Քիմիայում էներգիայի նվազագույն քանակությունը, որն անհրաժեշտ է ատոմների կամ մոլեկուլների ակտիվացման համար այն պայմանին, որում կարող է առաջանալ քիմիական փոխակերպում կամ ֆիզիկական փոխադրում , կոչվում է ակտիվացման էներգիա ՝ Ea : Անցումային վիճակի տեսության մեջ ակտիվացման էներգիան էներգիայի պարունակության տարբերությունն է ակտիվ կամ անցումային վիճակում գտնվող ատոմների կամ մոլեկուլների և սկզբնական կազմաձևման ատոմների կամ մոլեկուլների միջև: Գրեթե միշտ, ռեակցիայի վիճակը տեղի է ունենում ավելի բարձր էներգիայի մակարդակում, քան արձագանքող արտադրանքները (ռեակտիվները): Ուստի ակտիվացման էներգիան միշտ դրական արժեք ունի։ Այս դրական արժեքը տեղի է ունենում անկախ նրանից, թե ռեակցիան կլանում է էներգիա ( էներգոնիկ կամէնդոթերմիկ ) կամ արտադրում է այն ( էկզերգոնիկ կամ էկզոտերմիկ ):
Ակտիվացման էներգիան Ea-ի սղագրությունն է: Ea միավորների ամենատարածված միավորներն են կիլոջոուլները մեկ մոլի համար (կՋ/մոլ) և կիլոկալորիները մեկ մոլի համար (կկալ/մոլ):
Arrhenius Ea հավասարումը
Սվանտե Արրենիուսը շվեդ գիտնական էր, ով 1889 թվականին ցույց տվեց ակտիվացման էներգիայի գոյությունը՝ մշակելով իր անունը կրող հավասարումը։ Arrhenius-ի հավասարումը նկարագրում է ջերմաստիճանի և ռեակցիայի արագության հարաբերակցությունը: Այս հարաբերությունը էական նշանակություն ունի քիմիական ռեակցիաների արագությունը և, առաջին հերթին, այդ ռեակցիաների իրականացման համար անհրաժեշտ էներգիայի քանակությունը հաշվարկելու համար:
Արենիուսի հավասարման մեջ K- ն ռեակցիայի արագության գործակիցն է (ռեակցիայի արագությունը), A- ն մոլեկուլների բախման հաճախականության գործակիցն է, իսկ e- ն հաստատուն է (մոտավորապես հավասար է 2,718-ի): Մյուս կողմից, Ea- ն ակտիվացման էներգիան է, իսկ R- ը գազի համընդհանուր հաստատունն է (էներգիայի միավորները մեկ ջերմաստիճանի աճում են մեկ մոլի համար): Վերջապես, T- ն ներկայացնում է բացարձակ ջերմաստիճանը, որը չափվում է Քելվինի աստիճաններով:
Այսպիսով, Արրենիուսի հավասարումը ներկայացված է որպես k= Ae^(-Ea/RT): Այնուամենայնիվ, ինչպես շատ հավասարումներ, այն կարող է վերադասավորվել տարբեր արժեքներ հաշվարկելու համար: Այնուամենայնիվ, անհրաժեշտ չէ իմանալ A-ի արժեքը ակտիվացման էներգիան (Ea) հաշվարկելու համար, քանի որ դա կարող է որոշվել ռեակցիայի արագության գործակիցների տատանումներից՝ կախված ջերմաստիճանից:
Ea-ի քիմիական նշանակությունը
Բոլոր մոլեկուլներն ունեն փոքր քանակությամբ էներգիա, որը կարող է լինել կինետիկ էներգիայի կամ պոտենցիալ էներգիայի տեսքով։ Երբ մոլեկուլները բախվում են, նրանց կինետիկ էներգիան կարող է խաթարել և նույնիսկ ոչնչացնել կապերը, ինչը տեղի է ունենում, երբ տեղի են ունենում քիմիական ռեակցիաներ:
Եթե մոլեկուլները դանդաղ են շարժվում, այսինքն՝ քիչ կինետիկ էներգիայով, կա՛մ չեն բախվում այլ մոլեկուլների հետ, կա՛մ ազդեցությունները ոչ մի ռեակցիա չեն առաջացնում, քանի որ դրանք թույլ են: Նույնը տեղի է ունենում, եթե մոլեկուլները բախվում են սխալ կամ ոչ պատշաճ կողմնորոշմամբ։ Այնուամենայնիվ, եթե մոլեկուլները շարժվեն բավական արագ և ճիշտ կողմնորոշմամբ, հաջող բախում տեղի կունենա: Այսպիսով, բախվելիս կինետիկ էներգիան ավելի մեծ կլինի, քան նվազագույն էներգիան, և այդ բախումից հետո տեղի կունենա ռեակցիա։ Նույնիսկ էկզոտերմիկ ռեակցիաները սկսելու համար նվազագույն քանակությամբ էներգիա են պահանջում: Այդ նվազագույն էներգիայի պահանջը, ինչպես մենք բացատրել ենք նախկինում, կոչվում է ակտիվացման էներգիա:
Նյութերի ակտիվացման էներգիայի մասին տվյալների իմացությունը ենթադրում է մեր շրջակա միջավայրի մասին հոգալու հնարավորություն։ Այսինքն, եթե տեղյակ լինենք, որ կախված մոլեկուլների բնութագրերից՝ կարող է առաջանալ քիմիական ռեակցիա, մենք չէինք կարող այնպիսի գործողություններ իրականացնել, որոնք, օրինակ, կարող էին հրդեհ առաջացնել։ Օրինակ՝ իմանալով, որ գիրքը կարող է բռնկվել, եթե դրա վրա մոմ դրվի (որի բոցը կապահովի ակտիվացման էներգիա), մենք զգույշ կլինենք, որ մոմի բոցը չտարածվի գրքի թղթի վրա։
Կատալիզատորներ և ակտիվացման էներգիա
Կատալիզատորը մեծացնում է ռեակցիայի արագությունը մի փոքր այլ կերպ, քան նույն նպատակով օգտագործվող այլ մեթոդները: Կատալիզատորի գործառույթը ակտիվացման էներգիան իջեցնելն է , որպեսզի մասնիկների ավելի մեծ մասնաբաժինն ունենա բավարար էներգիա արձագանքելու համար: Կատալիզատորները կարող են նվազեցնել ակտիվացման էներգիան երկու եղանակով.
- Արձագանքող մասնիկները կողմնորոշվելով այնպես, որ բախումների հավանականությունը մեծ լինի, կամ փոխելով նրանց շարժումների արագությունը։
- Արձագանքելով ռեակտիվների հետ՝ ձևավորվում է միջանկյալ նյութ, որն ավելի քիչ էներգիա է պահանջում արտադրանքի ձևավորման համար:
Որոշ մետաղներ, ինչպիսիք են պլատինը, պղինձը և երկաթը, կարող են որոշակի ռեակցիաներում կատալիզատորներ գործել: Մեր սեփական մարմնում կան ֆերմենտներ, որոնք կենսաբանական կատալիզատորներ են (բիոկատալիզատորներ), որոնք օգնում են արագացնել կենսաքիմիական ռեակցիաները: Կատալիզատորները սովորաբար փոխազդում են մեկ կամ մի քանի ռեակտիվների հետ՝ ձևավորելով միջանկյալ նյութ, որն այնուհետև արձագանքում է՝ դառնալով վերջնական արդյունք: Նման միջանկյալ նյութը հաճախ կոչվում է «ակտիվացված բարդույթ » :
Կատալիզատոր ներգրավող ռեակցիայի օրինակ
Ստորև բերված է տեսական օրինակ, թե ինչպես կարող է ընթանալ կատալիզատորի հետ կապված ռեակցիան: A- ն և B- ն ռեակտիվներ են, C- ն կատալիզատորն է, իսկ D- ն A-ի և B-ի միջև ռեակցիայի արդյունքն է:
Առաջին քայլ (արձագանք 1). A+C → AC
Երկրորդ քայլ (արձագանք 2)՝ B+AC → ACB
Երրորդ քայլ (արձագանք 3). ACB → C+D
ACB- ն նշանակում է Chemical Intermediate: Չնայած կատալիզատորը (C) սպառվում է ռեակցիա 1-ում, այն ավելի ուշ կրկին արտազատվում է ռեակցիա 3-ում, հետևաբար կատալիզատորի հետ ընդհանուր ռեակցիան հետևյալն է. A+B+C → D+C.
Սրանից հետևում է, որ կատալիզատորն ազատվում է ռեակցիայի վերջում՝ ամբողջովին անփոփոխ։ Առանց կատալիզատորը հաշվի առնելու, ընդհանուր ռեակցիան կգրվի՝ A+B → D
Այս օրինակում կատալիզատորը տրամադրել է ռեակցիայի քայլերի մի շարք, որոնք մենք կարող ենք անվանել «այլընտրանքային ռեակցիայի ուղի»: Այս ուղին, որտեղ կատալիզատորը միջամտում է, պահանջում է ավելի քիչ ակտիվացման էներգիա և, հետևաբար, ավելի արագ և արդյունավետ է:
Արրենիուսի և Այրինգի հավասարումը
Երկու հավասարումներ կարող են օգտագործվել նկարագրելու համար, թե ինչպես է ռեակցիաների արագությունը մեծանում ջերմաստիճանի հետ: Նախ, Արենիուսի հավասարումը նկարագրում է ռեակցիայի արագության կախվածությունը ջերմաստիճանից: Մյուս կողմից, կա Այրինգի հավասարումը, որն առաջարկվել է նշված հետազոտողի կողմից 1935 թ. նրա հավասարումը հիմնված է անցումային վիճակի տեսության վրա և օգտագործվում է ռեակցիայի արագության և ջերմաստիճանի միջև կապը նկարագրելու համար: Հավասարումը հետևյալն է.
k= ( kB T /h) exp(-ΔG ‡ /RT):
Այնուամենայնիվ, մինչ Արենիուսի հավասարումը բացատրում է ջերմաստիճանի և ռեակցիայի արագության միջև կախվածությունը ֆենոմենոլոգիական առումով, Այրինգի հավասարումը տեղեկացնում է ռեակցիայի առանձին տարրական քայլերի մասին:
Մյուս կողմից, Արենիուսի հավասարումը կարող է կիրառվել միայն գազային փուլում գտնվող կինետիկ էներգիայի վրա, մինչդեռ Այրինգի հավասարումն օգտակար է ինչպես գազային փուլում, այնպես էլ խտացված և խառը փուլերում (փուլեր, որոնք ոչ մի նշանակություն չունեն) ռեակցիաների ուսումնասիրության համար։ գազային փուլում) բախման մոդելը): Նմանապես, Արենիուսի հավասարումը հիմնված է էմպիրիկ դիտարկման վրա, որ ռեակցիաների արագությունը մեծանում է ջերմաստիճանի հետ: Փոխարենը, Այրինգի հավասարումը տեսական կառուցում է, որը հիմնված է անցումային վիճակի մոդելի վրա:
Անցումային վիճակի տեսության սկզբունքները.
- Անցումային վիճակի և էներգետիկ արգելքի վերևում գտնվող ռեակտիվների վիճակի միջև կա ջերմադինամիկական հավասարակշռություն:
- Քիմիական ռեակցիայի արագությունը համաչափ է բարձր էներգիայի անցումային վիճակում գտնվող մասնիկների կոնցենտրացիային:
Ակտիվացման էներգիայի և Գիբսի էներգիայի միջև կապը
Չնայած ռեակցիայի արագությունը նկարագրված է նաև Այրինգի հավասարման մեջ, այս հավասարման մեջ ակտիվացման էներգիան օգտագործելու փոխարեն ներառված է անցումային վիճակի Գիբսի էներգիան (ΔG ‡ ):
Քանի որ բախվող մոլեկուլների կինետիկ էներգիան (այսինքն՝ բավարար էներգիա և ճիշտ կողմնորոշում ունեցող մոլեկուլներ) վերածվում է պոտենցիալ էներգիայի, ակտիվացված համալիրի էներգետիկ վիճակը բնութագրվում է դրական մոլային Գիբսի էներգիայով։ Գիբսի էներգիան, որն ի սկզբանե կոչվում էր «մատչելի էներգիա», հայտնաբերվել է 1870 թվականին Ջոսիա Ուիլարդ Գիբսի կողմից։ Այս էներգիան կոչվում է նաև ստանդարտ ազատ ակտիվացման էներգիա :
Համակարգի Գիբսի ազատ էներգիան ցանկացած պահի սահմանվում է որպես համակարգի էթալպիա՝ հանած ջերմաստիճանի արտադրյալը համակարգի էնտրոպիայի վրա.
G=H-TS.
H- ն էնթալպիան է, T- ը ջերմաստիճանն է, իսկ S- ը՝ էնտրոպիան: Այս հավասարումը, որը սահմանում է համակարգի ազատ էներգիան, կարող է որոշել էնթալպիայի և էնտրոպիայի հարաբերական նշանակությունը՝ որպես կոնկրետ ռեակցիայի շարժիչ ուժեր: Այժմ էնթալպիայի և էնտրոպիայի տերմինների միջև հավասարակշռությունը ռեակցիայի ազատ էներգիայի մեջ կախված է այն ջերմաստիճանից, որում տեղի է ունենում ռեակցիան: Ազատ էներգիան սահմանելու համար օգտագործված հավասարումը ցույց է տալիս, որ էնտրոպիայի տերմինը կդառնա ավելի կարևոր, երբ ջերմաստիճանը մեծանա . ΔG° = ΔH° – TΔS°:
Աղբյուրներ
- Brainard, J. (2014): Ակտիվացման էներգիա. https://www.ck12.org/ կայքում
- Արենյան օրենք. (2020): Ակտիվացման էներգիաներ.
- Միտչել, Ն. (2018). Այրինգի ակտիվացման էներգիայի վերլուծություն քացախային անհիդրիդային հիդրոլիզի ացետոնիտրիլային լուծիչ համակարգերում:
