Katika kemia, kiwango cha chini cha nishati kinachohitajika kuwezesha atomi au molekuli kwa hali ambayo mageuzi ya kemikali au usafiri wa kimwili unaweza kuzalishwa huitwa uanzishaji nishati , Ea . Katika nadharia ya hali ya mpito, nishati ya kuwezesha ni tofauti ya maudhui ya nishati kati ya atomi au molekuli katika usanidi amilifu au wa mpito na atomi au molekuli katika usanidi wa awali. Karibu kila mara, hali ya mmenyuko hutokea kwa kiwango cha juu cha nishati kuliko bidhaa za kukabiliana (reactants). Kwa hiyo, nishati ya uanzishaji daima ina thamani nzuri. Thamani hii chanya hutokea bila kujali kama majibu huchukua nishati ( endergonic auendothermic ) au huizalisha ( exergonic au exothermic ).
Nishati ya uanzishaji ni fupi kwa Ea. Vitengo vya kawaida vya vitengo vya Ea ni kilojuli kwa mole (kJ/mol) na kilocalories kwa mole (kcal/mol).
Arrhenius Ea Equation
Svante Arrhenius alikuwa mwanasayansi wa Uswidi ambaye mwaka wa 1889 alionyesha kuwepo kwa nishati ya uanzishaji, akiendeleza equation inayoitwa jina lake. Mlinganyo wa Arrhenius unaeleza uwiano kati ya halijoto na kasi ya mmenyuko. Uhusiano huu ni muhimu ili kuhesabu kasi ya athari za kemikali na, juu ya yote, kiasi cha nishati kinachohitajika ili athari hizi zifanyike.
Katika mlinganyo wa Arrhenius, K ni mgawo wa kasi ya mmenyuko (kiwango cha majibu), A ni kipengele cha mara ngapi molekuli hugongana, na e ni thabiti (takriban sawa na 2.718). Kwa upande mwingine, Ea ni nishati ya kuwezesha na R ni gesi ya mara kwa mara ya ulimwengu wote (vitengo vya nishati kwa ongezeko la joto kwa mole). Hatimaye, T inawakilisha halijoto kamili, inayopimwa kwa digrii Kelvin.
Kwa hivyo, mlinganyo wa Arrhenius unawakilishwa kama k= Ae^(-Ea/RT). Walakini, kama milinganyo mingi, inaweza kupangwa upya ili kukokotoa thamani tofauti. Hata hivyo, si lazima kujua thamani ya A ili kukokotoa nishati ya kuwezesha (Ea), kwa kuwa hii inaweza kubainishwa kutokana na utofauti wa mgawo wa kiwango cha majibu kama kipengele cha halijoto.
Umuhimu wa Kemikali wa Ea
Molekuli zote zina kiasi kidogo cha nishati, ambacho kinaweza kuwa katika mfumo wa nishati ya kinetic au nishati inayowezekana. Molekuli zinapogongana, nishati yao ya kinetiki inaweza kuvuruga na hata kuharibu vifungo, jambo ambalo hutokea wakati athari za kemikali hutokea.
Ikiwa molekuli zinasonga polepole, yaani, zikiwa na nishati kidogo ya kinetiki, ama hazigongani na molekuli nyingine au athari hazitoi athari yoyote kwa sababu ni dhaifu. Vile vile hufanyika ikiwa molekuli zinagongana na mwelekeo mbaya au usiofaa. Hata hivyo, ikiwa molekuli zinakwenda kwa kasi ya kutosha na katika mwelekeo sahihi, mgongano wa mafanikio utatokea. Kwa hivyo, nishati ya kinetic wakati wa kugongana itakuwa kubwa kuliko nishati ya chini, na baada ya mgongano huo mmenyuko utafanyika. Hata athari za joto zinahitaji kiwango kidogo cha nishati ili kuanza. Mahitaji hayo ya chini ya nishati, kama tulivyoeleza hapo awali, inaitwa nishati ya uanzishaji.
Ujuzi wa data kuhusu nishati ya uanzishaji wa vitu inamaanisha uwezekano wa kutunza mazingira yetu. Kwa maneno mengine, ikiwa tunafahamu kwamba, kulingana na sifa za molekuli, mmenyuko wa kemikali unaweza kuzalishwa, hatukuweza kufanya vitendo ambavyo, kwa mfano, vinaweza kusababisha moto. Kwa mfano, tukijua kwamba kitabu kinaweza kuwaka moto ikiwa mshumaa umewekwa juu yake (ambaye moto wake utatoa nishati ya uanzishaji), tutakuwa waangalifu kwamba moto wa mshumaa hauenezi kwenye karatasi ya kitabu.
Vichocheo na Nishati ya Uamilisho
Kichocheo huongeza kasi ya athari kwa njia tofauti kidogo kuliko njia zingine zinazotumiwa kwa madhumuni sawa. Kazi ya kichocheo ni kupunguza nishati ya kuwezesha , ili sehemu kubwa ya chembe iwe na nishati ya kutosha kuitikia. Vichocheo vinaweza kupunguza nishati ya kuwezesha kwa njia mbili:
- Kwa kuelekeza chembe zinazoitikia ili migongano iwe na uwezekano mkubwa wa kutokea, au kwa kubadilisha kasi ya harakati zao.
- Hujibu pamoja na viitikio kuunda dutu ya kati ambayo inahitaji nishati kidogo kuunda bidhaa.
Baadhi ya metali, kama vile platinamu, shaba, na chuma, zinaweza kufanya kama vichocheo katika athari fulani. Katika mwili wetu wenyewe kuna enzymes ambazo ni vichocheo vya kibiolojia (biocatalysts) ambayo husaidia kuongeza kasi ya athari za biochemical. Vichochezi kwa ujumla huitikia kiitikio kimoja au zaidi ili kuunda cha kati, ambacho humenyuka na kuwa bidhaa ya mwisho. Dutu kama hiyo ya kati mara nyingi hujulikana kama “changamano iliyoamilishwa . “
Mfano wa mwitikio unaohusisha kichocheo
Ufuatao ni mfano wa kinadharia wa jinsi mwitikio unaohusisha kichocheo unaweza kuendelea. A na B ni viitikio, C ni kichocheo, na D ni zao la majibu kati ya A na B.
Hatua ya kwanza (mwitikio wa 1): A+C → AC
Hatua ya pili (majibu ya 2): B+AC → ACB
Hatua ya tatu (majibu 3): ACB → C+D
ACB inasimama kwa Kemikali ya Kati. Ingawa kichocheo (C) hutumiwa katika mmenyuko 1, baadaye hutolewa tena katika mmenyuko wa 3, kwa hivyo majibu ya jumla na kichocheo ni: A+B+C → D+C.
Kutoka kwa hii inafuata kwamba kichocheo kinatolewa mwishoni mwa majibu, bila kubadilika kabisa. Bila kuzingatia kichocheo, majibu ya jumla yangeandikwa: A+B → D
Katika mfano huu, kichocheo kimetoa seti ya hatua za majibu ambazo tunaweza kuziita “njia ya majibu mbadala.” Njia hii ambayo kichocheo huingilia kati inahitaji nishati kidogo ya kuwezesha na kwa hiyo ni ya haraka na yenye ufanisi zaidi.
Mlinganyo wa Arrhenius na mlinganyo wa Eyring
Milinganyo miwili inaweza kutumika kuelezea jinsi kasi ya athari huongezeka kulingana na halijoto. Kwanza, equation ya Arrhenius inaelezea utegemezi wa viwango vya mmenyuko kwenye joto. Kwa upande mwingine, kuna mlinganyo wa Eyring, uliopendekezwa na mtafiti alisema mwaka wa 1935; mlinganyo wake unatokana na nadharia ya hali ya mpito na hutumiwa kuelezea uhusiano kati ya kiwango cha mmenyuko na halijoto. Equation ni:
k= ( kB T /h) exp(-ΔG ‡ /RT).
Hata hivyo, wakati mlinganyo wa Arrhenius unaelezea utegemezi kati ya halijoto na kasi ya mmenyuko kifani, mlinganyo wa Eyring hufahamisha kuhusu hatua za kimsingi za maitikio.
Kwa upande mwingine, mlinganyo wa Arrhenius unaweza kutumika tu kwa nishati ya kinetic katika awamu ya gesi, wakati mlinganyo wa Eyring ni muhimu katika utafiti wa athari katika awamu ya gesi na katika awamu zilizofupishwa na mchanganyiko (awamu ambazo hazina umuhimu wowote. katika awamu ya gesi). mtindo wa mgongano). Kadhalika, mlinganyo wa Arrhenius unatokana na uchunguzi wa kimatibabu kwamba kasi ya athari huongezeka kulingana na halijoto. Badala yake mlinganyo wa Eyring ni ujenzi wa kinadharia kulingana na modeli ya hali ya mpito.
Kanuni za nadharia ya hali ya mpito:
- Kuna usawa wa thermodynamic kati ya hali ya mpito na hali ya viitikio juu ya kizuizi cha nishati.
- Kiwango cha mmenyuko wa kemikali ni sawia na mkusanyiko wa chembe katika hali ya juu ya mpito wa nishati.
Uhusiano kati ya nishati ya uanzishaji na nishati ya Gibbs
Ingawa kasi ya athari pia imefafanuliwa katika mlingano wa Eyring, pamoja na mlingano huu badala ya kutumia nishati ya kuwezesha, nishati ya Gibbs (ΔG ‡ ) ya hali ya mpito imejumuishwa.
Kwa kuwa nishati ya kinetic ya molekuli zinazogongana (yaani zile zilizo na nishati ya kutosha na mwelekeo unaofaa) hubadilishwa kuwa nishati inayoweza kutokea, hali ya nishati ya changamano iliyoamilishwa ina sifa ya nishati chanya ya molar Gibbs. Nishati ya Gibbs, ambayo hapo awali iliitwa “nishati inayopatikana,” iligunduliwa mnamo 1870 na Josiah Willard Gibbs. Nishati hii pia inaitwa nishati ya kawaida isiyolipishwa ya uanzishaji .
Nishati isiyolipishwa ya Gibbs ya mfumo wakati wowote inafafanuliwa kama enthalpy ya mfumo ukiondoa bidhaa ya nyakati za halijoto ya entropy ya mfumo:
G=H-TS.
H ni enthalpy, T ni joto, na S ni entropy. Mlinganyo huu unaofafanua nishati ya bure ya mfumo una uwezo wa kubainisha umuhimu wa jamaa wa enthalpy na entropy kama nguvu za uendeshaji za mmenyuko maalum. Sasa, usawa kati ya michango ya maneno ya enthalpy na entropy kwa nishati ya bure ya mmenyuko inategemea joto ambalo majibu hufanyika. Mlinganyo unaotumika kufafanua nishati isiyolipishwa unapendekeza kuwa neno la entropy litakuwa muhimu zaidi kadiri halijoto inavyoongezeka : ΔG° = ΔH° – TΔS°.
Vyanzo
- Brainard, J. (2014). Nishati ya uanzishaji. Katika https://www.ck12.org/
- Sheria ya Arrhenia. (2020). Nishati za uanzishaji.
- Mitchell, N. (2018). Uchambuzi wa Nishati ya Uanzishaji wa Eyring wa Hydrolysis ya Acetic Anhydride katika Mifumo ya Cosolvent ya Acetonitrile.
