रसायनशास्त्रमा, परमाणुहरू वा अणुहरूलाई सक्रिय गर्न आवश्यक पर्ने न्यूनतम मात्रामा रासायनिक रूपान्तरण वा भौतिक यातायात उत्पन्न गर्न सकिने अवस्थालाई सक्रियता ऊर्जा , Ea भनिन्छ। संक्रमण अवस्थाको सिद्धान्तमा, सक्रियता ऊर्जा भनेको सक्रिय वा संक्रमण अवस्था कन्फिगरेसनमा परमाणु वा अणुहरू र प्रारम्भिक कन्फिगरेसनमा परमाणुहरू वा अणुहरू बीचको ऊर्जा सामग्रीमा भिन्नता हो। लगभग सधैं, प्रतिक्रिया को स्थिति प्रतिक्रिया उत्पादनहरु (reactants) भन्दा उच्च ऊर्जा स्तर मा हुन्छ। त्यसैले, सक्रियता ऊर्जा सधैं सकारात्मक मूल्य छ। यो सकारात्मक मान प्रतिक्रियाले ऊर्जा अवशोषित गर्छ ( एन्डरगोनिक वाendothermic ) वा यसलाई उत्पादन गर्दछ ( exergonic वा exothermic )।
सक्रियता ऊर्जा Ea को लागि लघुलेख हो । Ea एकाइहरूको सबैभन्दा सामान्य एकाइहरू किलोजुल प्रति मोल (kJ/mol) र किलोकैलोरी प्रति मोल (kcal/mol) हुन्।
Arrhenius Ea समीकरण
Svante Arrhenius एक स्विडेनी वैज्ञानिक थिए जसले 1889 मा सक्रियता ऊर्जा को अस्तित्व को प्रदर्शन गरे, उनको नाम को समीकरण को विकास। Arrhenius समीकरण तापमान र प्रतिक्रिया दर बीचको सम्बन्ध वर्णन गर्दछ। यो सम्बन्ध रासायनिक प्रतिक्रियाहरूको गति गणना गर्न आवश्यक छ र, सबै भन्दा माथि, यी प्रतिक्रियाहरू हुनको लागि आवश्यक ऊर्जाको मात्रा।
Arrhenius समीकरणमा, K प्रतिक्रिया दर गुणांक हो (प्रतिक्रिया दर), A अणुहरू कति पटक टकराउँछन् भन्ने कारक हो, र e एक स्थिर (लगभग 2.718 बराबर) हो। अर्कोतर्फ, Ea सक्रियता ऊर्जा हो र R विश्वव्यापी ग्याँस स्थिर (ऊर्जा एकाइहरू प्रति तापमान वृद्धि प्रति मोल) हो। अन्तमा, T ले पूर्ण तापमान को प्रतिनिधित्व गर्दछ, डिग्री केल्भिन मा मापन।
यसरी, Arrhenius समीकरण k = Ae^(-Ea/RT) को रूपमा प्रतिनिधित्व गरिएको छ। यद्यपि, धेरै समीकरणहरू जस्तै, यसलाई विभिन्न मानहरू गणना गर्न पुन: व्यवस्थित गर्न सकिन्छ। यद्यपि, सक्रियता ऊर्जा (Ea) को गणना गर्न A को मान जान्न आवश्यक छैन, किनकि यो तापक्रमको प्रकार्यको रूपमा प्रतिक्रिया दर गुणांकहरूको भिन्नताबाट निर्धारण गर्न सकिन्छ।
Ea को रासायनिक महत्व
सबै अणुहरूमा थोरै मात्रामा ऊर्जा हुन्छ, जुन गतिज ऊर्जा वा सम्भावित ऊर्जाको रूपमा हुन सक्छ। जब अणुहरू टकराउँछन्, तिनीहरूको गतिज ऊर्जाले बाधा पुर्याउन सक्छ र बन्धनहरूलाई पनि नष्ट गर्न सक्छ, जुन के हुन्छ जब रासायनिक प्रतिक्रियाहरू हुन्छन्।
यदि अणुहरू बिस्तारै सर्छन्, अर्थात् थोरै गतिज ऊर्जाको साथमा, कि त तिनीहरू अन्य अणुहरूसँग टक्कर गर्दैनन् वा तिनीहरू कमजोर भएकाले प्रभावहरूले कुनै प्रतिक्रिया उत्पन्न गर्दैनन्। यदि अणुहरू गलत वा अनुचित अभिविन्याससँग टकराएमा त्यस्तै हुन्छ। यद्यपि, यदि अणुहरू पर्याप्त छिटो र सही अभिमुखीकरणमा चलिरहेका छन् भने, सफल टक्कर हुनेछ। यसरी, टक्कर गर्दा गतिज ऊर्जा न्यूनतम ऊर्जा भन्दा ठूलो हुनेछ, र त्यो टक्कर पछि प्रतिक्रिया हुनेछ। एक्सोथर्मिक प्रतिक्रियाहरूलाई पनि सुरु गर्न न्यूनतम ऊर्जा चाहिन्छ। त्यो न्यूनतम ऊर्जा आवश्यकता, जसरी हामीले पहिले व्याख्या गरिसकेका छौं, सक्रियता ऊर्जा भनिन्छ।
पदार्थहरूको सक्रियता ऊर्जाको बारेमा डाटाको ज्ञानले हाम्रो वातावरणको हेरचाह गर्ने सम्भावनालाई संकेत गर्दछ। अर्को शब्दमा, यदि हामी सचेत छौं कि, अणुहरूको विशेषताहरूको आधारमा, रासायनिक प्रतिक्रिया उत्पादन गर्न सकिन्छ, हामीले कार्यहरू गर्न सक्दैनौं, उदाहरणका लागि, आगो निम्त्याउन सक्छ। उदाहरणका लागि, यदि एउटा मैनबत्तीको माथि राखिएको छ भने पुस्तकले आगो समात्न सक्छ भन्ने थाहा पाएर (जसको ज्वालाले सक्रियता ऊर्जा प्रदान गर्दछ), हामी मैनबत्तीको ज्वाला पुस्तकको कागजमा नफैलियोस् भनेर सावधान हुनेछौं।
उत्प्रेरक र सक्रियता ऊर्जा
उत्प्रेरकले उही उद्देश्यका लागि प्रयोग गरिएका अन्य विधिहरू भन्दा थोरै फरक तरिकामा प्रतिक्रियाको दर बढाउँछ। उत्प्रेरकको कार्य सक्रियता ऊर्जालाई कम गर्नु हो , ताकि कणहरूको ठूलो अनुपातमा प्रतिक्रिया गर्न पर्याप्त ऊर्जा हुन्छ। उत्प्रेरकहरूले सक्रियता ऊर्जालाई दुई तरिकामा कम गर्न सक्छन्:
- प्रतिक्रिया गर्ने कणहरूलाई अभिमुखीकरण गरेर ताकि टक्करहरू हुने सम्भावना बढी हुन्छ, वा तिनीहरूको चालको गति परिवर्तन गरेर।
- एक मध्यवर्ती पदार्थ बनाउन रिएक्टेन्टहरूसँग प्रतिक्रिया गर्दै उत्पादन बनाउनको लागि कम ऊर्जा चाहिन्छ।
केही धातुहरू, जस्तै प्लेटिनम, तामा, र फलाम, निश्चित प्रतिक्रियाहरूमा उत्प्रेरकको रूपमा काम गर्न सक्छन्। हाम्रो आफ्नै शरीरमा जैविक उत्प्रेरकहरू (बायोकाटालिस्ट्स) इन्जाइमहरू हुन्छन् जसले जैव रासायनिक प्रतिक्रियाहरूलाई गति दिन मद्दत गर्दछ। उत्प्रेरकहरूले सामान्यतया एक वा बढी रिएक्टेन्टहरूसँग एक मध्यवर्ती बनाउन प्रतिक्रिया गर्छन्, जुन त्यसपछि अन्तिम उत्पादन बन्न प्रतिक्रिया गर्दछ। यस्तो मध्यवर्ती पदार्थलाई प्रायः “सक्रिय जटिल ” भनिन्छ ।
एक उत्प्रेरक समावेश प्रतिक्रिया को उदाहरण
उत्प्रेरक सम्मिलित प्रतिक्रिया कसरी अगाडि बढ्न सक्छ भन्ने बारे निम्न सैद्धान्तिक उदाहरण हो। A र B रिएक्टेन्टहरू हुन्, C उत्प्रेरक हो, र D A र B बीचको प्रतिक्रियाको उत्पादन हो।
पहिलो चरण (प्रतिक्रिया १): A+C → AC
दोस्रो चरण (प्रतिक्रिया २): B+AC → ACB
तेस्रो चरण (प्रतिक्रिया ३): ACB → C+D
ACB भनेको केमिकल मध्यवर्ती हो। यद्यपि उत्प्रेरक (C) प्रतिक्रिया 1 मा खपत हुन्छ, यो पछि प्रतिक्रिया 3 मा पुन: रिलीज हुन्छ, त्यसैले उत्प्रेरकको साथ समग्र प्रतिक्रिया हो: A+B+C → D+C
यसबाट यो पछ्याउँछ कि उत्प्रेरक प्रतिक्रियाको अन्त्यमा जारी गरिएको छ, पूर्ण रूपमा अपरिवर्तित। उत्प्रेरकलाई ध्यानमा नराखी, समग्र प्रतिक्रिया लेखिनेछ: A+B → D
यस उदाहरणमा, उत्प्रेरकले प्रतिक्रिया चरणहरूको सेट प्रदान गरेको छ जसलाई हामी “वैकल्पिक प्रतिक्रिया मार्ग” भन्न सक्छौं। यो मार्ग जसमा उत्प्रेरकले हस्तक्षेप गर्दछ कम सक्रियता ऊर्जा चाहिन्छ र त्यसैले छिटो र अधिक कुशल छ।
Arrhenius समीकरण र Eyring समीकरण
तापक्रमसँगै प्रतिक्रियाहरूको दर कसरी बढ्छ भनेर वर्णन गर्न दुई समीकरणहरू प्रयोग गर्न सकिन्छ। पहिलो, Arrhenius समीकरण तापमान मा प्रतिक्रिया दर को निर्भरता को वर्णन गर्दछ। अर्कोतर्फ, सन् १९३५ मा उक्त शोधकर्ताले प्रस्ताव गरेको आइरिङ समीकरण छ; यसको समीकरण संक्रमण अवस्था सिद्धान्तमा आधारित छ र प्रतिक्रिया दर र तापमान बीचको सम्बन्ध वर्णन गर्न प्रयोग गरिन्छ। समीकरण हो:
k = ( kB T /h) exp(-ΔG ‡ /RT)।
यद्यपि, जब आर्रेनियस समीकरणले तापक्रम र प्रतिक्रिया दर बीचको निर्भरता घटनात्मक रूपमा व्याख्या गर्दछ, इयरिङ समीकरणले प्रतिक्रियाको व्यक्तिगत प्राथमिक चरणहरूको बारेमा जानकारी दिन्छ।
अर्कोतर्फ, एरेनियस समीकरणलाई ग्यास चरणमा गतिज ऊर्जामा मात्र लागू गर्न सकिन्छ, जबकि आइरिङ समीकरण ग्यास चरण र संकुचित र मिश्रित चरणहरूमा प्रतिक्रियाहरूको अध्ययनमा उपयोगी छ (कुनै सान्दर्भिक नभएका चरणहरू। ग्यास चरणमा) टक्कर मोडेल)। त्यस्तै, आर्रेनियस समीकरण अनुभवजन्य अवलोकनमा आधारित छ कि प्रतिक्रियाको दर तापक्रमसँगै बढ्छ। यसको सट्टा इयरिङ समीकरण भनेको ट्रान्जिसन स्टेट मोडेलमा आधारित सैद्धान्तिक निर्माण हो।
संक्रमण राज्य सिद्धान्त को सिद्धान्त:
- त्यहाँ संक्रमण अवस्था र ऊर्जा अवरोध को शीर्ष मा reactants को राज्य बीच एक थर्मोडायनामिक सन्तुलन छ।
- रासायनिक प्रतिक्रिया दर उच्च ऊर्जा संक्रमण अवस्था मा कण को एकाग्रता को समानुपातिक छ।
सक्रियता ऊर्जा र गिब्स ऊर्जा बीचको सम्बन्ध
यद्यपि प्रतिक्रियाको दरलाई आइरिङ समीकरणमा पनि वर्णन गरिएको छ, सक्रियता ऊर्जा प्रयोग गर्नुको सट्टा यस समीकरणको साथ, संक्रमण अवस्थाको गिब्स ऊर्जा (ΔG ‡ ) समावेश गरिएको छ।
टक्कर हुने अणुहरूको गतिज ऊर्जा (जस्तै पर्याप्त ऊर्जा र उचित अभिमुखीकरण भएकाहरू) सम्भावित ऊर्जामा रूपान्तरण भएको हुनाले, सक्रिय कम्प्लेक्सको ऊर्जावान अवस्थालाई सकारात्मक मोलर गिब्स ऊर्जाद्वारा विशेषता गरिन्छ। गिब्स ऊर्जा, मूल रूपमा “उपलब्ध ऊर्जा” भनिन्छ, 1870 मा जोसियाह विलार्ड गिब्स द्वारा पत्ता लगाइएको थियो। यो ऊर्जालाई सक्रियताको मानक मुक्त ऊर्जा पनि भनिन्छ ।
कुनै पनि क्षणमा प्रणालीको गिब्स मुक्त ऊर्जालाई प्रणालीको एन्थाल्पीको रूपमा परिभाषित गरिएको छ तापक्रमको गुणन प्रणालीको एन्ट्रोपीको गुणन:
G=H-TS।
H एन्थाल्पी हो, T तापमान हो, र S एन्ट्रोपी हो। प्रणालीको मुक्त ऊर्जालाई परिभाषित गर्ने यो समीकरणले विशिष्ट प्रतिक्रियाको चालक शक्तिको रूपमा एन्थाल्पी र एन्ट्रोपीको सापेक्ष महत्त्व निर्धारण गर्न सक्षम छ। अब, प्रतिक्रियाको मुक्त ऊर्जामा एन्थाल्पी र एन्ट्रोपी सर्तहरूको योगदान बीचको सन्तुलन प्रतिक्रिया हुने तापक्रममा निर्भर गर्दछ। मुक्त ऊर्जा परिभाषित गर्न प्रयोग गरिएको समीकरणले तापमान बढ्दै जाँदा एन्ट्रोपी शब्द अझ महत्त्वपूर्ण हुनेछ : ΔG° = ΔH° – TΔS°।
स्रोतहरू
- Brainard, जे (2014)। सक्रियता ऊर्जा। https://www.ck12.org/ मा
- अर्रेनियन कानून। (२०२०)। सक्रियता ऊर्जा।
- मिचेल, एन (२०१८)। Acetonitrile Cosolvent Systems मा एसिटिक एनहाइड्राइड हाइड्रोलाइसिसको आईरिङ सक्रियता ऊर्जा विश्लेषण।
