रसायन विज्ञान में, परमाणुओं या अणुओं को एक ऐसी स्थिति में सक्रिय करने के लिए आवश्यक ऊर्जा की न्यूनतम मात्रा जिसमें रासायनिक परिवर्तन या भौतिक परिवहन उत्पन्न किया जा सकता है, सक्रियण ऊर्जा , ईए कहा जाता है। संक्रमण राज्य सिद्धांत में, सक्रियण ऊर्जा एक सक्रिय या संक्रमण राज्य विन्यास में परमाणुओं या अणुओं के बीच ऊर्जा सामग्री और प्रारंभिक विन्यास में परमाणुओं या अणुओं में अंतर है। लगभग हमेशा, प्रतिक्रिया की स्थिति प्रतिक्रियाशील उत्पादों (रिएक्टेंट) की तुलना में उच्च ऊर्जा स्तर पर होती है। इसलिए, सक्रियण ऊर्जा का हमेशा एक सकारात्मक मूल्य होता है। यह सकारात्मक मान इस बात पर ध्यान दिए बिना होता है कि प्रतिक्रिया ऊर्जा को अवशोषित करती है या नहींएंडोथर्मिक ) या इसे उत्पन्न करता है ( एक्सर्जोनिक या एक्सोथर्मिक )।
Ea के लिए सक्रियण ऊर्जा आशुलिपि है । Ea इकाइयों की सबसे आम इकाइयाँ किलोजूल प्रति मोल (kJ/mol) और किलोकैलोरी प्रति मोल (kcal/mol) हैं।
अरहेनियस ईए समीकरण
Svante Arrhenius एक स्वीडिश वैज्ञानिक थे जिन्होंने 1889 में सक्रियण ऊर्जा के अस्तित्व का प्रदर्शन किया, जिससे उनके नाम के समीकरण का विकास हुआ। अरहेनियस समीकरण तापमान और प्रतिक्रिया दर के बीच संबंध का वर्णन करता है। रासायनिक प्रतिक्रियाओं की गति की गणना करने के लिए यह संबंध आवश्यक है और सबसे बढ़कर, इन प्रतिक्रियाओं के होने के लिए आवश्यक ऊर्जा की मात्रा।
अरहेनियस समीकरण में, K प्रतिक्रिया दर गुणांक (प्रतिक्रिया दर) है, A यह कारक है कि अणु कितनी बार टकराते हैं, और e एक स्थिर (लगभग 2.718 के बराबर) है। दूसरी ओर, ईए सक्रियण ऊर्जा है और आर सार्वभौमिक गैस स्थिरांक है (ऊर्जा इकाइयां प्रति तापमान वृद्धि प्रति मोल)। अंत में, टी पूर्ण तापमान का प्रतिनिधित्व करता है, जिसे डिग्री केल्विन में मापा जाता है।
इस प्रकार, अरहेनियस समीकरण को k= Ae^(-Ea/RT) के रूप में दर्शाया गया है। हालाँकि, कई समीकरणों की तरह, इसे विभिन्न मूल्यों की गणना करने के लिए पुनर्व्यवस्थित किया जा सकता है। हालांकि, सक्रियण ऊर्जा (Ea) की गणना करने के लिए A का मान जानना आवश्यक नहीं है, क्योंकि यह तापमान के एक समारोह के रूप में प्रतिक्रिया दर गुणांक की भिन्नता से निर्धारित किया जा सकता है।
ईए का रासायनिक महत्व
सभी अणुओं में थोड़ी मात्रा में ऊर्जा होती है, जो गतिज ऊर्जा या स्थितिज ऊर्जा के रूप में हो सकती है। जब अणु टकराते हैं, तो उनकी गतिज ऊर्जा बंधनों को बाधित और यहां तक कि नष्ट कर सकती है, जो तब होता है जब रासायनिक प्रतिक्रियाएं होती हैं।
यदि अणु धीरे-धीरे चलते हैं, यानी थोड़ी गतिज ऊर्जा के साथ, या तो वे अन्य अणुओं से नहीं टकराते हैं या प्रभाव कोई प्रतिक्रिया उत्पन्न नहीं करते हैं क्योंकि वे कमजोर होते हैं। ऐसा ही तब होता है जब अणु गलत या अनुचित अभिविन्यास से टकराते हैं। हालांकि, अगर अणु काफी तेजी से और सही दिशा में आगे बढ़ रहे हैं, तो एक सफल टक्कर होगी। इस प्रकार, टकराने पर गतिज ऊर्जा न्यूनतम ऊर्जा से अधिक होगी, और उस टक्कर के बाद एक प्रतिक्रिया होगी। यहां तक कि एक्ज़ोथिर्मिक प्रतिक्रियाओं को आरंभ करने के लिए न्यूनतम मात्रा में ऊर्जा की आवश्यकता होती है। वह न्यूनतम ऊर्जा आवश्यकता, जैसा कि हम पहले बता चुके हैं, सक्रियण ऊर्जा कहलाती है।
पदार्थों की सक्रियण ऊर्जा के बारे में डेटा का ज्ञान हमारे पर्यावरण की देखभाल करने की संभावना को दर्शाता है। दूसरे शब्दों में, यदि हम जानते हैं कि, अणुओं की विशेषताओं के आधार पर, एक रासायनिक प्रतिक्रिया उत्पन्न की जा सकती है, तो हम उन क्रियाओं को नहीं कर सकते हैं, उदाहरण के लिए, आग लग सकती है। उदाहरण के लिए, यह जानते हुए कि यदि किसी पुस्तक के ऊपर एक मोमबत्ती रख दी जाए (जिसकी लौ सक्रियण ऊर्जा प्रदान करेगी), तो हमें इस बात का ध्यान रखना होगा कि मोमबत्ती की लौ पुस्तक के कागज तक न फैले।
उत्प्रेरक और सक्रियण ऊर्जा
एक उत्प्रेरक प्रतिक्रिया की दर को उसी उद्देश्य के लिए उपयोग की जाने वाली अन्य विधियों की तुलना में थोड़ा अलग तरीके से बढ़ाता है। उत्प्रेरक का कार्य सक्रियण ऊर्जा को कम करना है , ताकि कणों के एक बड़े अनुपात में प्रतिक्रिया करने के लिए पर्याप्त ऊर्जा हो। उत्प्रेरक सक्रियण ऊर्जा को दो तरह से कम कर सकते हैं:
- प्रतिक्रिया करने वाले कणों को उन्मुख करके ताकि टकराव होने की अधिक संभावना हो, या उनके आंदोलनों की गति को बदलकर।
- एक मध्यवर्ती पदार्थ बनाने के लिए अभिकारकों के साथ प्रतिक्रिया करके उत्पाद बनाने के लिए कम ऊर्जा की आवश्यकता होती है।
कुछ धातुएँ, जैसे प्लेटिनम, तांबा और लोहा, कुछ प्रतिक्रियाओं में उत्प्रेरक के रूप में कार्य कर सकते हैं। हमारे अपने शरीर में एंजाइम होते हैं जो जैविक उत्प्रेरक (जैव उत्प्रेरक) होते हैं जो जैव रासायनिक प्रतिक्रियाओं को गति देने में मदद करते हैं। उत्प्रेरक आम तौर पर एक या अधिक अभिकारकों के साथ एक मध्यवर्ती बनाने के लिए प्रतिक्रिया करते हैं, जो तब अंतिम उत्पाद बनने के लिए प्रतिक्रिया करता है। इस तरह के एक मध्यवर्ती पदार्थ को अक्सर “सक्रिय परिसर” कहा जाता है ।
एक उत्प्रेरक को शामिल करने वाली प्रतिक्रिया का उदाहरण
निम्नलिखित एक सैद्धांतिक उदाहरण है कि एक उत्प्रेरक से जुड़ी प्रतिक्रिया कैसे आगे बढ़ सकती है। ए और बी अभिकारक हैं, सी उत्प्रेरक है, और डी ए और बी के बीच प्रतिक्रिया का उत्पाद है।
पहला चरण (प्रतिक्रिया 1): A+C → AC
दूसरा चरण (प्रतिक्रिया 2): B+AC → ACB
तीसरा चरण (प्रतिक्रिया 3): ACB → C+D
ACB का मतलब केमिकल इंटरमीडिएट है। हालांकि उत्प्रेरक (सी) प्रतिक्रिया 1 में खपत होती है, बाद में इसे प्रतिक्रिया 3 में फिर से जारी किया जाता है, इसलिए उत्प्रेरक के साथ समग्र प्रतिक्रिया होती है: ए + बी + सी → डी + सी
इससे यह पता चलता है कि प्रतिक्रिया के अंत में उत्प्रेरक पूरी तरह अपरिवर्तित जारी किया जाता है। उत्प्रेरक को ध्यान में रखे बिना, समग्र प्रतिक्रिया लिखी जाएगी: A+B → D
इस उदाहरण में, उत्प्रेरक ने प्रतिक्रिया चरणों का एक सेट प्रदान किया है जिसे हम “वैकल्पिक प्रतिक्रिया मार्ग” कह सकते हैं। यह मार्ग जिसमें उत्प्रेरक हस्तक्षेप करता है, कम सक्रियण ऊर्जा की आवश्यकता होती है और इसलिए तेज़ और अधिक कुशल है।
अरहेनियस समीकरण और आयरिंग समीकरण
तापमान के साथ प्रतिक्रियाओं की दर कैसे बढ़ती है, इसका वर्णन करने के लिए दो समीकरणों का उपयोग किया जा सकता है। सबसे पहले, अरहेनियस समीकरण तापमान पर प्रतिक्रिया दरों की निर्भरता का वर्णन करता है। दूसरी ओर, 1935 में उक्त शोधकर्ता द्वारा प्रस्तावित आइरिंग समीकरण है; उनका समीकरण संक्रमण अवस्था सिद्धांत पर आधारित है और प्रतिक्रिया दर और तापमान के बीच संबंध का वर्णन करने के लिए प्रयोग किया जाता है। समीकरण है:
k= ( kB T /h) ऍक्स्प (-ΔG ‡ /RT).
हालाँकि, जबकि अरहेनियस समीकरण तापमान और प्रतिक्रिया दर के बीच घटनात्मक रूप से निर्भरता की व्याख्या करता है, आइरिंग समीकरण प्रतिक्रिया के व्यक्तिगत प्राथमिक चरणों के बारे में सूचित करता है।
दूसरी ओर, अरहेनियस समीकरण केवल गैस चरण में गतिज ऊर्जा पर लागू किया जा सकता है, जबकि आयरिंग समीकरण गैस चरण और संघनित और मिश्रित चरणों दोनों में प्रतिक्रियाओं के अध्ययन में उपयोगी है (ऐसे चरण जिनकी कोई प्रासंगिकता नहीं है) गैस चरण में)। टक्कर मॉडल)। इसी तरह, अरहेनियस समीकरण अनुभवजन्य अवलोकन पर आधारित है कि तापमान के साथ प्रतिक्रियाओं की दर बढ़ जाती है। इसके बजाय आइरिंग समीकरण एक सैद्धांतिक निर्माण है जो संक्रमण अवस्था मॉडल पर आधारित है।
संक्रमण राज्य सिद्धांत के सिद्धांत:
- ऊर्जा अवरोधक के शीर्ष पर संक्रमण अवस्था और अभिकारकों की स्थिति के बीच एक थर्मोडायनामिक संतुलन है।
- रासायनिक प्रतिक्रिया की दर उच्च ऊर्जा संक्रमण अवस्था में कणों की सांद्रता के समानुपाती होती है।
सक्रियण ऊर्जा और गिब्स ऊर्जा के बीच संबंध
हालांकि अभिक्रिया की दर को आइरिंग समीकरण में भी वर्णित किया गया है, इस समीकरण में सक्रियण ऊर्जा का उपयोग करने के बजाय, संक्रमण अवस्था की गिब्स ऊर्जा (ΔG ‡ ) शामिल है।
चूंकि टकराने वाले अणुओं की गतिज ऊर्जा (यानी पर्याप्त ऊर्जा और उचित अभिविन्यास वाले) संभावित ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है, सक्रिय परिसर की ऊर्जावान स्थिति एक सकारात्मक दाढ़ गिब्स ऊर्जा की विशेषता है। गिब्स एनर्जी, जिसे मूल रूप से “उपलब्ध ऊर्जा” कहा जाता है, की खोज 1870 में जोशिया विलार्ड गिब्स ने की थी। इस ऊर्जा को सक्रियण की मानक मुक्त ऊर्जा भी कहा जाता है ।
किसी भी क्षण एक सिस्टम की गिब्स मुक्त ऊर्जा को सिस्टम की एन्थैल्पी के रूप में परिभाषित किया जाता है, जो सिस्टम के एन्ट्रापी के तापमान के गुणनफल को घटाता है:
जी = एच-टीएस।
एच तापीय धारिता है, टी तापमान है, और एस एन्ट्रॉपी है। यह समीकरण जो एक प्रणाली की मुक्त ऊर्जा को परिभाषित करता है, एक विशिष्ट प्रतिक्रिया के प्रेरक बलों के रूप में एन्थैल्पी और एंट्रॉपी के सापेक्ष महत्व को निर्धारित करने में सक्षम है। अब, प्रतिक्रिया की मुक्त ऊर्जा के लिए एन्थैल्पी और एंट्रॉपी शर्तों के योगदान के बीच संतुलन उस तापमान पर निर्भर करता है जिस पर प्रतिक्रिया होती है। मुक्त ऊर्जा को परिभाषित करने के लिए उपयोग किए जाने वाले समीकरण से पता चलता है कि तापमान बढ़ने पर एंट्रॉपी शब्द अधिक महत्वपूर्ण हो जाएगा : ΔG° = ΔH° – TΔS°।
सूत्रों का कहना है
- ब्रेनार्ड, जे। (2014)। सक्रियण ऊर्जा। https://www.ck12.org/ पर
- अरहेनियन कानून। (2020)। सक्रियण ऊर्जा।
- मिशेल, एन। (2018)। एसिटोनिट्राइल कोसोल्वेंट सिस्टम में एसिटिक एनहाइड्राइड हाइड्रोलिसिस का आयरिंग एक्टिवेशन एनर्जी एनालिसिस।
