Химияда атомдорду же молекулаларды химиялык трансформация же физикалык транспорт пайда боло турган абалга чейин активдештирүү үчүн зарыл болгон энергиянын минималдуу көлөмү активдештирүү энергиясы , Ea деп аталат. Өткөөл абал теориясында активдештирүү энергиясы – активдүү же өткөөл абалдагы конфигурациядагы атомдор же молекулалар менен баштапкы конфигурациядагы атомдор же молекулалар ортосундагы энергия мазмунунун айырмасы. Дээрлик ар дайым реакциянын абалы реакцияга кирүүчү продуктыларга (реактивдерге) караганда жогорку энергетикалык деңгээлде болот. Демек, активдештирүү энергиясы ар дайым оң мааниге ээ. Бул оң маани реакция энергияны сиңиргенине карабастан пайда болот ( эндергоникалык жеэндотермиялык ) же аны пайда кылат ( эксергоникалык же экзотермикалык ).
Активдештирүү энергиясы Эа үчүн стенография. Еа бирдиктеринин эң кеңири таралган бирдиктери мольге килоджоуль (кДж/моль) жана мольге килокалория (ккал/моль) болуп саналат.
Arrhenius Ea теңдемеси
Сванте Аррениус 1889-жылы активдештирүү энергиясынын бар экенин көрсөткөн швед окумуштуусу болгон. Аррениус теңдемеси температура менен реакциянын ылдамдыгынын ортосундагы корреляцияны сүрөттөйт. Бул байланыш химиялык реакциялардын ылдамдыгын жана баарынан мурда бул реакциялардын болушу үчүн зарыл болгон энергиянын көлөмүн эсептөө үчүн абдан маанилүү.
Аррениус теңдемесинде К – реакция ылдамдыгы коэффициенти (реакция ылдамдыгы), А – молекулалардын канчалык көп кагылышынын фактору, ал эми e – туруктуу (болжол менен 2,718ге барабар). Экинчи жагынан, Ea – активдештирүү энергиясы жана R – универсалдуу газ константасы (бир мольге температуранын жогорулашына энергия бирдиги). Акыр-аягы, T Kelvin градус менен ченелген абсолюттук температураны билдирет.
Ошентип, Аррениус теңдемеси k= Ae^(-Ea/RT) түрүндө көрсөтүлөт. Бирок, көптөгөн теңдемелердей эле, ар кандай маанилерди эсептөө үчүн кайра түзүлүшү мүмкүн. Бирок активдештирүү энергиясын (Еа) эсептөө үчүн А-нын маанисин билүү зарыл эмес, анткени муну температурага жараша реакция ылдамдыгынын коэффициенттеринин өзгөрүшүнөн аныктоого болот.
Еа химиялык мааниси
Бардык молекулалар кинетикалык энергия же потенциалдык энергия түрүндө болушу мүмкүн болгон кичинекей энергияга ээ. Молекулалар кагылышканда, алардын кинетикалык энергиясы байланыштарды бузуп, атүгүл жок кылышы мүмкүн, бул химиялык реакциялар болгондо болот.
Молекулалар жай кыймылдаса, башкача айтканда кинетикалык энергиясы аз болсо, же башка молекулалар менен кагылышпайт, же алсыз болгондуктан таасирлери эч кандай реакция жаратпайт. Молекулалар туура эмес же туура эмес багыт менен кагылышканда да ушундай болот. Бирок, молекулалар жетиштүү ылдамдыкта жана туура багытта кыймылдаса, ийгиликтүү кагылышуу болот. Ошентип, кагылышууда кинетикалык энергия минималдуу энергиядан чоң болот жана ошол кагылышуудан кийин реакция ишке ашат. Жада калса экзотермикалык реакциялар да баштоо үчүн минималдуу энергияны талап кылат. Бул минималдуу энергия керектөө, биз мурда түшүндүргөндөй, активдештирүү энергиясы деп аталат.
Заттардын активдештирүү энергиясы жөнүндө маалыматтарды билүү биздин айлана-чөйрөгө кам көрүү мүмкүнчүлүгүн билдирет. Башкача айтканда, молекулалардын өзгөчөлүктөрүнө жараша химиялык реакция пайда болоорун билсек, мисалы, өрт чыгара турган кыймылдарды жасай албайбыз. Мисалы, китептин үстүнө шам коюлса (анын жалыны активдештирүү энергиясын камсыздай турган) бир китептин күйүшү мүмкүн экенин билип туруп, шамдын жалынын китептин кагазына жайылып кетпеши үчүн этият болобуз.
Катализаторлор жана активдештирүү энергиясы
Катализатор реакциянын ылдамдыгын ошол эле максатта колдонулган башка методдорго караганда бир аз башкача жогорулатат. Катализатордун милдети активдештирүү энергиясын төмөндөтүү болуп саналат , андыктан бөлүкчөлөрдүн көбүрөөк үлүшү реакцияга жетиштүү энергияга ээ. Катализаторлор активдештирүү энергиясын эки жол менен төмөндөтүшү мүмкүн:
- Реакциялашкан бөлүкчөлөрдү кагылышуулар көбүрөөк болушу үчүн багыттоо же алардын кыймылынын ылдамдыгын өзгөртүү аркылуу.
- Продукцияны түзүү үчүн азыраак энергияны талап кылган аралык затты пайда кылуу үчүн реакцияга кирүүчү заттар менен реакция.
Кээ бир металлдар, мисалы, платина, жез жана темир, белгилүү бир реакцияларда катализатор катары иштей алат. Биздин денебизде биохимиялык реакцияларды тездетүүгө жардам берген биологиялык катализаторлор (биокатализаторлор) болгон ферменттер бар. Катализаторлор жалпысынан бир же бир нече реагент менен реакцияга кирип, ортоңку затты пайда кылышат, андан соң акыркы продукт болуп реакцияга кирет. Мындай ортоңку зат көбүнчө “активдештирилген комплекс” деп аталат .
Катализатор катышкан реакциянын мисалы
Төмөндө катализатор катышкан реакциянын жүрүшүнүн теориялык мисалы келтирилген. А жана В реакцияга кирүүчү заттар, С катализатор, D А менен В ортосундагы реакциянын продуктусу.
Биринчи кадам (реакция 1): A+C → AC
Экинчи кадам (реакция 2): B+AC → ACB
Үчүнчү кадам (реакция 3): ACB → C+D
ACB химиялык орто дегенди билдирет. Катализатор (С) 1-реакцияда сарпталганы менен, кийин 3-реакцияда кайра бөлүнүп чыгат, ошондуктан катализатор менен болгон жалпы реакция: A+B+C → D+C
Мындан катализатор реакциянын аягында толугу менен өзгөрбөстөн бөлүнүп чыгат деген жыйынтык чыгат. Катализаторду эсепке албаганда, жалпы реакция жазылат: A+B → D
Бул мисалда катализатор биз “альтернативдик реакция жолу” деп атай турган реакция кадамдарынын жыйындысын берди. Катализатор кийлигишкен бул жол азыраак активдештирүү энергиясын талап кылат жана ошондуктан тезирээк жана натыйжалуураак.
Аррениус теңдемеси жана Эйринг теңдемеси
Температура менен реакциянын ылдамдыгы кандайча көбөйөрүн сүрөттөө үчүн эки теңдемени колдонсо болот. Биринчиден, Аррениус теңдемеси реакция ылдамдыгынын температурага көз карандылыгын сүрөттөйт. Экинчи жагынан, 1935-жылы аталган изилдөөчү тарабынан сунушталган Эйринг теңдемеси бар; анын теңдемеси өткөөл абал теориясына негизделген жана реакциянын ылдамдыгы менен температуранын ортосундагы байланышты сүрөттөө үчүн колдонулат. Бул теңдеме:
k= ( kB T /h) exp(-ΔG ‡ /RT).
Бирок, Аррениус теңдемеси температура менен реакция ылдамдыгынын ортосундагы көз карандылыкты феноменологиялык жактан түшүндүрсө, Эйринг теңдемеси реакциянын айрым элементардык кадамдары жөнүндө маалымат берет.
Экинчи жагынан, Аррениус теңдемесин газ фазасындагы кинетикалык энергияга гана колдонууга болот, ал эми Эйринг теңдемеси газ фазасындагы да, конденсацияланган жана аралаш фазалардагы да реакцияларды (эч кандай тиешеси жок фазалар) изилдөөдө пайдалуу. газ фазасында). кагылышуу модели). Ошо сыяктуу эле, Аррениус теңдемеси реакциянын ылдамдыгы температурага жараша жогорулай турган эмпирикалык байкоого негизделген. Анын ордуна Айринг теңдемеси өткөөл абалдын моделине негизделген теориялык конструкция болуп саналат.
Өткөөл абал теориясынын принциптери:
- Өткөөл абалы менен энергетикалык тоскоолдуктун жогору жагындагы реагенттердин абалынын ортосунда термодинамикалык тең салмактуулук бар.
- Химиялык реакциянын ылдамдыгы бөлүкчөлөрдүн жогорку энергия өтүү абалындагы концентрациясына пропорционалдуу.
Активдештирүү энергиясы менен Гиббс энергиясынын ортосундагы байланыш
Реакция ылдамдыгы Айринг теңдемесинде да сүрөттөлсө да, бул теңдеме менен активдештирүү энергиясын колдонуунун ордуна, өтүү абалынын Гиббс энергиясы (ΔG ‡ ) камтылган.
Кагылышкан молекулалардын кинетикалык энергиясы (б.а. жетиштүү энергияга жана туура багытка ээ болгондор) потенциалдык энергияга айлангандыктан, активдештирилген комплекстин энергетикалык абалы оң молярдык Гиббс энергиясы менен мүнөздөлөт. Башында “жеткиликтүү энергия” деп аталган Гиббс энергиясын 1870-жылы Жосия Виллард Гиббс ачкан. Бул энергия активдештирүүнүн стандарттуу эркин энергиясы деп да аталат .
Каалаган учурда системанын Гиббс бош энергиясы системанын энтальпиясы минус температуранын системанын энтропиясына көбөйтүндүсү катары аныкталат:
G=H-TS.
H – энтальпия, T – температура, S – энтропия. Системанын эркин энергиясын аныктоочу бул теңдеме энтальпиянын жана энтропиянын белгилүү бир реакциянын кыймылдаткыч күчтөрү катары салыштырмалуу маанисин аныктоого жөндөмдүү. Эми энтальпия жана энтропия терминдеринин реакциянын бош энергиясына кошкон салымдарынын ортосундагы тең салмактуулук реакция жүрүп жаткан температурага көз каранды. Эркин энергияны аныктоо үчүн колдонулган теңдеме температуранын жогорулашына жараша энтропия термини маанилүү болуп калаарын көрсөтүп турат : ΔG° = ΔH° – TΔS°.
Булактар
- Brainard, J. (2014). Активдештирүү энергиясы. https://www.ck12.org/ сайтында
- Аррен мыйзамы. (2020). Активдештирүү энергиялары.
- Митчелл, Н. (2018). Acetonitril Cosolvent системаларында уксус ангидридинин гидролизинин Айринг активдештирүү энергетикалык анализи.
