Fil-kimika, l-ammont minimu ta ‘enerġija meħtieġa biex jiġu attivati atomi jew molekuli għal kundizzjoni li fiha trasformazzjoni kimika jew trasport fiżiku jista’ jiġi ġġenerat jissejjaħ enerġija ta ‘attivazzjoni , Ea . Fit-teorija ta ‘l-istat ta’ tranżizzjoni, l-enerġija ta ‘attivazzjoni hija d-differenza fil-kontenut ta’ enerġija bejn atomi jew molekuli f’konfigurazzjoni ta ‘stat attiv jew ta’ tranżizzjoni u atomi jew molekuli f’konfigurazzjoni inizjali. Kważi dejjem, l-istat ta ‘reazzjoni jseħħ f’livell ta’ enerġija ogħla mill-prodotti li jirreaġixxu (reattanti). Għalhekk, l-enerġija ta ‘attivazzjoni dejjem għandha valur pożittiv. Dan il-valur pożittiv iseħħ irrispettivament minn jekk ir-reazzjoni tassorbix l-enerġija ( endergonika jewendotermika ) jew tipproduċiha ( eżergonika jew eżotermika ).
L-enerġija ta ‘attivazzjoni hija taqsira għal Ea. L-aktar unitajiet komuni ta ‘unitajiet Ea huma kilojoules għal kull mole (kJ / mol) u kilokaloriji għal kull mole (kcal / mol).
L-Ekwazzjoni ta’ Arrhenius Ea
Svante Arrhenius kien xjenzat Svediż li fl-1889 wera l-eżistenza ta ‘enerġija ta’ attivazzjoni, u żviluppa l-ekwazzjoni li ġġib ismu. L-ekwazzjoni ta ‘Arrhenius tiddeskrivi l-korrelazzjoni bejn it-temperatura u r-rata ta’ reazzjoni. Din ir-relazzjoni hija essenzjali biex tiġi kkalkulata l-veloċità tar-reazzjonijiet kimiċi u, fuq kollox, l-ammont ta ‘enerġija meħtieġa biex dawn ir-reazzjonijiet iseħħu.
Fl-ekwazzjoni ta ‘Arrhenius, K huwa l-koeffiċjent tar-rata ta’ reazzjoni (ir-rata ta ‘reazzjoni), A huwa l-fattur ta’ kemm-il darba l-molekuli jaħbtu, u e hija kostanti (bejn wieħed u ieħor ugwali għal 2.718). Min-naħa l-oħra, Ea hija l-enerġija ta ‘attivazzjoni u R hija l-kostanti tal-gass universali (unitajiet ta’ enerġija għal kull żieda fit-temperatura għal kull mole). Fl-aħħarnett, T tirrappreżenta t-temperatura assoluta, imkejla fi gradi Kelvin.
Għalhekk, l-ekwazzjoni ta’ Arrhenius hija rappreżentata bħala k= Ae^(-Ea/RT). Madankollu, bħal ħafna ekwazzjonijiet, jista ‘jiġi rranġat mill-ġdid biex jiġu kkalkulati valuri differenti. Madankollu, mhuwiex meħtieġ li tkun taf il-valur ta ‘A biex tikkalkula l-enerġija ta’ attivazzjoni (Ea), peress li dan jista ‘jiġi determinat mill-varjazzjoni tal-koeffiċjenti tar-rata ta’ reazzjoni bħala funzjoni tat-temperatura.
Sinifikat Kimiku ta ‘Ea
Il-molekuli kollha għandhom ammont żgħir ta ‘enerġija, li tista’ tkun fil-forma ta ‘enerġija kinetika jew enerġija potenzjali. Meta l-molekuli jaħbtu, l-enerġija kinetika tagħhom tista ‘tfixkel u saħansitra teqred il-bonds, li huwa dak li jiġri meta jseħħu reazzjonijiet kimiċi.
Jekk il-molekuli jimxu bil-mod, jiġifieri bi ftit enerġija kinetika, jew ma jaħbtux ma’ molekuli oħra jew l-impatti ma jiġġeneraw l-ebda reazzjoni għax huma dgħajfa. L-istess jiġri jekk il-molekuli jaħbtu ma ‘l-orjentazzjoni ħażina jew mhux xierqa. Madankollu, jekk il-molekuli qed jimxu malajr biżżejjed u fl-orjentazzjoni t-tajba, se sseħħ ħabta b’suċċess. Għalhekk, l-enerġija kinetika meta taħbat se tkun akbar mill-enerġija minima, u wara dik il-ħabta sseħħ reazzjoni. Anke reazzjonijiet eżotermiċi jeħtieġu ammont minimu ta ‘enerġija biex tibda. Dak ir-rekwiżit minimu ta ‘enerġija, kif spjegajna qabel, jissejjaħ enerġija ta’ attivazzjoni.
L-għarfien tad-dejta dwar l-enerġija ta’ attivazzjoni tas-sustanzi jimplika l-possibbiltà li nieħdu ħsieb l-ambjent tagħna. Fi kliem ieħor, jekk aħna konxji li, skont il-karatteristiċi tal-molekuli, tista ‘tiġi prodotta reazzjoni kimika, ma nistgħux inwettqu azzjonijiet li, pereżempju, jistgħu jikkawżaw nar. Pereżempju, jekk nafu li ktieb jista ‘jaqbad in-nar jekk titqiegħed xemgħa fuqu (li l-fjamma tagħha tipprovdi l-enerġija ta’ attivazzjoni), aħna noqogħdu attenti li l-fjamma tax-xemgħa ma tinfirex mal-karta tal-ktieb.
Katalisti u Enerġija ta’ Attivazzjoni
Katalizzatur iżid ir-rata ta ‘reazzjoni b’mod kemmxejn differenti minn metodi oħra użati għall-istess għan. Il-funzjoni ta ‘katalizzatur hija li tnaqqas l-enerġija ta’ attivazzjoni , sabiex proporzjon akbar ta ‘partiċelli jkollhom biżżejjed enerġija biex jirreaġixxu. Il-katalizzaturi jistgħu jbaxxu l-enerġija ta ‘attivazzjoni b’żewġ modi:
- Billi jorjentaw il-partiċelli li jirreaġixxu sabiex ikun hemm aktar ċans li jseħħu ħabtiet, jew billi tbiddel il-veloċità tal-movimenti tagħhom.
- Reazzjoni mar-reaġenti biex tifforma sustanza intermedja li teħtieġ inqas enerġija biex tifforma l-prodott.
Xi metalli, bħall-platinu, ir-ram, u l-ħadid, jistgħu jaġixxu bħala katalizzaturi f’ċerti reazzjonijiet. Fil-ġisem tagħna stess hemm enzimi li huma katalisti bijoloġiċi (bijokatalizzaturi) li jgħinu biex iħaffu r-reazzjonijiet bijokimiċi. Il-katalizzaturi ġeneralment jirreaġixxu ma ‘wieħed jew aktar mir-reaġenti biex jiffurmaw intermedju, li mbagħad jirreaġixxi biex isir il-prodott finali. Tali sustanza intermedja spiss tissejjaħ “kumpless attivat . “
Eżempju ta’ reazzjoni li tinvolvi katalizzatur
Dan li ġej huwa eżempju teoretiku ta’ kif tista’ tipproċedi reazzjoni li tinvolvi katalizzatur. A u B huma reattivi, C huwa l-katalizzatur, u D huwa l-prodott tar-reazzjoni bejn A u B.
L-ewwel pass (reazzjoni 1): A+C → AC It-
tieni pass (reazzjoni 2): B+AC → ACB
It-tielet pass (reazzjoni 3): ACB → C+D
ACB tfisser Chemical Intermediate. Għalkemm il-katalizzatur (C) jiġi kkunsmat fir-reazzjoni 1, aktar tard jerġa’ jiġi rilaxxat fir-reazzjoni 3, għalhekk ir-reazzjoni ġenerali b’katalizzatur hija: A+B+C → D+C
Minn dan jirriżulta li l-katalizzatur jiġi rilaxxat fl-aħħar tar-reazzjoni, kompletament mhux mibdul. Mingħajr ma jittieħed kont tal-katalizzatur, ir-reazzjoni ġenerali tkun miktuba: A+B → D
F’dan l-eżempju, il-katalizzatur ipprovda sett ta ‘passi ta’ reazzjoni li nistgħu nsejħu “mogħdija ta ‘reazzjoni alternattiva.” Din il-mogħdija li fiha jintervjeni l-katalizzatur teħtieġ inqas enerġija ta ‘attivazzjoni u għalhekk hija aktar mgħaġġla u aktar effiċjenti.
L-ekwazzjoni ta’ Arrhenius u l-ekwazzjoni ta’ Eyring
Jistgħu jintużaw żewġ ekwazzjonijiet biex jiddeskrivu kif ir-rata tar-reazzjonijiet tiżdied mat-temperatura. L-ewwel, l-ekwazzjoni ta ‘Arrhenius tiddeskrivi d-dipendenza tar-rati ta’ reazzjoni fuq it-temperatura. Min-naħa l-oħra, hemm l-ekwazzjoni Eyring, proposta mill-imsemmi riċerkatur fl-1935; l-ekwazzjoni tiegħu hija bbażata fuq it-teorija tal-istat ta ‘tranżizzjoni u tintuża biex tiddeskrivi r-relazzjoni bejn ir-rata ta’ reazzjoni u t-temperatura. L-ekwazzjoni hija:
k= ( kB T /h) exp(-ΔG ‡ /RT).
Madankollu, filwaqt li l-ekwazzjoni Arrhenius tispjega d-dipendenza bejn it-temperatura u r-rata ta ‘reazzjoni fenomenoloġikament, l-ekwazzjoni Eyring tinforma dwar il-passi elementari individwali ta’ reazzjoni.
Min-naħa l-oħra, l-ekwazzjoni ta’ Arrhenius tista’ tiġi applikata biss għall-enerġija kinetika fil-fażi tal-gass, filwaqt li l-ekwazzjoni Eyring hija utli fl-istudju tar-reazzjonijiet kemm fil-fażi tal-gass kif ukoll fil-fażijiet kondensati u mħallta (fażijiet li m’għandhom l-ebda rilevanza fil-fażi tal-gass).il-mudell tal-ħabta). Bl-istess mod, l-ekwazzjoni ta ‘Arrhenius hija bbażata fuq l-osservazzjoni empirika li r-rata ta’ reazzjonijiet tiżdied mat-temperatura. Minflok l-ekwazzjoni Eyring hija kostruzzjoni teoretika bbażata fuq il-mudell tal-istat ta ‘tranżizzjoni.
Prinċipji tat-teorija tal-istat ta’ tranżizzjoni:
- Hemm ekwilibriju termodinamiku bejn l-istat ta ‘tranżizzjoni u l-istat tar-reaġenti fil-quċċata tal-barriera tal-enerġija.
- Ir-rata ta ‘reazzjoni kimika hija proporzjonali għall-konċentrazzjoni tal-partiċelli fl-istat ta’ transizzjoni ta ‘enerġija għolja.
Relazzjoni bejn l-enerġija ta ‘attivazzjoni u l-enerġija ta’ Gibbs
Għalkemm ir-rata ta ‘reazzjoni hija deskritta wkoll fl-ekwazzjoni Eyring, b’din l-ekwazzjoni minflok tuża l-enerġija ta’ attivazzjoni, l-enerġija Gibbs (ΔG ‡ ) tal-istat ta ‘tranżizzjoni hija inkluża.
Peress li l-enerġija kinetika tal-molekuli li jaħbtu (jiġifieri dawk b’enerġija suffiċjenti u orjentazzjoni xierqa) hija trasformata f’enerġija potenzjali, l-istat enerġetiku tal-kumpless attivat huwa kkaratterizzat minn enerġija Gibbs molari pożittiva. L-enerġija Gibbs, oriġinarjament imsejħa “enerġija disponibbli,” ġiet skoperta fl-1870 minn Josiah Willard Gibbs. Din l-enerġija tissejjaħ ukoll l-enerġija ħielsa standard ta ‘attivazzjoni .
L-enerġija ħielsa Gibbs ta’ sistema fi kwalunkwe mument hija definita bħala l-entalpija tas-sistema nieqes il-prodott tat-temperatura darbiet l-entropija tas-sistema:
G=H-TS.
H hija l-entalpija, T hija t-temperatura, u S hija l-entropija. Din l-ekwazzjoni li tiddefinixxi l-enerġija ħielsa ta ‘sistema hija kapaċi li tiddetermina l-importanza relattiva ta’ entalpija u entropy bħala forzi li jmexxu reazzjoni speċifika. Issa, il-bilanċ bejn il-kontribuzzjonijiet tat-termini tal-entalpija u tal-entropija għall-enerġija ħielsa ta ‘reazzjoni jiddependi mit-temperatura li fiha sseħħ ir-reazzjoni. L-ekwazzjoni użata biex tiddefinixxi l-enerġija ħielsa tissuġġerixxi li t-terminu entropy se jsir aktar importanti hekk kif tiżdied it-temperatura : ΔG° = ΔH° – TΔS°.
Sorsi
- Brainard, J. (2014). Enerġija ta ‘attivazzjoni. Fuq https://www.ck12.org/
- Liġi Arrhenjana. (2020). Enerġiji ta ‘attivazzjoni.
- Mitchell, N. (2018). Analiżi ta ‘l-Enerġija ta’ Attivazzjoni ta ‘Eyring ta’ Idroliżi ta ‘Acetic Anhydride f’Sistemi ta’ Kosolvent ta ‘Acetonitrile.
