Sa kimika, ang pinakamababang halaga ng enerhiya na kailangan upang maisaaktibo ang mga atomo o molekula sa isang kondisyon kung saan ang isang pagbabagong kemikal o pisikal na transportasyon ay maaaring mabuo ay tinatawag na activation energy , Ea . Sa teorya ng transition state, ang activation energy ay ang pagkakaiba sa energy content sa pagitan ng mga atoms o molecules sa isang active o transition state configuration at mga atoms o molecules sa isang initial configuration. Halos palaging, ang estado ng isang reaksyon ay nangyayari sa isang mas mataas na antas ng enerhiya kaysa sa mga reacting na produkto (reactants). Samakatuwid, ang activation energy ay palaging may positibong halaga. Ang positibong halaga na ito ay nangyayari hindi alintana kung ang reaksyon ay sumisipsip ng enerhiya ( endergonic oendothermic ) o gumagawa nito ( exergonic o exothermic ).
Ang activation energy ay shorthand para sa Ea. Ang pinakakaraniwang mga unit ng Ea units ay kilojoules per mole (kJ/mol) at kilocalories per mole (kcal/mol).
Ang Arrhenius Ea Equation
Si Svante Arrhenius ay isang Swedish scientist na noong 1889 ay nagpakita ng pagkakaroon ng activation energy, na bumubuo ng equation na nagtataglay ng kanyang pangalan. Inilalarawan ng Arrhenius equation ang ugnayan sa pagitan ng temperatura at rate ng reaksyon. Ang ugnayang ito ay mahalaga upang makalkula ang bilis ng mga reaksiyong kemikal at, higit sa lahat, ang dami ng enerhiya na kinakailangan para maganap ang mga reaksyong ito.
Sa Arrhenius equation, ang K ay ang koepisyent ng rate ng reaksyon (ang rate ng reaksyon), ang A ay ang kadahilanan kung gaano kadalas nagbanggaan ang mga molekula, at ang e ay isang pare-pareho (humigit-kumulang katumbas ng 2.718). Sa kabilang banda, ang Ea ay ang activation energy at ang R ay ang unibersal na gas constant (mga yunit ng enerhiya sa bawat pagtaas ng temperatura bawat mole). Sa wakas, ang T ay kumakatawan sa ganap na temperatura, na sinusukat sa degrees Kelvin.
Kaya, ang Arrhenius equation ay kinakatawan bilang k= Ae^(-Ea/RT). Gayunpaman, tulad ng maraming mga equation, maaari itong muling ayusin upang makalkula ang iba’t ibang mga halaga. Gayunpaman, hindi kinakailangang malaman ang halaga ng A upang makalkula ang enerhiya ng pag-activate (Ea), dahil matutukoy ito mula sa pagkakaiba-iba ng mga koepisyent ng rate ng reaksyon bilang isang function ng temperatura.
Kimikal na Kahalagahan ng Ea
Ang lahat ng mga molekula ay may maliit na halaga ng enerhiya, na maaaring nasa anyo ng kinetic energy o potensyal na enerhiya. Kapag ang mga molekula ay nagbanggaan, ang kanilang kinetic energy ay maaaring makagambala at kahit na sirain ang mga bono, na kung ano ang nangyayari kapag naganap ang mga kemikal na reaksyon.
Kung ang mga molekula ay gumagalaw nang mabagal, iyon ay, na may maliit na kinetic energy, alinman sa hindi sila bumangga sa iba pang mga molekula o ang mga epekto ay hindi bumubuo ng anumang reaksyon dahil sila ay mahina. Ang parehong nangyayari kung ang mga molekula ay bumangga sa mali o hindi tamang oryentasyon. Gayunpaman, kung ang mga molekula ay kumikilos nang mabilis at nasa tamang oryentasyon, isang matagumpay na banggaan ang magaganap. Kaya, ang kinetic energy kapag nagbabanggaan ay mas malaki kaysa sa pinakamababang enerhiya, at pagkatapos ng banggaan ay magkakaroon ng reaksyon. Kahit na ang mga exothermic na reaksyon ay nangangailangan ng kaunting enerhiya upang makapagsimula. Ang pinakamababang kinakailangan sa enerhiya, tulad ng ipinaliwanag namin dati, ay tinatawag na activation energy.
Ang kaalaman sa data tungkol sa activation energy ng mga substance ay nagpapahiwatig ng posibilidad na pangalagaan ang ating kapaligiran. Sa madaling salita, kung alam natin na, depende sa mga katangian ng mga molekula, ang isang kemikal na reaksyon ay maaaring gawin, hindi tayo maaaring magsagawa ng mga aksyon na, halimbawa, ay maaaring magdulot ng sunog. Halimbawa, sa pag-alam na ang isang libro ay maaaring magliyab kung ang isang kandila ay inilagay sa ibabaw nito (na ang apoy ay magbibigay ng activation energy), mag-iingat kami na ang apoy ng kandila ay hindi kumalat sa papel ng libro.
Mga Catalyst at Activation Energy
Ang isang katalista ay nagdaragdag ng rate ng reaksyon sa isang bahagyang naiibang paraan kaysa sa iba pang mga pamamaraan na ginagamit para sa parehong layunin. Ang function ng isang catalyst ay upang babaan ang activation energy , upang ang isang mas malaking proporsyon ng mga particle ay may sapat na enerhiya upang mag-react. Ang mga catalyst ay maaaring magpababa ng activation energy sa dalawang paraan:
- Sa pamamagitan ng pag-orient sa mga tumutugon na particle upang ang mga banggaan ay mas malamang na mangyari, o sa pamamagitan ng pagbabago ng bilis ng kanilang mga paggalaw.
- Ang pagtugon sa mga reactant upang bumuo ng isang intermediate substance na nangangailangan ng mas kaunting enerhiya upang mabuo ang produkto.
Ang ilang mga metal, tulad ng platinum, tanso, at bakal, ay maaaring kumilos bilang mga catalyst sa ilang mga reaksyon. Sa ating sariling katawan mayroong mga enzyme na biological catalysts (biocatalysts) na tumutulong sa pagpapabilis ng biochemical reactions. Ang mga catalyst ay karaniwang tumutugon sa isa o higit pa sa mga reactant upang bumuo ng isang intermediate, na pagkatapos ay tumutugon upang maging ang huling produkto. Ang nasabing intermediate substance ay madalas na tinutukoy bilang isang “activated complex . “
Halimbawa ng isang reaksyon na kinasasangkutan ng isang katalista
Ang sumusunod ay isang teoretikal na halimbawa kung paano maaaring magpatuloy ang isang reaksyong kinasasangkutan ng isang katalista. Ang A at B ay mga reactant, C ang catalyst, at D ang produkto ng reaksyon sa pagitan ng A at B.
Unang hakbang (reaksyon 1): A+C → AC
Pangalawang hakbang (reaksyon 2): B+AC → ACB
Pangatlong hakbang (reaksyon 3): ACB → C+D
Ang ACB ay kumakatawan sa Chemical Intermediate. Kahit na ang catalyst (C) ay natupok sa reaksyon 1, ito ay inilabas muli sa ibang pagkakataon sa reaksyon 3, kaya ang kabuuang reaksyon sa isang katalista ay: A+B+C → D+C
Mula dito sumusunod na ang katalista ay pinakawalan sa dulo ng reaksyon, ganap na hindi nagbabago. Nang hindi isinasaalang-alang ang katalista, ang pangkalahatang reaksyon ay isusulat: A+B → D
Sa halimbawang ito, ang katalista ay nagbigay ng isang hanay ng mga hakbang sa reaksyon na matatawag nating “alternatibong daanan ng reaksyon.” Ang pathway na ito kung saan ang catalyst ay nakikialam ay nangangailangan ng mas kaunting activation energy at samakatuwid ay mas mabilis at mas mahusay.
Ang Arrhenius equation at ang Eyring equation
Dalawang equation ang maaaring gamitin upang ilarawan kung paano tumataas ang rate ng mga reaksyon sa temperatura. Una, inilalarawan ng Arrhenius equation ang pagdepende ng mga rate ng reaksyon sa temperatura. Sa kabilang banda, mayroong Eyring equation, na iminungkahi ng nasabing mananaliksik noong 1935; ang kanyang equation ay batay sa transition state theory at ginagamit upang ilarawan ang kaugnayan sa pagitan ng rate ng reaksyon at temperatura. Ang equation ay:
k= ( kB T /h) exp(-ΔG ‡ /RT).
Gayunpaman, habang ipinapaliwanag ng Arrhenius equation ang dependence sa pagitan ng temperatura at rate ng reaksyon sa phenomenologically, ang Eyring equation ay nagpapaalam tungkol sa mga indibidwal na elementarya na hakbang ng isang reaksyon.
Sa kabilang banda, ang Arrhenius equation ay maaari lamang ilapat sa kinetic energy sa gas phase, habang ang Eyring equation ay kapaki-pakinabang sa pag-aaral ng mga reaksyon kapwa sa gas phase at sa condensed at mixed phases (phase na walang kaugnayan. sa gas phase).ang modelo ng banggaan). Gayundin, ang Arrhenius equation ay batay sa empirikal na obserbasyon na ang rate ng mga reaksyon ay tumataas sa temperatura. Sa halip ang Eyring equation ay isang teoretikal na konstruksyon batay sa modelo ng estado ng paglipat.
Mga prinsipyo ng teorya ng estado ng paglipat:
- Mayroong thermodynamic equilibrium sa pagitan ng transition state at ng estado ng mga reactant sa tuktok ng energy barrier.
- Ang rate ng reaksyon ng kemikal ay proporsyonal sa konsentrasyon ng mga particle sa estado ng paglipat ng mataas na enerhiya.
Relasyon sa pagitan ng activation energy at Gibbs energy
Kahit na ang rate ng reaksyon ay inilarawan din sa Eyring equation, kasama ang equation na ito sa halip na gamitin ang activation energy, ang Gibbs energy (ΔG ‡ ) ng transition state ay kasama.
Dahil ang kinetic energy ng nagbabanggaan na mga molekula (ibig sabihin, ang mga may sapat na enerhiya at tamang oryentasyon) ay binago sa potensyal na enerhiya, ang energetic na estado ng activated complex ay nailalarawan sa pamamagitan ng isang positibong molar na Gibbs na enerhiya. Ang enerhiya ng Gibbs, na orihinal na tinatawag na “available energy,” ay natuklasan noong 1870 ni Josiah Willard Gibbs. Ang enerhiya na ito ay tinatawag ding karaniwang libreng enerhiya ng pag-activate .
Ang libreng enerhiya ng Gibbs ng isang sistema sa anumang sandali ay tinukoy bilang ang enthalpy ng system na binawasan ang produkto ng temperatura na dinami ang entropy ng system:
G=H-TS.
Ang H ay ang enthalpy, ang T ay ang temperatura, at ang S ay ang entropy. Ang equation na ito na tumutukoy sa libreng enerhiya ng isang sistema ay may kakayahang matukoy ang relatibong kahalagahan ng enthalpy at entropy bilang mga puwersang nagtutulak ng isang partikular na reaksyon. Ngayon, ang balanse sa pagitan ng mga kontribusyon ng mga termino ng enthalpy at entropy sa libreng enerhiya ng isang reaksyon ay nakasalalay sa temperatura kung saan nagaganap ang reaksyon. Ang equation na ginamit upang tukuyin ang libreng enerhiya ay nagmumungkahi na ang termino ng entropy ay magiging mas mahalaga habang tumataas ang temperatura : ΔG° = ΔH° – TΔS°.
Mga pinagmumulan
- Brainard, J. (2014). Pag-activate ng enerhiya. Sa https://www.ck12.org/
- batas ng Arrhenian. (2020). Mga activation energy.
- Mitchell, N. (2018). Eyring Activation Energy Analysis ng Acetic Anhydride Hydrolysis sa Acetonitrile Cosolvent Systems.
