화학에서 원자나 분자를 화학적 변형이나 물리적 수송이 일어날 수 있는 상태로 활성화시키는 데 필요한 최소한의 에너지를 활성화 에너지 Ea 라고 한다. 전이 상태 이론에서 활성화 에너지는 활성 또는 전이 상태 구성의 원자 또는 분자와 초기 구성의 원자 또는 분자 사이의 에너지 함량의 차이입니다. 거의 항상 반응 상태는 반응 생성물(반응물)보다 더 높은 에너지 수준에서 발생합니다. 따라서 활성화 에너지는 항상 양의 값을 갖는다. 이 양의 값은 반응이 에너지를 흡수하는지 여부(에너지 흡수 또는흡열 ) 또는 그것을 생산합니다( 발열 또는 발열 ).
활성화 에너지는 Ea 의 줄임말입니다 . Ea 단위의 가장 일반적인 단위는 몰당 킬로줄(kJ/mol)과 몰당 킬로칼로리 (kcal/mol)입니다.
Arrhenius Ea 방정식
스반테 아레니우스(Svante Arrhenius)는 1889년에 자신의 이름을 딴 방정식을 개발하면서 활성화 에너지의 존재를 증명한 스웨덴 과학자였습니다. Arrhenius 방정식은 온도와 반응 속도 사이의 상관 관계를 설명합니다. 이 관계는 화학 반응의 속도와 무엇보다도 이러한 반응이 일어나는 데 필요한 에너지의 양을 계산하는 데 필수적입니다.
아레니우스 방정식에서 K 는 반응 속도 계수(반응 속도), A 는 분자가 얼마나 자주 충돌하는지에 대한 계수, e 는 상수(약 2.718)입니다. 한편, Ea 는 활성화 에너지이고 R 은 범용 기체 상수(몰당 온도 증가당 에너지 단위)입니다. 마지막으로 T 는 Kelvin 단위로 측정된 절대 온도를 나타냅니다.
따라서 Arrhenius 방정식은 k= Ae^(-Ea/RT)로 표시됩니다. 그러나 많은 방정식과 마찬가지로 재정렬하여 다른 값을 계산할 수 있습니다. 그러나 활성화 에너지(Ea)를 계산하기 위해 A의 값을 알 필요는 없습니다. 이것은 온도의 함수로서 반응 속도 계수의 변화로부터 결정될 수 있기 때문입니다.
Ea의 화학적 의미
모든 분자는 운동 에너지 또는 위치 에너지의 형태일 수 있는 소량의 에너지를 가지고 있습니다. 분자가 충돌할 때 분자의 운동 에너지는 화학 반응이 일어날 때 발생하는 결합을 방해하고 심지어 파괴할 수 있습니다.
분자가 느리게 움직이면, 즉 운동 에너지가 적으면 다른 분자와 충돌하지 않거나 약하기 때문에 충격이 반응을 일으키지 않습니다. 분자가 잘못되거나 부적절한 방향으로 충돌하는 경우에도 마찬가지입니다. 그러나 분자가 충분히 빠르고 올바른 방향으로 움직이면 성공적인 충돌이 발생합니다. 따라서 충돌할 때의 운동 에너지는 최소 에너지보다 크며 충돌 후 반응이 발생합니다. 발열 반응도 시작하는 데 최소한의 에너지가 필요합니다. 앞에서 설명한 것처럼 최소 에너지 요구 사항을 활성화 에너지라고 합니다.
물질의 활성화 에너지에 대한 데이터에 대한 지식은 우리 환경을 돌볼 수 있는 가능성을 의미합니다. 즉, 분자의 특성에 따라 화학 반응이 일어날 수 있다는 것을 알고 있다면, 예를 들어 화재를 일으킬 수 있는 행동을 할 수 없습니다. 예를 들어, 책 위에 양초를 놓으면 불이 붙을 수 있다는 것을 알고(불꽃이 활성화 에너지를 제공할 것임) 우리는 양초 불꽃이 책의 종이로 퍼지지 않도록 주의할 것입니다.
촉매 및 활성화 에너지
촉매는 동일한 목적으로 사용되는 다른 방법과는 약간 다른 방식으로 반응 속도를 증가시킵니다. 촉매의 기능은 활성화 에너지를 낮추어 더 많은 비율의 입자가 반응하기에 충분한 에너지를 갖도록 하는 것입니다. 촉매는 두 가지 방법으로 활성화 에너지를 낮출 수 있습니다.
- 충돌이 더 잘 발생하도록 반응 입자의 방향을 지정하거나 이동 속도를 변경합니다.
- 반응물과 반응하여 생성물을 형성하는 데 더 적은 에너지를 필요로 하는 중간 물질을 형성합니다.
백금, 구리, 철과 같은 일부 금속은 특정 반응에서 촉매 역할을 할 수 있습니다. 우리 몸에는 생화학 반응의 속도를 높이는 생물학적 촉매(생물 촉매)인 효소가 있습니다. 촉매는 일반적으로 하나 이상의 반응물과 반응하여 중간체를 형성한 다음 반응하여 최종 제품이 됩니다. 이러한 중간 물질은 종종 “활성화 복합체” 라고 합니다 .
촉매와 관련된 반응의 예
다음은 촉매와 관련된 반응이 어떻게 진행될 수 있는지에 대한 이론적인 예입니다. A 와 B 는 반응물이고 C 는 촉매이며 D 는 A와 B 사이의 반응 생성물입니다.
1단계(반응 1): A+C → AC
2단계(반응 2): B+AC → ACB
3단계(반응 3): ACB → C+D
ACB 는 화학 중간체를 의미합니다. 촉매(C)는 반응 1에서 소비되지만 나중에 반응 3에서 다시 방출되므로 촉매와의 전체 반응은 A+B+C → D+C입니다.
이것으로부터 반응이 끝날 때 완전히 변하지 않은 촉매가 방출됩니다. 촉매를 고려하지 않으면 전체 반응은 다음과 같이 작성됩니다. A+B → D
이 예에서 촉매는 “대체 반응 경로”라고 부를 수 있는 일련의 반응 단계를 제공했습니다. 촉매가 개입하는 이 경로는 활성화 에너지가 덜 필요하므로 더 빠르고 효율적입니다.
아레니우스 방정식과 아이어링 방정식
온도에 따라 반응 속도가 어떻게 증가하는지 설명하기 위해 두 개의 방정식을 사용할 수 있습니다. 첫째, Arrhenius 방정식은 온도에 대한 반응 속도의 의존성을 설명합니다. 한편, 1935년에 상기 연구자가 제안한 Eyring 방정식이 있다. 그의 방정식은 전이 상태 이론을 기반으로 하며 반응 속도와 온도 사이의 관계를 설명하는 데 사용됩니다. 방정식은 다음과 같습니다.
k= ( kB T /h) exp(-ΔG ‡ /RT).
그러나 Arrhenius 방정식은 현상학적으로 온도와 반응 속도 사이의 의존성을 설명하는 반면, Eyring 방정식은 반응의 개별 기본 단계에 대해 알려줍니다.
반면에 아레니우스 방정식은 기체상의 운동 에너지에만 적용할 수 있는 반면, 아이어링 방정식은 기체상과 응축 및 혼합상(관련성이 없는 상) 모두에서 반응을 연구하는 데 유용합니다. 가스상에서) 충돌 모델). 마찬가지로 Arrhenius 방정식은 반응 속도가 온도에 따라 증가한다는 경험적 관찰에 기반합니다. 대신 Eyring 방정식은 전이 상태 모델을 기반으로 한 이론적 구성입니다.
전환 상태 이론의 원리:
- 전이 상태와 에너지 장벽 상단의 반응물 상태 사이에는 열역학적 평형이 있습니다.
- 화학 반응 속도는 고에너지 전이 상태에 있는 입자의 농도에 비례합니다.
활성화 에너지와 깁스 에너지의 관계
아이어링 방정식에도 반응 속도가 기술되어 있지만, 이 방정식에는 활성화 에너지를 사용하는 대신 전이 상태 의 깁스 에너지(ΔG ‡ )가 포함됩니다.
충돌 분자의 운동 에너지(즉, 충분한 에너지와 적절한 배향을 가진 분자)가 위치 에너지로 변환되기 때문에 활성화된 복합체의 에너지 상태는 양의 몰 Gibbs 에너지로 특징지어집니다. 원래 “가용 에너지”라고 불렸던 깁스 에너지는 1870년 조시아 윌라드 깁스가 발견했습니다. 이 에너지는 활성화의 표준 자유 에너지 라고도 합니다 .
임의의 순간에 시스템의 깁스 자유 에너지는 시스템의 엔탈피에서 시스템의 엔트로피를 곱한 온도를 뺀 값으로 정의됩니다.
G=H-TS.
H 는 엔탈피, T 는 온도, S 는 엔트로피입니다. 시스템의 자유 에너지를 정의하는 이 방정식은 특정 반응의 원동력으로서 엔탈피와 엔트로피의 상대적 중요성을 결정할 수 있습니다. 이제 반응의 자유 에너지에 대한 엔탈피와 엔트로피 항의 기여 사이의 균형은 반응이 일어나는 온도에 따라 달라집니다. 자유 에너지를 정의하는 데 사용되는 방정식은 온도가 증가함에 따라 엔트로피 항이 더 중요해질 것임을 시사합니다 . ΔG° = ΔH° – TΔS°.
출처
- 브레이너드, J. (2014). 활성화 에너지. https://www.ck12.org/에서
- 아레니아법. (2020). 활성화 에너지.
- 미첼, N. (2018). 아세토니트릴 공용매 시스템에서 무수초산 가수분해의 아이어링 활성화 에너지 분석.
