Kimyada atomları və ya molekulları kimyəvi çevrilmə və ya fiziki nəqliyyatın yarana biləcəyi vəziyyətə aktivləşdirmək üçün lazım olan minimum enerji miqdarı aktivləşmə enerjisi , Ea adlanır. Keçid vəziyyəti nəzəriyyəsində aktivləşmə enerjisi aktiv və ya keçid vəziyyəti konfiqurasiyasındakı atomlar və ya molekullar ilə ilkin konfiqurasiyadakı atomlar və ya molekullar arasında enerji məzmununda fərqdir. Demək olar ki, həmişə reaksiyanın vəziyyəti reaksiya verən məhsullardan (reaktivlərdən) daha yüksək enerji səviyyəsində baş verir. Buna görə də aktivləşdirmə enerjisi həmişə müsbət dəyərə malikdir. Bu müsbət dəyər reaksiyanın enerji udub-udmamasından asılı olmayaraq baş verir ( enderqonik və yaendotermik ) və ya onu əmələ gətirir ( ekzerqonik və ya ekzotermik ).
Aktivləşdirmə enerjisi Ea üçün qısaldılmışdır. Ea vahidlərinin ən ümumi vahidləri mol başına kilojoul (kJ/mol) və mol başına kilokaloridir (kkal/mol).
Arrhenius Ea tənliyi
Svante Arrhenius 1889-cu ildə öz adını daşıyan tənliyi inkişaf etdirərək aktivləşmə enerjisinin mövcudluğunu nümayiş etdirən isveçli alim idi. Arrhenius tənliyi temperatur və reaksiya sürəti arasındakı əlaqəni təsvir edir. Bu əlaqə kimyəvi reaksiyaların sürətini və hər şeydən əvvəl bu reaksiyaların baş verməsi üçün tələb olunan enerji miqdarını hesablamaq üçün vacibdir.
Arrhenius tənliyində K reaksiya sürətinin əmsalı (reaksiya sürəti), A molekulların toqquşma tezliyi amilidir və e sabitdir (təxminən 2,718-ə bərabərdir). Digər tərəfdən, Ea aktivləşdirmə enerjisidir və R universal qaz sabitidir (hər mol üçün temperatur artımı üçün enerji vahidləri). Nəhayət, T Kelvin dərəcəsində ölçülən mütləq temperaturu təmsil edir.
Beləliklə, Arrhenius tənliyi k= Ae^(-Ea/RT) kimi təqdim olunur. Lakin, bir çox tənliklər kimi, müxtəlif dəyərləri hesablamaq üçün yenidən təşkil edilə bilər. Bununla belə, aktivləşmə enerjisini (Ea) hesablamaq üçün A-nın qiymətini bilmək lazım deyil, çünki bunu temperaturdan asılı olaraq reaksiya sürəti əmsallarının dəyişməsindən müəyyən etmək olar.
Ea-nın Kimyəvi Əhəmiyyəti
Bütün molekullar kinetik enerji və ya potensial enerji şəklində ola bilən az miqdarda enerjiyə malikdir. Molekullar toqquşduqda, onların kinetik enerjisi bağları poza və hətta məhv edə bilər, kimyəvi reaksiyalar baş verdikdə belə olur.
Molekullar yavaş-yavaş, yəni kinetik enerjisi az olarsa, ya digər molekullarla toqquşmazlar, ya da zəif olduqları üçün təsirlər heç bir reaksiya yaratmaz. Eyni şey, molekullar yanlış və ya düzgün olmayan oriyentasiya ilə toqquşduqda baş verir. Ancaq molekullar kifayət qədər sürətlə və düzgün istiqamətə doğru hərəkət edərsə, uğurlu toqquşma baş verəcəkdir. Beləliklə, toqquşma zamanı kinetik enerji minimum enerjidən çox olacaq və bu toqquşmadan sonra reaksiya baş verəcəkdir. Hətta ekzotermik reaksiyaların başlaması üçün minimum enerji tələb olunur. Bu minimum enerji tələbi, əvvəllər də izah etdiyimiz kimi, aktivləşmə enerjisi adlanır.
Maddələrin aktivləşmə enerjisi haqqında məlumatların bilməsi ətraf mühitimizə qayğı göstərmək imkanını nəzərdə tutur. Yəni molekulların xüsusiyyətlərindən asılı olaraq kimyəvi reaksiya yarana biləcəyini bilsək, məsələn, yanğına səbəb ola biləcək hərəkətləri edə bilməzdik. Məsələn, kitabın üzərinə şam qoyularsa (kimin alovu aktivləşmə enerjisini təmin edərdi) bir kitabın alovlana biləcəyini bildiyimiz üçün, şam alovunun kitabın kağızına keçməməsinə diqqət yetirəcəyik.
Katalizatorlar və aktivləşdirmə enerjisi
Katalizator reaksiya sürətini eyni məqsəd üçün istifadə edilən digər üsullardan bir qədər fərqli şəkildə artırır. Katalizatorun funksiyası aktivləşmə enerjisini azaltmaqdır ki, hissəciklərin böyük bir hissəsi reaksiya vermək üçün kifayət qədər enerjiyə malik olsun. Katalizatorlar aktivləşdirmə enerjisini iki yolla azalda bilər:
- Reaksiyaya girən hissəcikləri toqquşmaların daha çox baş verməsi üçün istiqamətləndirmək və ya onların hərəkət sürətini dəyişdirməklə.
- Məhsulu yaratmaq üçün daha az enerji tələb edən bir ara maddə yaratmaq üçün reaktivlərlə reaksiyaya girmək.
Platin, mis və dəmir kimi bəzi metallar müəyyən reaksiyalarda katalizator rolunu oynaya bilər. Öz bədənimizdə biokimyəvi reaksiyaları sürətləndirməyə kömək edən bioloji katalizatorlar (biokatalizatorlar) olan fermentlər var. Katalizatorlar ümumiyyətlə bir və ya bir neçə reaktivlə reaksiyaya girərək ara məhsul əmələ gətirir, sonra isə son məhsula çevrilir. Belə bir ara maddə çox vaxt “aktivləşdirilmiş kompleks ” adlanır .
Katalizatorun iştirakı ilə reaksiya nümunəsi
Aşağıda katalizatorun iştirak etdiyi reaksiyanın necə gedə biləcəyinə dair nəzəri nümunə verilmişdir. A və B reaksiyaya girən maddələr, C katalizator, D isə A və B arasındakı reaksiyanın məhsuludur.
Birinci addım (reaksiya 1): A+C → AC
İkinci addım (reaksiya 2): B+AC → ACB
Üçüncü addım (reaksiya 3): ACB → C+D
ACB kimyəvi aralıq deməkdir. 1-ci reaksiyada katalizator (C) sərf edilsə də, daha sonra 3-cü reaksiyada yenidən buraxılır, buna görə də katalizatorla ümumi reaksiya belədir: A+B+C → D+C
Buradan belə nəticə çıxır ki, katalizator reaksiyanın sonunda tamamilə dəyişməz olaraq buraxılır. Katalizator nəzərə alınmadan ümumi reaksiya yazılır: A+B → D
Bu nümunədə katalizator “alternativ reaksiya yolu” adlandıra biləcəyimiz bir sıra reaksiya addımları təqdim etmişdir. Katalizatorun müdaxilə etdiyi bu yol daha az aktivləşdirmə enerjisi tələb edir və buna görə də daha sürətli və daha səmərəlidir.
Arrhenius tənliyi və Eyrinq tənliyi
Reaksiyaların sürətinin temperaturla necə artdığını təsvir etmək üçün iki tənlikdən istifadə etmək olar. Birincisi, Arrhenius tənliyi reaksiya sürətlərinin temperaturdan asılılığını təsvir edir. Digər tərəfdən, 1935-ci ildə sözügedən tədqiqatçı tərəfindən təklif edilən Eyrinq tənliyi var; onun tənliyi keçid vəziyyəti nəzəriyyəsinə əsaslanır və reaksiya sürəti ilə temperatur arasındakı əlaqəni təsvir etmək üçün istifadə olunur. Tənlik belədir:
k= ( kB T /h) exp(-ΔG ‡ /RT).
Bununla belə, Arrhenius tənliyi temperatur və reaksiya sürəti arasındakı asılılığı fenomenoloji olaraq izah edərkən, Eyrinq tənliyi reaksiyanın fərdi elementar addımları haqqında məlumat verir.
Digər tərəfdən, Arrhenius tənliyi yalnız qaz fazasındakı kinetik enerjiyə tətbiq oluna bilər, Eyrinq tənliyi isə həm qaz fazasında, həm də qatılaşdırılmış və qarışıq fazalarda (heç bir aidiyyəti olmayan fazalar) reaksiyaların öyrənilməsində faydalıdır. qaz fazasında). toqquşma modeli). Eynilə, Arrhenius tənliyi reaksiyaların sürətinin temperaturla artdığı empirik müşahidəyə əsaslanır. Bunun əvəzinə Eyrinq tənliyi keçid vəziyyəti modelinə əsaslanan nəzəri konstruksiyadır.
Keçid vəziyyəti nəzəriyyəsinin prinsipləri:
- Enerji maneəsinin yuxarı hissəsində keçid vəziyyəti ilə reaksiya verənlərin vəziyyəti arasında termodinamik tarazlıq mövcuddur.
- Kimyəvi reaksiya sürəti yüksək enerji keçid vəziyyətində hissəciklərin konsentrasiyası ilə mütənasibdir.
Aktivləşdirmə enerjisi ilə Gibbs enerjisi arasında əlaqə
Reaksiya sürəti Eyrinq tənliyində də təsvir edilsə də, bu tənliklə aktivləşmə enerjisindən istifadə etmək əvəzinə keçid vəziyyətinin Gibbs enerjisi (ΔG ‡ ) daxil edilir.
Toqquşan molekulların kinetik enerjisi (yəni kifayət qədər enerji və düzgün oriyentasiyaya malik olanlar) potensial enerjiyə çevrildiyindən aktivləşdirilmiş kompleksin enerji vəziyyəti müsbət molyar Gibbs enerjisi ilə xarakterizə olunur. Əvvəlcə “mövcud enerji” adlandırılan Gibbs enerjisi 1870-ci ildə Josiah Willard Gibbs tərəfindən kəşf edilmişdir. Bu enerjiyə standart aktivləşdirmə enerjisi də deyilir .
İstənilən anda sistemin Gibbs sərbəst enerjisi sistemin entalpiyası ilə sistemin entropiyasının temperaturun hasili çıxılmaqla müəyyən edilir:
G=H-TS.
H entalpiya, T temperatur, S isə entropiyadır. Sistemin sərbəst enerjisini təyin edən bu tənlik, xüsusi reaksiyanın hərəkətverici qüvvələri kimi entalpiyanın və entropiyanın nisbi əhəmiyyətini müəyyən etməyə qadirdir. İndi entalpiya və entropiya şərtlərinin reaksiyanın sərbəst enerjisinə verdiyi töhfələr arasındakı tarazlıq reaksiyanın baş verdiyi temperaturdan asılıdır. Sərbəst enerjini təyin etmək üçün istifadə edilən tənlik temperatur artdıqca entropiya termininin daha vacib olacağını göstərir : ΔG° = ΔH° – TΔS°.
Mənbələr
- Brainard, J. (2014). Aktivləşdirmə enerjisi. https://www.ck12.org/ ünvanında
- Arren qanunu. (2020). Aktivləşdirmə enerjiləri.
- Mitchell, N. (2018). Asetonitril Kosolvent Sistemlərində Sirkə Anhidrid Hidrolizinin Eyrinq Aktivləşdirmə Enerji Təhlili.
