Dalam kimia, jumlah energi minimum yang diperlukan untuk mengaktifkan atom atau molekul ke kondisi di mana transformasi kimia atau transpor fisik dapat dihasilkan disebut energi aktivasi , Ea . Dalam teori keadaan transisi, energi aktivasi adalah perbedaan kandungan energi antara atom atau molekul dalam konfigurasi keadaan aktif atau transisi dan atom atau molekul dalam konfigurasi awal. Hampir selalu, keadaan reaksi terjadi pada tingkat energi yang lebih tinggi daripada produk yang bereaksi (reaktan). Oleh karena itu, energi aktivasi selalu bernilai positif. Nilai positif ini terjadi terlepas dari apakah reaksi tersebut menyerap energi ( endergonik atauendotermik ) atau menghasilkannya ( eksergonik atau eksotermik ).
Energi aktivasi adalah singkatan dari Ea. Satuan Ea yang paling umum adalah kilojoule per mol (kJ/mol) dan kilokalori per mol (kkal/mol).
Persamaan Arrhenius Ea
Svante Arrhenius adalah seorang ilmuwan Swedia yang pada tahun 1889 mendemonstrasikan adanya energi aktivasi, mengembangkan persamaan yang menyandang namanya. Persamaan Arrhenius menggambarkan korelasi antara suhu dan laju reaksi. Hubungan ini sangat penting untuk menghitung kecepatan reaksi kimia dan, yang terpenting, jumlah energi yang dibutuhkan untuk berlangsungnya reaksi ini.
Dalam persamaan Arrhenius, K adalah koefisien laju reaksi (laju reaksi), A adalah faktor seberapa sering molekul bertabrakan, dan e adalah konstanta (kurang lebih sama dengan 2,718). Di sisi lain, Ea adalah energi aktivasi dan R adalah konstanta gas universal (satuan energi per kenaikan suhu per mol). Akhirnya, T mewakili suhu absolut, diukur dalam derajat Kelvin.
Jadi, persamaan Arrhenius direpresentasikan sebagai k= Ae^(-Ea/RT). Namun, seperti banyak persamaan, dapat disusun ulang untuk menghitung nilai yang berbeda. Namun, tidak perlu mengetahui nilai A untuk menghitung energi aktivasi (Ea), karena dapat ditentukan dari variasi koefisien laju reaksi sebagai fungsi temperatur.
Signifikansi Kimia Ea
Semua molekul memiliki sejumlah kecil energi, yang dapat berupa energi kinetik atau energi potensial. Saat molekul bertabrakan, energi kinetiknya dapat mengganggu bahkan menghancurkan ikatan, yang terjadi saat reaksi kimia berlangsung.
Jika molekul bergerak perlahan, yaitu dengan sedikit energi kinetik, mereka tidak bertabrakan dengan molekul lain atau tumbukan tidak menghasilkan reaksi apa pun karena lemah. Hal yang sama terjadi jika molekul bertabrakan dengan orientasi yang salah atau tidak tepat. Namun, jika molekul bergerak cukup cepat dan dalam orientasi yang benar, tumbukan yang sukses akan terjadi. Dengan demikian, energi kinetik pada saat tumbukan akan lebih besar dari energi minimumnya, dan setelah tumbukan tersebut akan terjadi reaksi. Bahkan reaksi eksoterm membutuhkan sedikit energi untuk memulai. Kebutuhan energi minimum tersebut, seperti yang telah kami jelaskan sebelumnya, disebut energi aktivasi.
Pengetahuan tentang data tentang energi aktivasi zat menyiratkan kemungkinan menjaga lingkungan kita. Dengan kata lain, jika kita menyadari bahwa, bergantung pada karakteristik molekul, reaksi kimia dapat dihasilkan, kita tidak dapat melakukan tindakan yang, misalnya, dapat menyebabkan kebakaran. Misalnya, mengetahui bahwa sebuah buku dapat terbakar jika lilin diletakkan di atasnya (yang apinya akan memberikan energi aktivasi), kita akan berhati-hati agar api lilin tidak menyebar ke kertas buku tersebut.
Katalis dan Energi Aktivasi
Katalis meningkatkan laju reaksi dengan cara yang sedikit berbeda dari metode lain yang digunakan untuk tujuan yang sama. Fungsi katalis adalah untuk menurunkan energi aktivasi , sehingga sebagian besar partikel memiliki energi yang cukup untuk bereaksi. Katalis dapat menurunkan energi aktivasi dengan dua cara:
- Dengan mengarahkan partikel yang bereaksi sehingga tumbukan lebih mungkin terjadi, atau dengan mengubah kecepatan gerakannya.
- Bereaksi dengan reaktan untuk membentuk zat perantara yang membutuhkan lebih sedikit energi untuk membentuk produk.
Beberapa logam, seperti platina, tembaga, dan besi, dapat berperan sebagai katalis dalam reaksi tertentu. Di dalam tubuh kita sendiri terdapat enzim yang merupakan katalisator biologis (biocatalysts) yang membantu mempercepat reaksi biokimia. Katalis umumnya bereaksi dengan satu atau lebih reaktan untuk membentuk zat antara, yang kemudian bereaksi menjadi produk akhir. Zat perantara semacam itu sering disebut sebagai “kompleks aktif ” .
Contoh reaksi yang melibatkan katalis
Berikut ini adalah contoh teoretis tentang bagaimana reaksi yang melibatkan katalis dapat berlangsung. A dan B adalah reaktan, C adalah katalis, dan D adalah produk dari reaksi antara A dan B.
Langkah pertama (reaksi 1): A+C → AC
Langkah kedua (reaksi 2): B+AC → ACB
Langkah ketiga (reaksi 3): ACB → C+D
ACB singkatan Kimia Intermediate. Meskipun katalis (C) dikonsumsi dalam reaksi 1, kemudian dilepaskan lagi dalam reaksi 3, sehingga keseluruhan reaksi dengan katalis adalah: A+B+C → D+C
Dari sini dapat disimpulkan bahwa katalis dilepaskan pada akhir reaksi, sama sekali tidak berubah. Tanpa memperhitungkan katalis, reaksi keseluruhan akan ditulis: A+B → D
Dalam contoh ini, katalis telah menyediakan serangkaian langkah reaksi yang dapat kita sebut “jalur reaksi alternatif”. Jalur ini di mana katalis mengintervensi membutuhkan lebih sedikit energi aktivasi dan karena itu lebih cepat dan lebih efisien.
persamaan Arrhenius dan persamaan Eyring
Dua persamaan dapat digunakan untuk menggambarkan bagaimana laju reaksi meningkat dengan suhu. Pertama, persamaan Arrhenius menggambarkan ketergantungan laju reaksi pada suhu. Di sisi lain, ada persamaan Eyring, yang diajukan oleh peneliti tersebut pada tahun 1935; persamaannya didasarkan pada teori keadaan transisi dan digunakan untuk menggambarkan hubungan antara laju reaksi dan suhu. Persamaannya adalah:
k= ( kB T /h) exp(-ΔG ‡ /RT).
Namun, sementara persamaan Arrhenius menjelaskan ketergantungan antara suhu dan laju reaksi secara fenomenologis, persamaan Eyring menginformasikan tentang langkah dasar individu dari suatu reaksi.
Di sisi lain, persamaan Arrhenius hanya dapat diterapkan pada energi kinetik dalam fase gas, sedangkan persamaan Eyring berguna dalam mempelajari reaksi baik dalam fase gas maupun dalam fase terkondensasi dan campuran (fase yang tidak memiliki relevansi). dalam fase gas), model tumbukan). Demikian pula, persamaan Arrhenius didasarkan pada pengamatan empiris bahwa laju reaksi meningkat dengan suhu. Sebaliknya persamaan Eyring adalah konstruksi teoretis berdasarkan model keadaan transisi.
Prinsip teori keadaan transisi:
- Ada kesetimbangan termodinamika antara keadaan transisi dan keadaan reaktan di bagian atas penghalang energi.
- Laju reaksi kimia sebanding dengan konsentrasi partikel dalam keadaan transisi energi tinggi.
Hubungan antara energi aktivasi dan energi Gibbs
Meskipun laju reaksi juga dijelaskan dalam persamaan Eyring, dengan persamaan ini alih-alih menggunakan energi aktivasi, energi Gibbs (ΔG ‡ ) dari keadaan transisi disertakan.
Karena energi kinetik dari molekul-molekul yang bertumbukan (yaitu molekul dengan energi yang cukup dan orientasi yang tepat) diubah menjadi energi potensial, keadaan energik dari kompleks teraktivasi dicirikan oleh energi Gibbs molar positif. Energi Gibbs, awalnya disebut “energi yang tersedia”, ditemukan pada tahun 1870 oleh Josiah Willard Gibbs. Energi ini juga disebut energi aktivasi bebas standar .
Energi bebas Gibbs suatu sistem pada setiap saat didefinisikan sebagai entalpi sistem dikurangi hasil kali suhu dengan entropi sistem:
G=H-TS.
H adalah entalpi, T adalah suhu, dan S adalah entropi. Persamaan yang mendefinisikan energi bebas suatu sistem ini mampu menentukan kepentingan relatif entalpi dan entropi sebagai kekuatan pendorong reaksi tertentu. Sekarang, keseimbangan antara kontribusi suku entalpi dan entropi terhadap energi bebas suatu reaksi bergantung pada suhu di mana reaksi berlangsung. Persamaan yang digunakan untuk mendefinisikan energi bebas menunjukkan bahwa istilah entropi akan menjadi lebih penting dengan kenaikan suhu : ΔG° = ΔH° – TΔS°.
Sumber
- Brainard, J. (2014). Energi aktivasi. Di https://www.ck12.org/
- hukum Arrhenian. (2020). Energi aktivasi.
- Mitchell, N. (2018). Analisis Energi Aktivasi Eyring Hidrolisis Asetat Anhidrida dalam Sistem Kosolven Asetonitril.
