В химията минималното количество енергия, необходимо за активиране на атоми или молекули до състояние, при което може да се генерира химическа трансформация или физически транспорт, се нарича енергия на активиране , Ea . В теорията на преходното състояние енергията на активиране е разликата в енергийното съдържание между атоми или молекули в конфигурация на активно или преходно състояние и атоми или молекули в първоначална конфигурация. Почти винаги състоянието на реакция се случва на по-високо енергийно ниво от реагиращите продукти (реагенти). Следователно енергията на активиране винаги има положителна стойност. Тази положителна стойност възниква независимо от това дали реакцията абсорбира енергия ( ендергонична илиендотермичен ) или го произвежда ( екзергоничен или екзотермичен ).
Енергията на активиране е съкращение за Ea. Най-често срещаните единици на Ea са килоджаули на мол (kJ/mol) и килокалории на мол (kcal/mol).
Уравнението на Arrhenius Ea
Сванте Арениус е шведски учен, който през 1889 г. демонстрира съществуването на енергия на активиране, развивайки уравнението, което носи неговото име. Уравнението на Арениус описва връзката между температурата и скоростта на реакцията. Тази връзка е от съществено значение за изчисляване на скоростта на химичните реакции и преди всичко на количеството енергия, необходимо за протичането на тези реакции.
В уравнението на Арениус K е коефициентът на скоростта на реакцията (скоростта на реакцията), A е факторът колко често се сблъскват молекулите, а e е константа (приблизително равна на 2,718). От друга страна, Ea е енергията на активиране, а R е универсалната газова константа (енергийни единици за повишаване на температурата на мол). И накрая, T представлява абсолютната температура, измерена в градуси Келвин.
Така уравнението на Арениус е представено като k= Ae^(-Ea/RT). Въпреки това, подобно на много уравнения, то може да бъде пренаредено, за да се изчислят различни стойности. Не е необходимо обаче да се знае стойността на А, за да се изчисли енергията на активиране (Ea), тъй като тя може да се определи от изменението на коефициентите на скоростта на реакцията като функция на температурата.
Химическо значение на Ea
Всички молекули имат малко количество енергия, което може да бъде под формата на кинетична енергия или потенциална енергия. Когато молекулите се сблъскат, тяхната кинетична енергия може да наруши и дори да разруши връзките, което се случва, когато протичат химични реакции.
Ако молекулите се движат бавно, тоест с малка кинетична енергия, те или не се сблъскват с други молекули, или ударите не генерират никаква реакция, защото са слаби. Същото се случва, ако молекулите се сблъскат с грешна или неправилна ориентация. Ако обаче молекулите се движат достатъчно бързо и в правилната ориентация, ще настъпи успешен сблъсък. Така кинетичната енергия при сблъсъка ще бъде по-голяма от минималната енергия и след този сблъсък ще настъпи реакция. Дори екзотермичните реакции изискват минимално количество енергия, за да започнат. Това минимално енергийно изискване, както обяснихме преди, се нарича активираща енергия.
Познаването на данни за енергията на активиране на веществата предполага възможността да се грижим за околната среда. С други думи, ако сме наясно, че в зависимост от характеристиките на молекулите може да се получи химическа реакция, не бихме могли да извършим действия, които например биха могли да причинят пожар. Например, знаейки, че една книга може да се запали, ако върху нея се постави свещ (чийто пламък ще осигури енергията за активиране), ние ще внимаваме пламъкът на свещта да не се разпространи върху хартията на книгата.
Катализатори и активираща енергия
Катализаторът увеличава скоростта на реакцията по малко по-различен начин от другите методи, използвани за същата цел. Функцията на катализатора е да намали енергията на активиране , така че по-голяма част от частиците да имат достатъчно енергия, за да реагират. Катализаторите могат да намалят енергията на активиране по два начина:
- Чрез ориентиране на реагиращите частици, така че да има по-голяма вероятност от сблъсък, или чрез промяна на скоростта на тяхното движение.
- Реагиране с реагентите за образуване на междинно вещество, което изисква по-малко енергия за образуване на продукта.
Някои метали, като платина, мед и желязо, могат да действат като катализатори в определени реакции. В собственото ни тяло има ензими, които са биологични катализатори (биокатализатори), които спомагат за ускоряване на биохимичните реакции. Катализаторите обикновено реагират с един или повече от реагентите, за да образуват междинен продукт, който след това реагира, за да стане краен продукт. Такова междинно вещество често се нарича “активиран комплекс ” .
Пример за реакция с участието на катализатор
Следното е теоретичен пример за това как може да протече реакция, включваща катализатор. A и B са реагенти, C е катализаторът, а D е продуктът на реакцията между A и B.
Първа стъпка (реакция 1): A+C → AC
Втора стъпка (реакция 2): B+AC → ACB
Трета стъпка (реакция 3): ACB → C+D
ACB означава Химически междинен продукт. Въпреки че катализатор (C) се изразходва в реакция 1, той по-късно се освобождава отново в реакция 3, така че общата реакция с катализатор е: A+B+C → D+C
От това следва, че катализаторът се освобождава в края на реакцията, напълно непроменен. Без да се вземе предвид катализаторът, общата реакция ще бъде написана: A+B → D
В този пример катализаторът е предоставил набор от реакционни стъпки, които можем да наречем „алтернативен реакционен път“. Този път, в който се намесва катализаторът, изисква по-малко енергия за активиране и следователно е по-бърз и по-ефективен.
Уравнението на Арениус и уравнението на Айринг
Могат да се използват две уравнения, за да се опише как скоростта на реакциите нараства с температурата. Първо, уравнението на Арениус описва зависимостта на скоростта на реакцията от температурата. От друга страна, съществува уравнението на Айринг, предложено от споменатия изследовател през 1935 г.; неговото уравнение се основава на теорията на преходното състояние и се използва за описание на връзката между скоростта на реакцията и температурата. Уравнението е:
k= ( kB T /h) exp(-ΔG ‡ /RT).
Въпреки това, докато уравнението на Арениус обяснява феноменологично зависимостта между температурата и скоростта на реакцията, уравнението на Айринг информира за отделните елементарни стъпки на реакцията.
От друга страна, уравнението на Арениус може да се приложи само към кинетичната енергия в газовата фаза, докато уравнението на Айринг е полезно при изследването на реакции както в газовата фаза, така и в кондензираната и смесената фаза (фази, които нямат значение в газовата фаза).моделът на сблъсъка). По същия начин уравнението на Арениус се основава на емпиричното наблюдение, че скоростта на реакциите нараства с температурата. Вместо това уравнението на Айринг е теоретична конструкция, базирана на модела на преходното състояние.
Принципи на теорията за преходното състояние:
- Съществува термодинамично равновесие между преходното състояние и състоянието на реагентите в горната част на енергийната бариера.
- Скоростта на химическата реакция е пропорционална на концентрацията на частиците в преходно състояние с висока енергия.
Връзка между енергията на активиране и енергията на Гибс
Въпреки че скоростта на реакцията също е описана в уравнението на Айринг, с това уравнение вместо да използва енергията на активиране, е включена енергията на Гибс (ΔG ‡ ) на преходното състояние.
Тъй като кинетичната енергия на сблъскващите се молекули (т.е. тези с достатъчна енергия и правилна ориентация) се трансформира в потенциална енергия, енергийното състояние на активирания комплекс се характеризира с положителна моларна енергия на Гибс. Енергията на Гибс, първоначално наречена „налична енергия“, е открита през 1870 г. от Джозая Уилард Гибс. Тази енергия се нарича още стандартна свободна енергия на активиране .
Свободната енергия на Гибс на система във всеки момент се определя като енталпията на системата минус произведението на температурата, умножена по ентропията на системата:
G=H-TS.
H е енталпията, T е температурата и S е ентропията. Това уравнение, което определя свободната енергия на система, е в състояние да определи относителното значение на енталпията и ентропията като движещи сили на конкретна реакция. Балансът между приноса на енталпията и ентропията към свободната енергия на реакцията зависи от температурата, при която протича реакцията. Уравнението, използвано за определяне на свободната енергия, предполага, че членът на ентропията ще стане по-важен с повишаване на температурата : ΔG° = ΔH° – TΔS°.
Източници
- Брейнард, Дж. (2014). Активираща енергия. На https://www.ck12.org/
- Аренско право. (2020 г.). Енергии на активиране.
- Мичъл, Н. (2018). Анализ на енергията на активиране на Айринг при хидролиза на оцетен анхидрид в системи със съразтворител на ацетонитрил.
