反応のエネルギー図では、酵素-基質複合体（ES）と酵素-生成物複合体（EP）が谷として表れます。触媒は正反応と逆反応を同じように速め、平衡は移動させません。
エネルギー図で律速段階を見つけるには？
教科書の多くの図では、遷移状態が最も高い段階です。厳密には、直前の最も低い点からの上りが最大の段階です。 両者が一致しないこともあります。反応物 0、遷移状態1 50、中間体 −40、遷移状態2 30、生成物 −60 では遷移状態1 のほうが高いものの、第 2 段階は深い中間体から 70 上る必要があるため、律速段階は第 2 段階です。「律速段階を示す」と指示すれば、この規則で数値から判定します。
SN1 と SN2 のエネルギー図はどう違いますか？
SN2 は山が 1 つで、結合の生成と切断が 1 つの遷移状態で同時に起こり、v = k[基質][求核剤] です。SN1 は山が 2 つで、その間の谷がカルボカチオンです。最初の山（電離）のほうが高く律速段階になるので、v = k[基質] となります。 カルボカチオンが安定なほど（第一級より第三級）、その中間体もそこへ至る障壁も低くなります。
ポテンシャルエネルギー図・エンタルピー図・自由エネルギー図の違いは？
縦軸の量が違うだけです。 高校ではエネルギーやポテンシャルエネルギー、熱化学ではエンタルピー H、有機化学・生化学・計算化学ではギブズ自由エネルギー G を使い、障壁を ΔG‡、全体の変化を ΔG° と書きます。どれを使うか指定するか、「自由エネルギー」と書けば、軸と矢印のラベルがそれに合わせて変わります。
結合のポテンシャルエネルギー曲線は何を表しますか？
2 つの原子のエネルギーが、原子間の距離によってどう変わるかを表します。 遠く離れているとエネルギーは 0 で、近づくと結合距離で最小になり、さらに近づくと原子核どうしの反発で急に上がります。H₂ の最小点は 74 pm です。教科書では井戸の深さを結合エンタルピーの 436 kJ/mol と書きますが、厳密には井戸の深さ Dₑ は 458 kJ/mol、最低振動準位から解離するのに必要なエネルギー D₀ は 432 kJ/mol です。図に載せたい数値を書けば、それがラベルになります。
AI がエネルギーの値を変えたり、数値を作ったりしませんか？
しません。各準位、各 Ea と ΔH、目盛り、律速段階は、画像を生成する前にあなたの数値から計算され、画像モデルはそれを配置するだけです。 数値が図に入るのは、あなたが入力した値か、入力した値だけから導ける値（2 つの準位から求めた Ea など）に限られます。数値のない依頼は、Ea と ΔH の記号だけを付けた形の図として描きます。
参考資料
- 12.7 Catalysis — OpenStax『Chemistry 2e』
- 4.4: Ea and Catalysts — LibreTexts Chemistry 補足モジュール（反応速度論）
すべての準位が正確な位置にあるエネルギー図を
反応物・遷移状態・中間体・生成物のエネルギーを入力するか、反応を説明するだけで、演習・授業・論文に使える反応のエネルギー図ができあがります。
エネルギー図を作る