Химийн шинжлэх ухаанд атом эсвэл молекулыг химийн хувиргалт эсвэл физик тээвэрлэлт үүсгэж болох нөхцөлд идэвхжүүлэхэд шаардагдах хамгийн бага энергийг идэвхжүүлэх энерги , Ea гэж нэрлэдэг. Шилжилтийн төлөвийн онолд идэвхжүүлэх энерги нь идэвхтэй буюу шилжилтийн төлөвийн тохиргоонд байгаа атомууд эсвэл молекулууд болон анхны тохиргоонд байгаа атомууд эсвэл молекулуудын энергийн агууламжийн зөрүү юм. Бараг үргэлж урвалын төлөв нь урвалд орж буй бүтээгдэхүүнээс (урвалж буй бодис) илүү эрчим хүчний түвшинд явагддаг. Тиймээс идэвхжүүлэх энерги үргэлж эерэг утгатай байдаг. Энэ эерэг утга нь урвал нь энергийг шингээж авахаас үл хамааран үүсдэг ( эндергон эсвэлэндотермик ) эсвэл үүнийг үүсгэдэг ( эксергон эсвэл экзотермик ).
Идэвхжүүлэх энерги нь Ea -ийн товчлол юм . Ea нэгжийн хамгийн түгээмэл нэгж нь моль тутамд киложоуль (кЖ/моль) ба моль тутамд килокалори (ккал/моль) юм.
Аррениус Еа тэгшитгэл
Сванте Аррениус бол 1889 онд өөрийн нэрээр нэрлэгдсэн тэгшитгэлийг боловсруулж, идэвхжүүлэх энерги байдгийг харуулсан Шведийн эрдэмтэн байв. Аррениусын тэгшитгэл нь температур ба урвалын хурд хоорондын хамаарлыг тодорхойлдог. Энэ хамаарал нь химийн урвалын хурд, юуны түрүүнд эдгээр урвал явагдахад шаардагдах энергийн хэмжээг тооцоолоход зайлшгүй шаардлагатай.
Arrhenius тэгшитгэлд K нь урвалын хурдны коэффициент (урвалын хурд), А нь молекулууд хэр олон удаа мөргөлддөг хүчин зүйл, e тогтмол (ойролцоогоор 2.718-тай тэнцүү). Нөгөө талаас, Ea нь идэвхжүүлэх энерги, R нь бүх нийтийн хийн тогтмол (моль тутамд температурын өсөлтийн энергийн нэгж) юм. Эцэст нь, T нь Кельвин градусаар хэмжигдэх үнэмлэхүй температурыг илэрхийлнэ.
Иймд Аррениусын тэгшитгэлийг k= Ae^(-Ea/RT) хэлбэрээр илэрхийлнэ. Гэсэн хэдий ч олон тэгшитгэлийн нэгэн адил өөр өөр утгыг тооцоолохын тулд үүнийг дахин зохион байгуулж болно. Гэсэн хэдий ч идэвхжүүлэлтийн энергийг (Ea) тооцоолохын тулд A-ийн утгыг мэдэх шаардлагагүй, учир нь үүнийг температураас хамаарсан урвалын хурдны коэффициентүүдийн өөрчлөлтөөс тодорхойлж болно.
Ea-ийн химийн ач холбогдол
Бүх молекулууд нь кинетик энерги эсвэл потенциал энерги хэлбэрээр байж болох бага хэмжээний энергитэй байдаг. Молекулууд мөргөлдөх үед тэдгээрийн кинетик энерги нь холбоог тасалдуулж, бүр устгадаг бөгөөд энэ нь химийн урвал явагдах үед тохиолддог.
Хэрэв молекулууд аажмаар, өөрөөр хэлбэл бага кинетик энергитэй хөдөлдөг бол бусад молекулуудтай мөргөлдөхгүй эсвэл сул учраас нөлөөлөл нь ямар ч хариу үйлдэл үзүүлэхгүй. Хэрэв молекулууд буруу эсвэл буруу чиглэлтэй мөргөлдвөл ижил зүйл тохиолддог. Гэсэн хэдий ч, хэрэв молекулууд хангалттай хурдан, зөв чиглэлд хөдөлж байвал амжилттай мөргөлдөх болно. Тиймээс мөргөлдөх үед кинетик энерги нь хамгийн бага энергиэс их байх ба энэ мөргөлдөөний дараа урвал явагдана. Экзотермик урвалууд ч гэсэн эхлэхийн тулд хамгийн бага хэмжээний эрчим хүч шаарддаг. Энэхүү хамгийн бага эрчим хүчний хэрэгцээг бид өмнө нь тайлбарласанчлан идэвхжүүлэх энерги гэж нэрлэдэг.
Бодисын идэвхжүүлэх энергийн талаархи өгөгдлийн талаархи мэдлэг нь бидний хүрээлэн буй орчинд анхаарал халамж тавих боломжийг илэрхийлдэг. Өөрөөр хэлбэл, хэрэв бид молекулуудын шинж чанараас хамааран химийн урвал үүсч болохыг мэддэг бол жишээлбэл, гал түймэр үүсгэж болзошгүй үйлдлүүдийг хийж чадахгүй. Жишээ нь, ном дээр нь лаа тавьбал гал авалцдаг гэдгийг мэдэж байгаа тул (түүний дөл нь идэвхжүүлэх энергийг өгдөг) бид лааны дөл номын цаасан дээр тархахаас болгоомжлох болно.
Катализатор ба идэвхжүүлэх энерги
Катализатор нь ижил зорилгоор ашигладаг бусад аргуудаас арай өөр аргаар урвалын хурдыг нэмэгдүүлдэг. Катализаторын үүрэг нь идэвхжүүлэлтийн энергийг бууруулахад оршино , ингэснээр бөөмсийн ихэнх хэсэг нь урвалд ороход хангалттай энергитэй болно. Катализаторууд идэвхжүүлэлтийн энергийг хоёр аргаар бууруулж болно.
- Мөргөлдөөн гарах магадлал өндөр байхаар урвалд орж буй бөөмсийг чиглүүлэх, эсвэл хөдөлгөөний хурдыг өөрчлөх замаар.
- Бүтээгдэхүүн үүсгэхийн тулд бага эрчим хүч шаарддаг завсрын бодис үүсгэхийн тулд урвалд орох бодисуудтай урвалд орно.
Цагаан алт, зэс, төмөр зэрэг зарим металлууд тодорхой урвалд катализаторын үүрэг гүйцэтгэдэг. Бидний биед биохимийн урвалыг хурдасгахад тусалдаг биологийн катализатор (биокатализатор) болох ферментүүд байдаг. Катализатор нь ерөнхийдөө нэг буюу хэд хэдэн урвалжтай урвалд орж завсрын бодис үүсгэдэг бөгөөд энэ нь эцсийн бүтээгдэхүүн болохын тулд урвалд ордог. Ийм завсрын бодисыг ихэвчлэн “идэвхжүүлсэн цогцолбор” гэж нэрлэдэг .
Катализаторын оролцоотой урвалын жишээ
Дараах нь катализаторын оролцоотой урвал хэрхэн явагдаж болох тухай онолын жишээ юм. А ба В нь урвалж, С нь катализатор, D нь А ба В хоорондын урвалын бүтээгдэхүүн юм.
Эхний алхам (урвал 1): A+C → АС
Хоёр дахь алхам (урвал 2): B+AC → ACB
Гурав дахь алхам (урвал 3): ACB → C+D
ACB гэдэг нь Chemical Intermediate гэсэн үгийн товчлол юм. Хэдийгээр 1-р урвалд катализатор (C) зарцуулагддаг боловч 3-р урвалд дараа нь дахин ялгардаг тул катализатортой хийсэн нийт урвал: A+B+C → D+C байна.
Үүнээс үзэхэд катализатор нь урвалын төгсгөлд бүрэн өөрчлөгдөөгүй ялгардаг. Катализаторыг харгалзахгүйгээр ерөнхий урвалыг A+B → D гэж бичнэ
Энэ жишээнд катализатор нь бидний “хувилбар урвалын зам” гэж нэрлэж болох хэд хэдэн урвалын үе шатуудыг өгсөн. Катализатор оролцох энэ зам нь идэвхжүүлэх энерги бага шаарддаг тул илүү хурдан бөгөөд үр дүнтэй байдаг.
Аррениусын тэгшитгэл ба Айрингийн тэгшитгэл
Температурын дагуу урвалын хурд хэрхэн нэмэгдэж байгааг тодорхойлохын тулд хоёр тэгшитгэлийг ашиглаж болно. Нэгдүгээрт, Аррениусын тэгшитгэл нь температураас урвалын хурдаас хамаарах хамаарлыг тодорхойлдог. Нөгөөтэйгүүр, 1935 онд судлаачийн санал болгосон Эйрингийн тэгшитгэл байдаг; Түүний тэгшитгэл нь шилжилтийн төлөвийн онол дээр үндэслэсэн бөгөөд урвалын хурд ба температурын хоорондын хамаарлыг тодорхойлоход хэрэглэгддэг. Тэгшитгэл нь:
k= ( kB T /h) exp(-ΔG ‡ /RT).
Гэсэн хэдий ч Аррениусын тэгшитгэл нь температур ба урвалын хурд хоёрын хамаарлыг үзэгдэл судлалын үүднээс тайлбарладаг бол Эйрингийн тэгшитгэл нь урвалын бие даасан энгийн үе шатуудын талаар мэдээлдэг.
Нөгөөтэйгүүр, Аррениусын тэгшитгэлийг зөвхөн хийн фазын кинетик энергид ашиглах боломжтой бол Эйрингийн тэгшитгэл нь хийн үе ба конденсацсан болон холимог фазын аль алинд нь (ямар ч хамааралгүй үе шат) урвалыг судлахад тустай. хийн үе шатанд). мөргөлдөх загвар). Үүний нэгэн адил, Аррениусын тэгшитгэл нь урвалын хурд температурын дагуу нэмэгддэг эмпирик ажиглалт дээр суурилдаг. Үүний оронд Айрингийн тэгшитгэл нь шилжилтийн төлөвийн загвар дээр суурилсан онолын бүтэц юм.
Шилжилтийн төлөвийн онолын зарчим:
- Шилжилтийн төлөв ба энергийн саадны дээд хэсэгт байрлах урвалжуудын төлөвийн хооронд термодинамикийн тэнцвэр бий.
- Химийн урвалын хурд нь өндөр энергийн шилжилтийн төлөвт байгаа бөөмсийн концентрацтай пропорциональ байна.
Идэвхжүүлэх энерги ба Гиббсын энергийн хамаарал
Хэдийгээр урвалын хурдыг Айрингийн тэгшитгэлд мөн тодорхойлсон боловч идэвхжүүлэлтийн энергийг ашиглахын оронд энэ тэгшитгэлд шилжилтийн төлөвийн Гиббсын энергийг (ΔG ‡ ) оруулсан болно.
Мөргөлдөж буй молекулуудын кинетик энерги (өөрөөр хэлбэл хангалттай эрчим хүч, зөв чиг баримжаатай) нь потенциал энерги болж хувирдаг тул идэвхжүүлсэн цогцолборын энергийн төлөв нь эерэг моляр Гиббсийн энергиэр тодорхойлогддог. Анх “боломжтой эрчим хүч” гэж нэрлэгддэг Гиббс энергийг 1870 онд Жосиа Виллард Гиббс нээсэн. Энэ энергийг идэвхжүүлэлтийн стандарт чөлөөт энерги гэж бас нэрлэдэг .
Системийн Гиббсийн чөлөөт энерги нь системийн энтальпийг температурын үржвэрийг системийн энтропийн үржвэрийг хассанаар тодорхойлогддог.
G=H-TS.
H нь энтальпи, T нь температур, S нь энтропи юм. Системийн чөлөөт энергийг тодорхойлдог энэхүү тэгшитгэл нь тодорхой урвалын хөдөлгөгч хүч болох энтальпи ба энтропийн харьцангуй ач холбогдлыг тодорхойлох чадвартай. Одоо энтальпи ба энтропийн нөхцлүүдийн урвалын чөлөөт энергид оруулах хувь нэмэр хоорондын тэнцвэр нь урвал явагдаж буй температураас хамаарна. Чөлөөт энергийг тодорхойлоход ашигласан тэгшитгэл нь температур нэмэгдэхийн хэрээр энтропийн нэр томъёо илүү чухал болохыг харуулж байна : ΔG° = ΔH° – TΔS°.
Эх сурвалжууд
- Brainard, J. (2014). Идэвхжүүлэх энерги. https://www.ck12.org/ хаягаар
- Аррений хууль. (2020). Идэвхжүүлэх энерги.
- Митчелл, Н. (2018). Ацетонитрилийн уусгагч систем дэх цууны ангидридын гидролизийн Айрингийн идэвхжүүлэлтийн энергийн шинжилгээ.
