Dalam kimia, jumlah minimum tenaga yang diperlukan untuk mengaktifkan atom atau molekul kepada keadaan di mana transformasi kimia atau pengangkutan fizikal boleh dijana dipanggil tenaga pengaktifan , Ea . Dalam teori keadaan peralihan, tenaga pengaktifan ialah perbezaan kandungan tenaga antara atom atau molekul dalam konfigurasi keadaan aktif atau peralihan dan atom atau molekul dalam konfigurasi awal. Hampir selalu, keadaan tindak balas berlaku pada tahap tenaga yang lebih tinggi daripada hasil tindak balas (reaktan). Oleh itu, tenaga pengaktifan sentiasa mempunyai nilai positif. Nilai positif ini berlaku tanpa mengira sama ada tindak balas menyerap tenaga ( endergonik atauendotermik ) atau menghasilkannya ( eksergonik atau eksotermik ).
Tenaga pengaktifan ialah singkatan untuk Ea. Unit yang paling biasa bagi unit Ea ialah kilojoule per mol (kJ/mol) dan kilocalories per mol (kcal/mol).
Persamaan Arrhenius Ea
Svante Arrhenius adalah seorang saintis Sweden yang pada tahun 1889 menunjukkan kewujudan tenaga pengaktifan, membangunkan persamaan yang menyandang namanya. Persamaan Arrhenius menerangkan korelasi antara suhu dan kadar tindak balas. Hubungan ini penting untuk mengira kelajuan tindak balas kimia dan, di atas semua, jumlah tenaga yang diperlukan untuk tindak balas ini berlaku.
Dalam persamaan Arrhenius, K ialah pekali kadar tindak balas (kadar tindak balas), A ialah faktor kekerapan molekul berlanggar, dan e ialah pemalar (kira-kira sama dengan 2.718). Sebaliknya, Ea ialah tenaga pengaktifan dan R ialah pemalar gas sejagat (unit tenaga setiap peningkatan suhu setiap mol). Akhirnya, T mewakili suhu mutlak, diukur dalam darjah Kelvin.
Oleh itu, persamaan Arrhenius diwakili sebagai k= Ae^(-Ea/RT). Walau bagaimanapun, seperti banyak persamaan, ia boleh disusun semula untuk mengira nilai yang berbeza. Walau bagaimanapun, adalah tidak perlu untuk mengetahui nilai A untuk mengira tenaga pengaktifan (Ea), kerana ini boleh ditentukan daripada variasi pekali kadar tindak balas sebagai fungsi suhu.
Kepentingan Kimia Ea
Semua molekul mempunyai jumlah tenaga yang kecil, yang boleh dalam bentuk tenaga kinetik atau tenaga potensi. Apabila molekul berlanggar, tenaga kinetik mereka boleh mengganggu dan juga memusnahkan ikatan, yang berlaku apabila tindak balas kimia berlaku.
Jika molekul bergerak perlahan, iaitu dengan tenaga kinetik yang sedikit, sama ada ia tidak berlanggar dengan molekul lain atau impak tidak menghasilkan sebarang tindak balas kerana ia lemah. Perkara yang sama berlaku jika molekul berlanggar dengan orientasi yang salah atau tidak betul. Walau bagaimanapun, jika molekul bergerak cukup pantas dan dalam orientasi yang betul, perlanggaran yang berjaya akan berlaku. Oleh itu, tenaga kinetik apabila berlanggar akan lebih besar daripada tenaga minimum, dan selepas perlanggaran itu tindak balas akan berlaku. Malah tindak balas eksotermik memerlukan jumlah tenaga yang minimum untuk bermula. Keperluan tenaga minimum itu, seperti yang telah kami jelaskan sebelum ini, dipanggil tenaga pengaktifan.
Pengetahuan tentang data tentang tenaga pengaktifan bahan membayangkan kemungkinan menjaga alam sekitar kita. Dalam erti kata lain, jika kita sedar bahawa, bergantung kepada ciri-ciri molekul, tindak balas kimia boleh dihasilkan, kita tidak boleh melakukan tindakan yang, sebagai contoh, boleh menyebabkan kebakaran. Sebagai contoh, mengetahui bahawa buku boleh terbakar jika lilin diletakkan di atasnya (yang nyalanya akan memberikan tenaga pengaktifan), kami akan berhati-hati agar nyalaan lilin tidak merebak ke kertas buku.
Pemangkin dan Tenaga Pengaktifan
Mangkin meningkatkan kadar tindak balas dengan cara yang sedikit berbeza daripada kaedah lain yang digunakan untuk tujuan yang sama. Fungsi mangkin adalah untuk menurunkan tenaga pengaktifan , supaya bahagian zarah yang lebih besar mempunyai tenaga yang mencukupi untuk bertindak balas. Pemangkin boleh menurunkan tenaga pengaktifan dalam dua cara:
- Dengan mengorientasikan zarah yang bertindak balas supaya perlanggaran lebih berkemungkinan berlaku, atau dengan menukar kelajuan pergerakannya.
- Bertindak balas dengan bahan tindak balas untuk membentuk bahan perantaraan yang memerlukan lebih sedikit tenaga untuk membentuk produk.
Sesetengah logam, seperti platinum, kuprum, dan besi, boleh bertindak sebagai pemangkin dalam tindak balas tertentu. Dalam badan kita sendiri terdapat enzim yang merupakan pemangkin biologi (biocatalysts) yang membantu mempercepatkan tindak balas biokimia. Pemangkin biasanya bertindak balas dengan satu atau lebih bahan tindak balas untuk membentuk perantaraan, yang kemudiannya bertindak balas untuk menjadi produk akhir. Bahan perantaraan sedemikian sering dirujuk sebagai “kompleks yang diaktifkan . “
Contoh tindak balas yang melibatkan mangkin
Berikut ialah contoh teori tentang bagaimana tindak balas yang melibatkan pemangkin mungkin berlaku. A dan B ialah bahan tindak balas, C ialah mangkin, dan D ialah hasil tindak balas antara A dan B.
Langkah pertama (tindak balas 1): A+C → AC
Langkah kedua (tindak balas 2): B+AC → ACB
Langkah ketiga (tindak balas 3): ACB → C+D
ACB adalah singkatan dari Chemical Intermediate. Walaupun mangkin (C) digunakan dalam tindak balas 1, ia kemudiannya dibebaskan semula dalam tindak balas 3, jadi tindak balas keseluruhan dengan mangkin ialah: A+B+C → D+C
Daripada ini, pemangkin dilepaskan pada akhir tindak balas, sama sekali tidak berubah. Tanpa mengambil kira pemangkin, tindak balas keseluruhan akan ditulis: A+B → D
Dalam contoh ini, pemangkin telah menyediakan satu set langkah tindak balas yang boleh kita panggil “laluan tindak balas alternatif.” Laluan di mana pemangkin campur tangan memerlukan kurang tenaga pengaktifan dan oleh itu lebih pantas dan lebih cekap.
Persamaan Arrhenius dan persamaan Eyring
Dua persamaan boleh digunakan untuk menerangkan bagaimana kadar tindak balas meningkat dengan suhu. Pertama, persamaan Arrhenius menerangkan pergantungan kadar tindak balas pada suhu. Sebaliknya, terdapat persamaan Eyring, yang dicadangkan oleh penyelidik tersebut pada tahun 1935; persamaannya adalah berdasarkan teori keadaan peralihan dan digunakan untuk menerangkan hubungan antara kadar tindak balas dan suhu. Persamaannya ialah:
k= ( kB T /j) exp(-ΔG ‡ /RT).
Walau bagaimanapun, sementara persamaan Arrhenius menerangkan pergantungan antara suhu dan kadar tindak balas secara fenomenologi, persamaan Eyring memaklumkan tentang langkah asas individu bagi suatu tindak balas.
Sebaliknya, persamaan Arrhenius hanya boleh digunakan untuk tenaga kinetik dalam fasa gas, manakala persamaan Eyring berguna dalam kajian tindak balas kedua-dua dalam fasa gas dan dalam fasa terkondensasi dan bercampur (fasa yang tidak mempunyai kaitan). dalam fasa gas).model perlanggaran). Begitu juga, persamaan Arrhenius adalah berdasarkan pemerhatian empirikal bahawa kadar tindak balas meningkat dengan suhu. Sebaliknya persamaan Eyring adalah pembinaan teori berdasarkan model keadaan peralihan.
Prinsip teori keadaan peralihan:
- Terdapat keseimbangan termodinamik antara keadaan peralihan dan keadaan bahan tindak balas di bahagian atas penghalang tenaga.
- Kadar tindak balas kimia adalah berkadar dengan kepekatan zarah dalam keadaan peralihan tenaga tinggi.
Hubungan antara tenaga pengaktifan dan tenaga Gibbs
Walaupun kadar tindak balas juga diterangkan dalam persamaan Eyring, dengan persamaan ini dan bukannya menggunakan tenaga pengaktifan, tenaga Gibbs (ΔG ‡ ) bagi keadaan peralihan dimasukkan.
Oleh kerana tenaga kinetik molekul yang berlanggar (iaitu yang mempunyai tenaga yang mencukupi dan orientasi yang betul) diubah menjadi tenaga berpotensi, keadaan bertenaga bagi kompleks yang diaktifkan dicirikan oleh tenaga Gibbs molar positif. Tenaga Gibbs, yang asalnya dipanggil “tenaga yang tersedia,” ditemui pada tahun 1870 oleh Josiah Willard Gibbs. Tenaga ini juga dipanggil tenaga bebas standard pengaktifan .
Tenaga bebas Gibbs sistem pada bila-bila masa ditakrifkan sebagai entalpi sistem tolak hasil darab suhu dengan entropi sistem:
G=H-TS.
H ialah entalpi, T ialah suhu, dan S ialah entropi. Persamaan yang mentakrifkan tenaga bebas sistem ini mampu menentukan kepentingan relatif entalpi dan entropi sebagai daya penggerak tindak balas tertentu. Kini, keseimbangan antara sumbangan istilah entalpi dan entropi kepada tenaga bebas tindak balas bergantung pada suhu di mana tindak balas berlaku. Persamaan yang digunakan untuk mentakrifkan tenaga bebas menunjukkan bahawa istilah entropi akan menjadi lebih penting apabila suhu meningkat : ΔG° = ΔH° – TΔS°.
Sumber
- Brainard, J. (2014). Tenaga pengaktifan. Di https://www.ck12.org/
- undang-undang Arrhenian. (2020). Tenaga pengaktifan.
- Mitchell, N. (2018). Analisis Tenaga Pengaktifan Eyring Hidrolisis Anhidrida Asetik dalam Sistem Kosolvent Asetonitril.
