రసాయన శాస్త్రంలో, రసాయన పరివర్తన లేదా భౌతిక రవాణాను ఉత్పన్నమయ్యే స్థితికి అణువులు లేదా అణువులను సక్రియం చేయడానికి అవసరమైన కనీస శక్తిని యాక్టివేషన్ ఎనర్జీ అంటారు , Ea . ట్రాన్సిషన్ స్టేట్ థియరీలో, యాక్టివేషన్ ఎనర్జీ అనేది యాక్టివ్ లేదా ట్రాన్సిషన్ స్టేట్ కాన్ఫిగరేషన్‌లోని అణువులు లేదా అణువుల మధ్య శక్తి కంటెంట్‌లో మరియు ప్రారంభ కాన్ఫిగరేషన్‌లోని అణువులు లేదా అణువుల మధ్య వ్యత్యాసం. దాదాపు ఎల్లప్పుడూ, ప్రతిచర్య యొక్క స్థితి ప్రతిచర్య ఉత్పత్తులు (రియాక్టెంట్లు) కంటే అధిక శక్తి స్థాయిలో సంభవిస్తుంది. అందువల్ల, క్రియాశీలత శక్తి ఎల్లప్పుడూ సానుకూల విలువను కలిగి ఉంటుంది. ప్రతిచర్య శక్తిని గ్రహిస్తుందా అనే దానితో సంబంధం లేకుండా ఈ సానుకూల విలువ సంభవిస్తుంది ( ఎండర్గోనిక్ లేదాఎండోథెర్మిక్ ) లేదా దానిని ఉత్పత్తి చేస్తుంది ( ఎక్సర్గోనిక్ లేదా ఎక్సోథర్మిక్ ).
యాక్టివేషన్ ఎనర్జీ అనేది Eaకి సంక్షిప్తలిపి. Ea యూనిట్ల యొక్క అత్యంత సాధారణ యూనిట్లు మోల్‌కు కిలోజౌల్స్ (kJ/mol) మరియు కిలో కేలరీలు ప్రతి మోల్ (kcal/mol).
అర్హేనియస్ ఈక్వేషన్
Svante Arrhenius ఒక స్వీడిష్ శాస్త్రవేత్త, అతను 1889లో క్రియాశీలక శక్తి ఉనికిని ప్రదర్శించాడు, అతని పేరును కలిగి ఉన్న సమీకరణాన్ని అభివృద్ధి చేశాడు. అర్హేనియస్ సమీకరణం ఉష్ణోగ్రత మరియు ప్రతిచర్య రేటు మధ్య సహసంబంధాన్ని వివరిస్తుంది. రసాయన ప్రతిచర్యల వేగాన్ని మరియు అన్నింటికంటే మించి, ఈ ప్రతిచర్యలు జరగడానికి అవసరమైన శక్తి మొత్తాన్ని లెక్కించడానికి ఈ సంబంధం చాలా అవసరం.
అర్హేనియస్ సమీకరణంలో, K అనేది ప్రతిచర్య రేటు గుణకం (ప్రతిచర్య రేటు), A అనేది అణువులు ఎంత తరచుగా ఢీకొంటాయో అనే కారకం, మరియు e అనేది స్థిరాంకం (సుమారు 2.718కి సమానం). మరోవైపు, Ea అనేది యాక్టివేషన్ ఎనర్జీ మరియు R అనేది సార్వత్రిక వాయువు స్థిరాంకం (మోల్‌కు ఉష్ణోగ్రత పెరుగుదలకు శక్తి యూనిట్లు). చివరగా, T సంపూర్ణ ఉష్ణోగ్రతను సూచిస్తుంది, డిగ్రీ కెల్విన్‌లో కొలుస్తారు.
అందువలన, అర్హేనియస్ సమీకరణం k= Ae^(-Ea/RT)గా సూచించబడుతుంది. అయినప్పటికీ, అనేక సమీకరణాల వలె, విభిన్న విలువలను లెక్కించేందుకు దీనిని పునర్వ్యవస్థీకరించవచ్చు. అయితే, యాక్టివేషన్ ఎనర్జీ (Ea)ని లెక్కించడానికి A విలువను తెలుసుకోవాల్సిన అవసరం లేదు, ఎందుకంటే ఇది ఉష్ణోగ్రత యొక్క విధిగా ప్రతిచర్య రేటు గుణకాల యొక్క వైవిధ్యం నుండి నిర్ణయించబడుతుంది.
Ea యొక్క రసాయన ప్రాముఖ్యత
అన్ని అణువులకు తక్కువ మొత్తంలో శక్తి ఉంటుంది, ఇది గతి శక్తి లేదా సంభావ్య శక్తి రూపంలో ఉంటుంది. అణువులు ఢీకొన్నప్పుడు, వాటి గతి శక్తి బంధాలకు అంతరాయం కలిగిస్తుంది మరియు నాశనం చేస్తుంది, ఇది రసాయన ప్రతిచర్యలు జరిగినప్పుడు జరుగుతుంది.
అణువులు నెమ్మదిగా కదులుతూ ఉంటే, అంటే, తక్కువ గతి శక్తితో, అవి ఇతర అణువులతో ఢీకొనవు లేదా అవి బలహీనంగా ఉన్నందున ప్రభావాలు ఎటువంటి ప్రతిచర్యను సృష్టించవు. అణువులు తప్పు లేదా సరికాని ధోరణితో ఢీకొన్నట్లయితే అదే జరుగుతుంది. అయినప్పటికీ, అణువులు తగినంత వేగంగా మరియు సరైన ధోరణిలో కదులుతున్నట్లయితే, విజయవంతమైన తాకిడి జరుగుతుంది. అందువలన, ఢీకొన్నప్పుడు గతి శక్తి కనిష్ట శక్తి కంటే ఎక్కువగా ఉంటుంది మరియు ఆ తాకిడి తర్వాత ప్రతిచర్య జరుగుతుంది. ఎక్సోథర్మిక్ ప్రతిచర్యలు కూడా ప్రారంభించడానికి కనీస శక్తి అవసరం. మనం ఇంతకు ముందు వివరించినట్లుగా కనీస శక్తి అవసరాన్ని యాక్టివేషన్ ఎనర్జీ అంటారు.
పదార్ధాల క్రియాశీలత శక్తి గురించిన డేటా పరిజ్ఞానం మన పర్యావరణాన్ని జాగ్రత్తగా చూసుకునే అవకాశాన్ని సూచిస్తుంది. మరో మాటలో చెప్పాలంటే, అణువుల లక్షణాలపై ఆధారపడి, రసాయన ప్రతిచర్యను ఉత్పత్తి చేయవచ్చని మనకు తెలిస్తే, ఉదాహరణకు, అగ్నిని కలిగించే చర్యలను మనం నిర్వహించలేము. ఉదాహరణకు, ఒక పుస్తకం పైన కొవ్వొత్తిని ఉంచినట్లయితే (దీని జ్వాల యాక్టివేషన్ ఎనర్జీని అందిస్తుంది) ఆ పుస్తకానికి మంటలు అంటుకుంటాయని తెలుసుకోవడం, కొవ్వొత్తి మంట పుస్తకంలోని కాగితంపై వ్యాపించకుండా జాగ్రత్తపడతాము.
ఉత్ప్రేరకాలు మరియు క్రియాశీలత శక్తి
ఉత్ప్రేరకం అదే ప్రయోజనం కోసం ఉపయోగించే ఇతర పద్ధతుల కంటే కొంచెం భిన్నమైన రీతిలో ప్రతిచర్య రేటును పెంచుతుంది. ఉత్ప్రేరకం యొక్క పని క్రియాశీలత శక్తిని తగ్గించడం , తద్వారా ఎక్కువ సంఖ్యలో కణాలు ప్రతిస్పందించడానికి తగినంత శక్తిని కలిగి ఉంటాయి. ఉత్ప్రేరకాలు రెండు విధాలుగా యాక్టివేషన్ శక్తిని తగ్గించగలవు:
- ప్రతిస్పందించే కణాలను ఓరియంట్ చేయడం ద్వారా ఘర్షణలు జరిగే అవకాశం ఎక్కువగా ఉంటుంది లేదా వాటి కదలికల వేగాన్ని మార్చడం ద్వారా.
- ఉత్పత్తిని రూపొందించడానికి తక్కువ శక్తి అవసరమయ్యే ఇంటర్మీడియట్ పదార్థాన్ని ఏర్పరచడానికి ప్రతిచర్యలతో చర్య జరుపుతుంది.
ప్లాటినం, రాగి మరియు ఇనుము వంటి కొన్ని లోహాలు కొన్ని ప్రతిచర్యలలో ఉత్ప్రేరకాలుగా పనిచేస్తాయి. మన శరీరంలో జీవరసాయన ప్రతిచర్యలను వేగవంతం చేయడంలో సహాయపడే జీవ ఉత్ప్రేరకాలు (బయోక్యాటలిస్ట్‌లు) అనే ఎంజైమ్‌లు ఉన్నాయి. ఉత్ప్రేరకాలు సాధారణంగా ఒకటి లేదా అంతకంటే ఎక్కువ రియాక్టెంట్‌లతో చర్య జరిపి ఇంటర్మీడియట్‌ను ఏర్పరుస్తాయి, అది తుది ఉత్పత్తిగా మారుతుంది. అటువంటి ఇంటర్మీడియట్ పదార్ధం తరచుగా “యాక్టివేటెడ్ కాంప్లెక్స్” గా సూచించబడుతుంది .
ఉత్ప్రేరకంతో కూడిన ప్రతిచర్యకు ఉదాహరణ
ఉత్ప్రేరకంతో కూడిన ప్రతిచర్య ఎలా కొనసాగవచ్చు అనేదానికి కిందిది సైద్ధాంతిక ఉదాహరణ. A మరియు B ప్రతిచర్యలు, C అనేది ఉత్ప్రేరకం మరియు D అనేది A మరియు B మధ్య ప్రతిచర్య యొక్క ఉత్పత్తి.
మొదటి దశ (ప్రతిచర్య 1): A+C → AC
రెండవ దశ (ప్రతిచర్య 2): B+AC → ACB
మూడవ దశ (ప్రతిచర్య 3): ACB → C+D
ఏసీబీ అంటే కెమికల్ ఇంటర్మీడియట్. ఉత్ప్రేరకం (C) రియాక్షన్ 1లో వినియోగించబడినప్పటికీ, అది తర్వాత రియాక్షన్ 3లో మళ్లీ విడుదల చేయబడుతుంది, కాబట్టి ఉత్ప్రేరకంతో మొత్తం ప్రతిచర్య: A+B+C → D+C
దీని నుండి ఉత్ప్రేరకం ప్రతిచర్య చివరిలో పూర్తిగా మారకుండా విడుదల చేయబడుతుంది. ఉత్ప్రేరకాన్ని పరిగణనలోకి తీసుకోకుండా, మొత్తం ప్రతిచర్య వ్రాయబడుతుంది: A+B → D
ఈ ఉదాహరణలో, ఉత్ప్రేరకం మేము “ప్రత్యామ్నాయ ప్రతిచర్య మార్గం” అని పిలవగల ప్రతిచర్య దశల సమితిని అందించింది. ఉత్ప్రేరకం జోక్యం చేసుకునే ఈ మార్గానికి తక్కువ ఆక్టివేషన్ శక్తి అవసరం మరియు అందువల్ల వేగంగా మరియు మరింత సమర్థవంతంగా ఉంటుంది.
అర్హేనియస్ సమీకరణం మరియు ఐరింగ్ సమీకరణం
ఉష్ణోగ్రతతో ప్రతిచర్యల రేటు ఎలా పెరుగుతుందో వివరించడానికి రెండు సమీకరణాలను ఉపయోగించవచ్చు. మొదట, అర్హేనియస్ సమీకరణం ఉష్ణోగ్రతపై ప్రతిచర్య రేట్ల ఆధారపడటాన్ని వివరిస్తుంది. మరోవైపు, 1935లో పరిశోధకుడు ప్రతిపాదించిన ఐరింగ్ సమీకరణం ఉంది; అతని సమీకరణం పరివర్తన స్థితి సిద్ధాంతంపై ఆధారపడి ఉంటుంది మరియు ప్రతిచర్య రేటు మరియు ఉష్ణోగ్రత మధ్య సంబంధాన్ని వివరించడానికి ఉపయోగించబడుతుంది. సమీకరణం:
k= ( kB T /h) exp(-ΔG ‡ /RT).
అయితే, అర్హేనియస్ సమీకరణం ఉష్ణోగ్రత మరియు ప్రతిచర్య రేటు మధ్య ఆధారపడటాన్ని దృగ్విషయంగా వివరిస్తుండగా, ఐరింగ్ సమీకరణం ప్రతిచర్య యొక్క వ్యక్తిగత ప్రాథమిక దశల గురించి తెలియజేస్తుంది.
మరోవైపు, అర్హేనియస్ సమీకరణం గ్యాస్ దశలోని గతిశక్తికి మాత్రమే వర్తించబడుతుంది, అయితే ఐరింగ్ సమీకరణం వాయువు దశలో మరియు ఘనీభవించిన మరియు మిశ్రమ దశలలో (సంబంధితం లేని దశలలో) ప్రతిచర్యల అధ్యయనంలో ఉపయోగపడుతుంది. గ్యాస్ దశలో) ఘర్షణ నమూనా). అదేవిధంగా, అర్హేనియస్ సమీకరణం ఉష్ణోగ్రతతో ప్రతిచర్యల రేటు పెరుగుతుందని అనుభావిక పరిశీలనపై ఆధారపడి ఉంటుంది. బదులుగా ఐరింగ్ సమీకరణం అనేది పరివర్తన స్థితి నమూనాపై ఆధారపడిన సైద్ధాంతిక నిర్మాణం.
పరివర్తన స్థితి సిద్ధాంతం యొక్క సూత్రాలు:
- పరివర్తన స్థితి మరియు శక్తి అవరోధం ఎగువన ఉన్న ప్రతిచర్యల స్థితి మధ్య థర్మోడైనమిక్ సమతుల్యత ఉంది.
- రసాయన ప్రతిచర్య రేటు అధిక శక్తి పరివర్తన స్థితిలో కణాల సాంద్రతకు అనులోమానుపాతంలో ఉంటుంది.
యాక్టివేషన్ ఎనర్జీ మరియు గిబ్స్ ఎనర్జీ మధ్య సంబంధం
ఐరింగ్ సమీకరణంలో ప్రతిచర్య రేటు కూడా వివరించబడినప్పటికీ, క్రియాశీలక శక్తిని ఉపయోగించకుండా ఈ సమీకరణంతో, పరివర్తన స్థితి యొక్క గిబ్స్ శక్తి (ΔG ‡ ) చేర్చబడుతుంది.
ఢీకొనే అణువుల యొక్క గతిశక్తి (అనగా తగినంత శక్తి మరియు సరైన ధోరణి కలిగినవి) సంభావ్య శక్తిగా రూపాంతరం చెందడం వలన, ఉత్తేజిత కాంప్లెక్స్ యొక్క శక్తివంతమైన స్థితి సానుకూల మోలార్ గిబ్స్ శక్తితో వర్గీకరించబడుతుంది. గిబ్స్ శక్తిని మొదట “అందుబాటులో ఉన్న శక్తి” అని పిలుస్తారు, దీనిని జోసియా విల్లార్డ్ గిబ్స్ 1870లో కనుగొన్నారు. ఈ శక్తిని క్రియాశీలత యొక్క ప్రామాణిక ఉచిత శక్తి అని కూడా పిలుస్తారు .
ఏ క్షణంలోనైనా సిస్టమ్ యొక్క గిబ్స్ ఫ్రీ ఎనర్జీ సిస్టమ్ యొక్క ఎంథాల్పీగా నిర్వచించబడుతుంది, ఇది సిస్టమ్ యొక్క ఎంట్రోపీ సమయాల ఉష్ణోగ్రత యొక్క ఉత్పత్తిని తీసివేస్తుంది:
G=H-TS.
H అనేది ఎంథాల్పీ, T అనేది ఉష్ణోగ్రత, మరియు S అనేది ఎంట్రోపీ. వ్యవస్థ యొక్క ఉచిత శక్తిని నిర్వచించే ఈ సమీకరణం నిర్దిష్ట ప్రతిచర్య యొక్క చోదక శక్తులుగా ఎంథాల్పీ మరియు ఎంట్రోపీ యొక్క సాపేక్ష ప్రాముఖ్యతను నిర్ణయించగలదు. ఇప్పుడు, ప్రతిచర్య యొక్క ఉచిత శక్తికి ఎంథాల్పీ మరియు ఎంట్రోపీ పదాల సహకారాల మధ్య సమతుల్యత చర్య జరిగే ఉష్ణోగ్రతపై ఆధారపడి ఉంటుంది. ఉచిత శక్తిని నిర్వచించడానికి ఉపయోగించే సమీకరణం ఉష్ణోగ్రత పెరిగేకొద్దీ ఎంట్రోపీ పదం మరింత ముఖ్యమైనదిగా మారుతుందని సూచిస్తుంది : ΔG° = ΔH° – TΔS°.
మూలాలు
- బ్రైనర్డ్, J. (2014). యాక్టివేషన్ ఎనర్జీ. https://www.ck12.org/ వద్ద
- అర్హేనియన్ చట్టం. (2020) యాక్టివేషన్ ఎనర్జీలు.
- మిచెల్, N. (2018). ఎసిటోనిట్రైల్ కాసోల్వెంట్ సిస్టమ్స్‌లో ఎసిటిక్ అన్‌హైడ్రైడ్ హైడ్రోలిసిస్ యొక్క ఐరింగ్ యాక్టివేషన్ ఎనర్జీ అనాలిసిస్.
