核反応・化学反応

環境に起こるすべての変化は、化学反応や核反応によって引き起こされるが、その意味と違いについては後述する。

化学反応

化学反応とは、ある物質群が別の物質群に変化する過程である。反応の始めにある物質を反応物、反応の後にある物質を生成物と呼びます。1つまたは複数の反応物が生成物に変換される際、異なる修飾やエネルギー的な変化を受けることがあります。反応物中の化学結合が切断され、新しい結合が形成され、結果として生成物は反応物とは全く異なるものになるのである。この化学修飾を化学反応という。化学反応は化学式で記述される。反応を制御する変数がたくさんあるのです。これらの要因には、反応物濃度、触媒、温度、溶媒の影響、pH、時には生成物濃度などが含まれます。反応について多くの結論を導き出し、反応を制御することができるのは、主に熱力学と動力学の研究によってである。熱力学は、エネルギー変換の学問である。反応におけるエネルギーと平衡の位置のみに関係する。どの程度のスピードで平衡に達するかについては、何も言うことはありません。この質問は、キネティクス（動力学）の分野です。

反応速度とは、簡単に言えば、反応の速さを表すものです。つまり、反応のスピードや速度を決めるパラメータと捉えることができる。もちろん、長い時間観察しないと反応が起こっていることすらわからないほど遅い反応もあります。例えば、化学的なプロセスによる岩石の風化は、何年もかけてゆっくりと行われる反応です。これに対し、カリウムのかけらと水との反応は非常に速いため、多くの熱が発生し、激しい反応とみなされる。反応物AとBが生成物CとDに入る次のような反応を考えてみましょう。

a a+b b→c c+d d

反応速度は、2つの反応物または生成物で表すことができる。

レート = -1/a x d[a]/dt = -1/b x d[b]/dt = 1/c x d[c]/dt = 1/d x d[d]/dt

ここで、a、b、c、dは反応物、生成物の化学量論係数である。反応物については、反応の進行に伴い生成物が消費されるため、速度式は負の符号で書かれる。しかし、製品が増えるにつれて、正の符号を得るようになる。

核反応

原子や素粒子の核は、核反応に関与している。核分裂と核融合は、大きく分けて2種類の核反応です。核反応は、化学反応に比べてはるかに高いエネルギーが得られるため、主にエネルギー生産に利用されている。核分裂反応では、大きな不安定原子核が小さな安定原子核に分裂し、その過程でエネルギーが放出される。核融合反応では、2種類の原子核が結合してエネルギーを放出する。