Í efnafræði er lágmarksorka sem þarf til að virkja atóm eða sameindir í ástand þar sem hægt er að mynda efnafræðilega umbreytingu eða líkamlegan flutning kölluð virkjunarorka , Ea . Í umbreytingarástandskenningunni er virkjunarorka munurinn á orkuinnihaldi milli atóma eða sameinda í virkri eða umbreytingarástandsstillingu og atóma eða sameinda í upphaflegri stillingu. Næstum alltaf, ástand hvarfsins á sér stað við hærra orkustig en hvarfefnin (hvarfefnin). Þess vegna hefur virkjunarorkan alltaf jákvætt gildi. Þetta jákvæða gildi á sér stað óháð því hvort hvarfið dregur í sig orku ( endrgonic eðaendothermic ) eða framleiðir það ( exergonic eða exothermic ).
Virkjunarorka er stytting á Ea. Algengustu einingar Ea-eininga eru kílójúl á mól (kJ/mól) og kílókaloríur á mól (kcal/mól).
Arrhenius Ea jafnan
Svante Arrhenius var sænskur vísindamaður sem árið 1889 sýndi fram á tilvist virkjunarorku og þróaði jöfnuna sem ber nafn hans. Arrhenius jafnan lýsir fylgni hitastigs og hvarfhraða. Þetta samband er nauðsynlegt til að reikna út hraða efnahvarfa og umfram allt orkumagnið sem þarf til að þessi viðbrögð geti átt sér stað.
Í Arrheniusjöfnunni er K hvarfhraðastuðullinn (hvarfshraðinn), A er stuðullinn fyrir hversu oft sameindirnar rekast og e er fasti (um það bil jafn 2,718). Á hinn bóginn er Ea virkjunarorkan og R er alhliða gasfasti (orkueiningar á hitastigshækkun á mól). Að lokum táknar T algildan hita, mælt í Kelvin-gráðum.
Þannig er Arrhenius jafnan sýnd sem k= Ae^(-Ea/RT). Hins vegar, eins og margar jöfnur, er hægt að endurraða henni til að reikna mismunandi gildi. Hins vegar er ekki nauðsynlegt að vita gildi A til að reikna út virkjunarorkuna (Ea), þar sem það er hægt að ákvarða út frá breytingum á hvarfhraðastuðlunum sem fall af hitastigi.
Efnafræðileg þýðing Ea
Allar sameindir hafa lítið magn af orku, sem getur verið í formi hreyfiorku eða hugsanlegrar orku. Þegar sameindir rekast á getur hreyfiorka þeirra truflað og jafnvel eyðilagt tengslin, sem er það sem gerist þegar efnahvörf eiga sér stað.
Ef sameindirnar hreyfast hægt, það er að segja með lítilli hreyfiorku, þá rekast þær ekki á aðrar sameindir eða áhrifin mynda engin viðbrögð vegna þess að þær eru veikar. Sama gerist ef sameindirnar rekast á ranga eða óviðeigandi stefnu. Hins vegar, ef sameindirnar hreyfast nógu hratt og í réttri stefnu, mun árangursríkur árekstur eiga sér stað. Þannig verður hreyfiorkan við árekstur meiri en lágmarksorkan og eftir þann árekstur verður viðbragð. Jafnvel útverma viðbrögð þurfa lágmarks orku til að byrja. Þessi lágmarksorkuþörf, eins og við höfum útskýrt áður, er kölluð virkjunarorka.
Þekking á gögnum um virkjunarorku efna felur í sér möguleika á að hugsa vel um umhverfi okkar. Með öðrum orðum, ef við erum meðvituð um að, eftir eiginleikum sameindanna, getur komið fram efnahvörf, gætum við ekki framkvæmt aðgerðir sem gætu til dæmis valdið eldi. Til dæmis, með því að vita að bók gæti kviknað ef kerti er sett ofan á hana (sem loginn myndi veita virkjunarorkuna), munum við gæta þess að kertaloginn dreifist ekki á pappír bókarinnar.
Hvatar og virkjunarorka
Hvati eykur hvarfhraða á aðeins annan hátt en aðrar aðferðir sem notaðar eru í sama tilgangi. Hlutverk hvata er að lækka virkjunarorkuna , þannig að stærra hlutfall agna hefur næga orku til að hvarfast. Hvatar geta lækkað virkjunarorku á tvo vegu:
- Með því að stilla agnirnar sem bregðast þannig að meiri líkur séu á árekstrum eða með því að breyta hraða hreyfinga þeirra.
- Hvarfa við hvarfefnin til að mynda milliefni sem þarf minni orku til að mynda vöruna.
Sumir málmar, eins og platína, kopar og járn, geta virkað sem hvatar í ákveðnum viðbrögðum. Í okkar eigin líkama eru ensím sem eru líffræðilegir hvatar (lífhvatar) sem hjálpa til við að flýta fyrir lífefnafræðilegum viðbrögðum. Hvatar hvarfast almennt við eitt eða fleiri hvarfefnanna til að mynda milliefni, sem hvarfast síðan og verður lokaafurð. Slíkt milliefni er oft nefnt „virkjað flókið “ .
Dæmi um hvarf sem felur í sér hvata
Eftirfarandi er fræðilegt dæmi um hvernig hvarf sem felur í sér hvata gæti farið fram. A og B eru hvarfefni, C er hvatinn og D er afurð efnahvarfsins milli A og B.
Fyrsta skref (viðbrögð 1): A+C → AC
Annað skref (viðbrögð 2): B+AC → ACB
Þriðja skref (viðbrögð 3): ACB → C+D
ACB stendur fyrir Chemical Intermediate. Þó að hvati (C) sé neytt í hvarf 1, losnar hann síðar aftur í hvarfi 3, þannig að heildarhvarfið við hvata er: A+B+C → D+C
Af þessu leiðir að hvatinn losnar í lok hvarfsins, algjörlega óbreyttur. Án þess að taka tillit til hvatans væri heildarhvarfið skrifað: A+B → D
Í þessu dæmi hefur hvatinn gefið upp sett af viðbragðsþrepum sem við getum kallað “val viðbragðsleið.” Þessi leið sem hvatinn grípur inn í krefst minni virkjunarorku og er því hraðari og skilvirkari.
Arrhenius-jöfnunni og Eyring-jöfnunni
Hægt er að nota tvær jöfnur til að lýsa því hvernig hraði efnahvarfa eykst með hitastigi. Í fyrsta lagi lýsir Arrhenius-jöfnunni háð hvarfhraða hitastigi. Á hinn bóginn er Eyring-jöfnan, sem nefndur rannsakandi lagði til árið 1935; Jafna hans er byggð á breytingaástandskenningu og er notuð til að lýsa sambandinu milli hvarfhraða og hitastigs. Jafnan er:
k= ( kB T /h) exp(-ΔG ‡ /RT).
Hins vegar, á meðan Arrhenius-jöfnan útskýrir háð hitastigs og hvarfhraða fyrirbærafræðilega, upplýsir Eyring-jöfnan um einstök frumþrep hvarfsins.
Aftur á móti er aðeins hægt að nota Arrhenius jöfnuna á hreyfiorkuna í gasfasanum, en Eyring jöfnan er gagnleg í rannsóknum á viðbrögðum bæði í gasfasanum og í þéttum og blönduðum fasum (fasar sem hafa enga þýðingu í gasfasa). árekstrarlíkanið). Sömuleiðis byggir Arrhenius-jöfnan á þeirri reynslusögu að hraði viðbragða eykst með hitastigi. Þess í stað er Eyring-jöfnan fræðileg bygging byggð á umbreytingarástandslíkaninu.
Meginreglur umbreytingarástandskenningarinnar:
- Það er hitaaflfræðilegt jafnvægi á milli umbreytingarástands og ástands hvarfefnanna efst á orkuþröskuldinum.
- Efnahvarfshraði er í réttu hlutfalli við styrk agna í háorkubreytingarástandi.
Tengsl virkjunarorku og Gibbs orku
Þó að hraða hvarfsins sé einnig lýst í Eyring jöfnunni, með þessari jöfnu í stað þess að nota virkjunarorkuna, er Gibbs orkan (ΔG ‡ ) í umbreytingarástandinu tekin með.
Þar sem hreyfiorka sameindanna sem rekast á (þ.e. þeirra sem hafa næga orku og rétta stefnu) er umbreytt í hugsanlega orku, einkennist orkuástand virkjaða fléttunnar af jákvæðri Gibbs-gibbs-orku. Gibbs orka, upphaflega kölluð “tiltæk orka,” var uppgötvað árið 1870 af Josiah Willard Gibbs. Þessi orka er einnig kölluð stöðluð frjáls orka virkjunar .
Gibbs frjáls orka kerfis á hvaða augnabliki sem er er skilgreind sem enthalpía kerfisins að frádregnum margfeldi hitastigsins sinnum óreiðu kerfisins:
G=H-TS.
H er entalpa, T er hitastig og S er óreiðu. Þessi jafna sem skilgreinir frjálsa orku kerfis er fær um að ákvarða hlutfallslegt mikilvægi entalpíu og óreiðu sem drifkrafta ákveðins hvarfs. Nú fer jafnvægið á milli framlags entalpíu- og óreiðuhugtakanna til frjálsrar orku hvarfsins eftir hitastigi sem hvarfið á sér stað. Jafnan sem notuð er til að skilgreina frjálsa orku bendir til þess að óreiðuhugtakið verði mikilvægara þegar hitastig hækkar : ΔG° = ΔH° – TΔS°.
Heimildir
- Brainard, J. (2014). Virkjunarorka. Á https://www.ck12.org/
- Arrhenísk lög. (2020). Virkjunarorka.
- Mitchell, N. (2018). Eyring virkjunarorkugreining á ediksýruanhýdríði vatnsrof í asetónítríl leysiefnakerfum.
