В химии минимальное количество энергии, необходимое для активации атомов или молекул до состояния, при котором может произойти химическое превращение или физический перенос, называется энергией активации , Ea . В теории переходного состояния энергия активации представляет собой разницу в содержании энергии между атомами или молекулами в конфигурации активного или переходного состояния и атомами или молекулами в исходной конфигурации. Практически всегда состояние реакции протекает на более высоком энергетическом уровне, чем продукты реакции (реагенты). Поэтому энергия активации всегда имеет положительное значение. Это положительное значение имеет место независимо от того, поглощает ли реакция энергию ( эндергоническую илиэндотермический ) или производит его ( экзэргонический или экзотермический ).
Энергия активации — это сокращение от Ea. Наиболее распространенными единицами измерения Ea являются килоджоули на моль (кДж/моль) и килокалории на моль (ккал/моль).
Уравнение Аррениуса Ea
Сванте Аррениус был шведским ученым, который в 1889 году продемонстрировал существование энергии активации, разработав уравнение, носящее его имя. Уравнение Аррениуса описывает корреляцию между температурой и скоростью реакции. Это соотношение необходимо для расчета скорости химических реакций и, прежде всего, количества энергии, необходимой для этих реакций.
В уравнении Аррениуса К — коэффициент скорости реакции (скорость реакции), А — коэффициент частоты столкновения молекул, е — константа (примерно равная 2,718). С другой стороны, Ea — это энергия активации, а R — универсальная газовая постоянная (единицы энергии на повышение температуры на моль). Наконец, T представляет собой абсолютную температуру, измеренную в градусах Кельвина.
Таким образом, уравнение Аррениуса представляется в виде k = Ae^(-Ea/RT). Однако, как и многие уравнения, его можно изменить для расчета других значений. Однако для расчета энергии активации (Еа) знать величину А необязательно, так как ее можно определить по изменению коэффициентов скорости реакции в зависимости от температуры.
Химическое значение Ea
Все молекулы имеют небольшое количество энергии, которая может быть в форме кинетической энергии или потенциальной энергии. Когда молекулы сталкиваются, их кинетическая энергия может нарушить и даже разрушить связи, что и происходит, когда происходят химические реакции.
Если молекулы движутся медленно, то есть с малой кинетической энергией, то либо они не сталкиваются с другими молекулами, либо удары не вызывают никакой реакции, потому что они слабы. То же самое происходит, если молекулы сталкиваются с неправильной или неправильной ориентацией. Однако если молекулы движутся достаточно быстро и в правильной ориентации, произойдет успешное столкновение. Таким образом, кинетическая энергия при столкновении будет больше минимальной энергии, и после этого столкновения произойдет реакция. Даже экзотермические реакции требуют минимального количества энергии для запуска. Эта минимальная потребность в энергии, как мы объясняли ранее, называется энергией активации.
Знание данных об энергии активации веществ предполагает возможность заботы об окружающей среде. Другими словами, если бы мы знали, что в зависимости от характеристик молекул может происходить химическая реакция, мы не могли бы совершать действия, которые, например, могли бы вызвать пожар. Например, зная, что книга может загореться, если положить на нее свечу (пламя которой будет обеспечивать энергию активации), мы будем осторожны, чтобы пламя свечи не распространилось на бумагу книги.
Катализаторы и энергия активации
Катализатор увеличивает скорость реакции несколько иначе, чем другие методы, используемые для той же цели. Функция катализатора заключается в снижении энергии активации , чтобы большая часть частиц имела достаточно энергии для реакции. Катализаторы могут снижать энергию активации двумя способами:
- Ориентируя реагирующие частицы так, чтобы столкновения были более вероятными, или изменяя скорость их движения.
- Реагирование с реагентами с образованием промежуточного вещества, которое требует меньше энергии для образования продукта.
Некоторые металлы, такие как платина, медь и железо, могут действовать как катализаторы в определенных реакциях. В нашем собственном организме есть ферменты, которые являются биологическими катализаторами (биокатализаторами), помогающими ускорить биохимические реакции. Катализаторы обычно реагируют с одним или несколькими реагентами с образованием промежуточного продукта, который затем превращается в конечный продукт. Такое промежуточное вещество часто называют «активированным комплексом » .
Пример реакции с участием катализатора
Ниже приведен теоретический пример того, как может протекать реакция с участием катализатора. А и В — реагенты, С — катализатор, D — продукт реакции между А и В.
Первая стадия (реакция 1): A+C → AC
Вторая стадия (реакция 2): B+AC → ACB
Третья стадия (реакция 3): ACB → C+D
ACB означает химический промежуточный продукт. Хотя катализатор (C) расходуется в реакции 1, позже он снова высвобождается в реакции 3, поэтому общая реакция с катализатором выглядит следующим образом: A+B+C → D+C.
Отсюда следует, что катализатор высвобождается в конце реакции совершенно в неизмененном виде. Без учета катализатора общая реакция будет записана: A + B → D.
В этом примере катализатор обеспечил набор стадий реакции, которые мы можем назвать «альтернативным путем реакции». Этот путь, в котором вмешивается катализатор, требует меньше энергии активации и, следовательно, является более быстрым и эффективным.
Уравнение Аррениуса и уравнение Эйринга
Два уравнения могут быть использованы для описания того, как скорость реакций увеличивается с температурой. Во-первых, уравнение Аррениуса описывает зависимость скорости реакции от температуры. С другой стороны, есть уравнение Эйринга, предложенное указанным исследователем в 1935 г.; его уравнение основано на теории переходного состояния и используется для описания взаимосвязи между скоростью реакции и температурой. Уравнение:
k= ( kB T /h) exp(-∆G ‡ /RT).
Однако если уравнение Аррениуса феноменологически объясняет зависимость между температурой и скоростью реакции, то уравнение Эйринга дает информацию об отдельных элементарных стадиях реакции.
С другой стороны, уравнение Аррениуса можно применять только к кинетической энергии в газовой фазе, тогда как уравнение Эйринга полезно при изучении реакций как в газовой фазе, так и в конденсированной и смешанной фазах (фазах, не имеющих значения). в газовой фазе (модель столкновения). Точно так же уравнение Аррениуса основано на эмпирическом наблюдении, что скорость реакций увеличивается с температурой. Вместо этого уравнение Эйринга представляет собой теоретическую конструкцию, основанную на модели переходного состояния.
Принципы теории переходного состояния:
- Существует термодинамическое равновесие между переходным состоянием и состоянием реагентов на вершине энергетического барьера.
- Скорость химической реакции пропорциональна концентрации частиц в высокоэнергетическом переходном состоянии.
Связь между энергией активации и энергией Гиббса
Хотя скорость реакции также описывается уравнением Эйринга, в это уравнение вместо энергии активации включена энергия Гиббса (ΔG ‡ ) переходного состояния.
Поскольку кинетическая энергия сталкивающихся молекул (т.е. имеющих достаточную энергию и правильную ориентацию) переходит в потенциальную энергию, энергетическое состояние активированного комплекса характеризуется положительной молярной энергией Гиббса. Энергия Гиббса, первоначально называемая «доступной энергией», была открыта в 1870 году Джосайей Уиллардом Гиббсом. Эту энергию также называют стандартной свободной энергией активации .
Свободная энергия Гиббса системы в любой момент определяется как энтальпия системы за вычетом произведения температуры на энтропию системы:
Г=Н-ТС.
H — энтальпия, T — температура, S — энтропия. Это уравнение, определяющее свободную энергию системы, способно определить относительную важность энтальпии и энтропии как движущих сил конкретной реакции. Теперь баланс между вкладами энтальпийного и энтропийного членов в свободную энергию реакции зависит от температуры, при которой протекает реакция. Уравнение, используемое для определения свободной энергии, предполагает, что энтропийный член будет становиться более важным по мере повышения температуры : ΔG° = ΔH° – TΔS°.
Источники
- Брейнард, Дж. (2014). Энергия активации. На https://www.ck12.org/
- Арренский закон. (2020). Энергии активации.
- Митчелл, Н. (2018). Анализ энергии активации Эйринга гидролиза уксусного ангидрида в системах ацетонитрила-сорастворителя.
