ქიმიაში, ენერგიის მინიმალურ რაოდენობას, რომელიც საჭიროა ატომების ან მოლეკულების გასააქტიურებლად იმ მდგომარეობამდე, რომელშიც შეიძლება წარმოიქმნას ქიმიური ტრანსფორმაცია ან ფიზიკური ტრანსპორტი , ეწოდება აქტივაციის ენერგიას , Ea . გარდამავალი მდგომარეობის თეორიაში, აქტივაციის ენერგია არის ენერგიის შემცველობის განსხვავება ატომებსა და მოლეკულებს შორის აქტიური ან გარდამავალი მდგომარეობის კონფიგურაციაში და ატომებს ან მოლეკულებს შორის საწყის კონფიგურაციაში. თითქმის ყოველთვის, რეაქციის მდგომარეობა ხდება უფრო მაღალ ენერგეტიკულ დონეზე, ვიდრე რეაგირების პროდუქტები (რეაგენტები). ამიტომ, აქტივაციის ენერგიას ყოველთვის აქვს დადებითი მნიშვნელობა. ეს დადებითი მნიშვნელობა ჩნდება იმისდა მიუხედავად, შთანთქავს თუ არა რეაქცია ენერგიას ( ენდერგონური ანენდოთერმული ) ან აწარმოებს მას ( ეგრგგონული ან ეგზოთერმული ).
აქტივაციის ენერგია არის Ea-ს სტენოგრამა . Ea ერთეულების ყველაზე გავრცელებული ერთეულებია კილოჯოულები მოლზე (კჯ/მოლი) და კილოკალორიები მოლზე (კკალ/მოლი).
არენიუსის ეას განტოლება
სვანტე არენიუსი იყო შვედი მეცნიერი, რომელმაც 1889 წელს აჩვენა აქტივაციის ენერგიის არსებობა და შეიმუშავა განტოლება, რომელიც მის სახელს ატარებს. არენიუსის განტოლება აღწერს კორელაციას ტემპერატურასა და რეაქციის სიჩქარეს შორის. ეს ურთიერთობა აუცილებელია ქიმიური რეაქციების სიჩქარის გამოსათვლელად და, უპირველეს ყოვლისა, ამ რეაქციების განსახორციელებლად საჭირო ენერგიის რაოდენობის გამოსათვლელად.
არენიუსის განტოლებაში K არის რეაქციის სიჩქარის კოეფიციენტი (რეაქციის სიჩქარე), A არის ფაქტორი იმისა, თუ რამდენად ხშირად ეჯახებიან მოლეკულებს, და e არის მუდმივი (დაახლოებით 2,718-ის ტოლი). მეორეს მხრივ, Ea არის აქტივაციის ენერგია და R არის უნივერსალური გაზის მუდმივი (ენერგეტიკული ერთეული ტემპერატურის ზრდაზე თითო მოლზე). და ბოლოს, T წარმოადგენს აბსოლუტურ ტემპერატურას, რომელიც იზომება კელვინის გრადუსებში.
ამრიგად, არენიუსის განტოლება წარმოდგენილია როგორც k= Ae^(-Ea/RT). თუმცა, ისევე როგორც მრავალი განტოლება, მისი გადაწყობა შესაძლებელია სხვადასხვა მნიშვნელობების გამოსათვლელად. თუმცა, არ არის აუცილებელი იცოდეთ A-ს მნიშვნელობა აქტივაციის ენერგიის (Ea) გამოსათვლელად, რადგან ეს შეიძლება განისაზღვროს რეაქციის სიჩქარის კოეფიციენტების ცვალებადობიდან, როგორც ტემპერატურის ფუნქცია.
ეას ქიმიური მნიშვნელობა
ყველა მოლეკულას აქვს მცირე რაოდენობით ენერგია, რომელიც შეიძლება იყოს კინეტიკური ენერგიის ან პოტენციური ენერგიის სახით. მოლეკულების შეჯახებისას მათმა კინეტიკური ენერგიამ შეიძლება დაარღვიოს და გაანადგუროს ბმები, რაც ხდება ქიმიური რეაქციების დროს.
თუ მოლეკულები ნელა მოძრაობენ, ანუ მცირე კინეტიკური ენერგიით, ან არ ეჯახებიან სხვა მოლეკულებს, ან ზემოქმედება არ წარმოქმნის რეაქციას, რადგან ისინი სუსტია. იგივე ხდება, თუ მოლეკულები ეჯახება არასწორი ან არასწორი ორიენტაციას. თუმცა, თუ მოლეკულები საკმარისად სწრაფად და სწორ ორიენტაციაში მოძრაობენ, წარმატებული შეჯახება მოხდება. ამრიგად, შეჯახებისას კინეტიკური ენერგია მინიმალურ ენერგიაზე მეტი იქნება და ამ შეჯახების შემდეგ მოხდება რეაქცია. ეგზოთერმული რეაქციებიც კი მინიმალურ ენერგიას მოითხოვს დასაწყებად. ენერგიის მინიმალურ მოთხოვნილებას, როგორც უკვე ავხსენით, აქტივაციის ენერგია ეწოდება.
ნივთიერებების აქტივაციის ენერგიის შესახებ მონაცემების ცოდნა გულისხმობს ჩვენს გარემოზე ზრუნვის შესაძლებლობას. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, თუ ჩვენ ვიცით, რომ მოლეკულების მახასიათებლებიდან გამომდინარე, შეიძლება წარმოიქმნას ქიმიური რეაქცია, ჩვენ ვერ განვახორციელებთ მოქმედებებს, რომლებიც, მაგალითად, შეიძლება გამოიწვიოს ხანძარი. მაგალითად, თუ ვიცით, რომ წიგნს შეიძლება ცეცხლი გაუჩნდეს, თუ მას ზემოდან სანთელი მოათავსებენ (რომლის ალი უზრუნველყოფს გააქტიურების ენერგიას), ფრთხილად ვიქნებით, რომ სანთლის ალი არ გავრცელდეს წიგნის ქაღალდზე.
კატალიზატორები და აქტივაციის ენერგია
კატალიზატორი ზრდის რეაქციის სიჩქარეს ოდნავ განსხვავებულად, ვიდრე იმავე მიზნით გამოყენებული სხვა მეთოდები. კატალიზატორის ფუნქციაა აქტივაციის ენერგიის შემცირება ისე, რომ ნაწილაკების დიდ ნაწილს ჰქონდეს საკმარისი ენერგია რეაგირებისთვის. კატალიზატორებს შეუძლიათ შეამცირონ აქტივაციის ენერგია ორი გზით:
- რეაქტიული ნაწილაკების ორიენტირებით ისე, რომ შეჯახების ალბათობა მოხდეს, ან მათი მოძრაობის სიჩქარის შეცვლით.
- რეაგენტებთან ურთიერთქმედება შუალედური ნივთიერების წარმოქმნით, რომელიც ნაკლებ ენერგიას მოითხოვს პროდუქტის შესაქმნელად.
ზოგიერთ ლითონს, როგორიცაა პლატინი, სპილენძი და რკინა, შეუძლია იმოქმედოს როგორც კატალიზატორი გარკვეულ რეაქციებში. ჩვენს სხეულში არის ფერმენტები, რომლებიც წარმოადგენენ ბიოლოგიურ კატალიზატორებს (ბიოკატალიზატორები), რომლებიც ხელს უწყობენ ბიოქიმიური რეაქციების დაჩქარებას. ჩვეულებრივ, კატალიზატორები რეაგირებენ ერთ ან მეტ რეაგენტთან, რათა წარმოქმნან შუალედური, რომელიც შემდეგ რეაგირებს საბოლოო პროდუქტად. ასეთ შუალედურ ნივთიერებას ხშირად უწოდებენ “გააქტიურებულ კომპლექსს ” .
რეაქციის მაგალითი კატალიზატორის მონაწილეობით
ქვემოთ მოცემულია თეორიული მაგალითი იმისა, თუ როგორ შეიძლება მიმდინარეობდეს რეაქცია კატალიზატორთან ერთად. A და B არის რეაქტორები, C არის კატალიზატორი და D არის A და B შორის რეაქციის პროდუქტი.
პირველი ნაბიჯი (რეაქცია 1): A+C → AC
მეორე ნაბიჯი (რეაქცია 2): B+AC → ACB
მესამე ნაბიჯი (რეაქცია 3): ACB → C+D
ACB ნიშნავს ქიმიურ შუალედს. მიუხედავად იმისა, რომ კატალიზატორი (C) მოიხმარება რეაქციაში 1, ის მოგვიანებით კვლავ გამოიყოფა მე-3 რეაქციაში, ასე რომ, საერთო რეაქცია კატალიზატორთან არის: A+B+C → D+C
აქედან გამომდინარეობს, რომ კატალიზატორი გამოიყოფა რეაქციის ბოლოს, სრულიად უცვლელი. კატალიზატორის გათვალისწინების გარეშე, საერთო რეაქცია დაიწერება: A+B → D
ამ მაგალითში კატალიზატორმა წარმოადგინა რეაქციის საფეხურების ნაკრები, რომელსაც შეგვიძლია ვუწოდოთ “რეაქციის ალტერნატიული გზა”. ეს გზა, რომელშიც კატალიზატორი ერევა, მოითხოვს ნაკლებ აქტივაციის ენერგიას და, შესაბამისად, უფრო სწრაფი და ეფექტურია.
არენიუსის განტოლება და აირინგის განტოლება
ორი განტოლება შეიძლება გამოყენებულ იქნას იმის აღსაწერად, თუ როგორ იზრდება რეაქციების სიჩქარე ტემპერატურასთან ერთად. პირველი, არენიუსის განტოლება აღწერს რეაქციის სიჩქარის დამოკიდებულებას ტემპერატურაზე. მეორეს მხრივ, არის აირინგის განტოლება, რომელიც შემოთავაზებულია აღნიშნული მკვლევარის მიერ 1935 წელს; მისი განტოლება ეფუძნება გარდამავალი მდგომარეობის თეორიას და გამოიყენება რეაქციის სიჩქარესა და ტემპერატურას შორის ურთიერთობის აღსაწერად. განტოლება არის:
k= ( kB T / სთ) ექსპ(-ΔG ‡ /RT).
თუმცა, მიუხედავად იმისა, რომ არენიუსის განტოლება განმარტავს დამოკიდებულებას ტემპერატურასა და რეაქციის სიჩქარეს შორის ფენომენოლოგიურად, ეირინგის განტოლება გვაწვდის ინფორმაციას რეაქციის ცალკეულ ელემენტარულ საფეხურებზე.
მეორეს მხრივ, არენიუსის განტოლება შეიძლება გამოყენებულ იქნას მხოლოდ კინეტიკურ ენერგიაზე გაზის ფაზაში, ხოლო აირინგის განტოლება სასარგებლოა რეაქციების შესასწავლად როგორც აირის ფაზაში, ასევე შედედებულ და შერეულ ფაზებში (ფაზები, რომლებსაც არ აქვთ შესაბამისი აირის ფაზაში).შეჯახების მოდელი). ანალოგიურად, არენიუსის განტოლება ეფუძნება ემპირიულ დაკვირვებას, რომ რეაქციების სიჩქარე იზრდება ტემპერატურასთან ერთად. ამის ნაცვლად, აირინგის განტოლება არის თეორიული კონსტრუქცია, რომელიც დაფუძნებულია გარდამავალი მდგომარეობის მოდელზე.
გარდამავალი მდგომარეობის თეორიის პრინციპები:
- არსებობს თერმოდინამიკური წონასწორობა გარდამავალ მდგომარეობასა და ენერგეტიკული ბარიერის ზედა ნაწილში მყოფი რეაქტანტების მდგომარეობას შორის.
- ქიმიური რეაქციის სიჩქარე პროპორციულია ნაწილაკების კონცენტრაციისა მაღალი ენერგიის გარდამავალ მდგომარეობაში.
კავშირი აქტივაციის ენერგიასა და გიბსის ენერგიას შორის
მიუხედავად იმისა, რომ რეაქციის სიჩქარე ასევე აღწერილია აირინგის განტოლებაში, ამ განტოლებაში აქტივაციის ენერგიის გამოყენების ნაცვლად შედის გარდამავალი მდგომარეობის გიბსის ენერგია (ΔG ‡ ).
ვინაიდან შეჯახებული მოლეკულების კინეტიკური ენერგია (ანუ საკმარისი ენერგიის და სწორი ორიენტაციის მქონე მოლეკულების) გარდაიქმნება პოტენციურ ენერგიად, გააქტიურებული კომპლექსის ენერგეტიკული მდგომარეობა ხასიათდება დადებითი მოლარული გიბსის ენერგიით. გიბსის ენერგია, რომელსაც თავდაპირველად “ხელმისაწვდომ ენერგიას” უწოდებდნენ, აღმოაჩინა 1870 წელს ჯოსია უილარდ გიბსმა. ამ ენერგიას ასევე უწოდებენ გააქტიურების სტანდარტულ თავისუფალ ენერგიას .
სისტემის გიბსის თავისუფალი ენერგია ნებისმიერ მომენტში განისაზღვრება, როგორც სისტემის ენთალპია მინუს ტემპერატურის ნამრავლი სისტემის ენტროპიაზე:
G=H-TS.
H არის ენთალპია, T არის ტემპერატურა და S არის ენტროპია. ეს განტოლება, რომელიც განსაზღვრავს სისტემის თავისუფალ ენერგიას, შეუძლია განსაზღვროს ენთალპიისა და ენტროპიის, როგორც კონკრეტული რეაქციის მამოძრავებელი ძალების ფარდობითი მნიშვნელობა. ახლა, ბალანსი ენთალპიისა და ენტროპიის ტერმინების წვლილს შორის რეაქციის თავისუფალ ენერგიაში დამოკიდებულია ტემპერატურაზე, რომელზეც მიმდინარეობს რეაქცია. თავისუფალი ენერგიის განსაზღვრისათვის გამოყენებული განტოლება ვარაუდობს, რომ ენტროპიის ტერმინი უფრო მნიშვნელოვანი გახდება ტემპერატურის მატებასთან ერთად : ΔG° = ΔH° – TΔS°.
წყაროები
- Brainard, J. (2014). აქტივაციის ენერგია. საიტზე https://www.ck12.org/
- არენის კანონი. (2020). აქტივაციის ენერგიები.
- მიტჩელი, ნ. (2018). აირინგის აქტივაციის ენერგიის ანალიზი ძმარმჟავას ანჰიდრიდის ჰიდროლიზის აცეტონიტრილის თანაგამხსნელ სისტემებში.
