Kimyoda atomlar yoki molekulalarni kimyoviy transformatsiya yoki fizik transport hosil bo’ladigan holatga keltirish uchun zarur bo’lgan minimal energiya faollashtirish energiyasi , Ea deb ataladi. O’tish holati nazariyasida aktivlanish energiyasi – bu faol yoki o’tish holatidagi konfiguratsiyadagi atomlar yoki molekulalar va dastlabki konfiguratsiyadagi atomlar yoki molekulalar o’rtasidagi energiya tarkibidagi farq. Deyarli har doim reaktsiya holati reaksiyaga kirishayotgan mahsulotlarga (reaktivlarga) nisbatan yuqori energiya darajasida sodir bo’ladi. Shuning uchun faollashtirish energiyasi har doim ijobiy qiymatga ega. Ushbu ijobiy qiymat reaktsiya energiyani o’zlashtirganidan qat’iy nazar sodir bo’ladi ( endergonik yokiendotermik ) yoki uni ishlab chiqaradi ( ekzergonik yoki ekzotermik ).
Faollashtirish energiyasi Ea ning qisqartmasi . Ea birliklarining eng keng tarqalgan birliklari mol uchun kilojoul (kJ/mol) va mol uchun kilokaloriya (kkal/mol).
Arrhenius Ea tenglamasi
Svante Arrhenius shved olimi bo’lib, 1889 yilda o’z nomi bilan atalgan tenglamani ishlab chiqib, faollashuv energiyasining mavjudligini ko’rsatdi. Arrhenius tenglamasi harorat va reaktsiya tezligi o’rtasidagi bog’liqlikni tavsiflaydi. Bu munosabat kimyoviy reaksiyalar tezligini va birinchi navbatda, bu reaksiyalar sodir bo‘lishi uchun zarur bo‘lgan energiya miqdorini hisoblash uchun zarurdir.
Arrhenius tenglamasida K – reaksiya tezligi koeffitsienti (reaktsiya tezligi), A – molekulalarning qanchalik tez-tez to’qnashuvi omili va e – doimiy (taxminan 2,718 ga teng). Boshqa tomondan, Ea – faollashtirish energiyasi va R – universal gaz doimiysi (har bir mol uchun harorat oshishi uchun energiya birliklari). Nihoyat, T Kelvin darajalarida o’lchanadigan mutlaq haroratni ifodalaydi.
Shunday qilib, Arrenius tenglamasi k= Ae^(-Ea/RT) shaklida ifodalanadi. Biroq, ko’plab tenglamalar singari, uni turli qiymatlarni hisoblash uchun qayta tartibga solish mumkin. Biroq, aktivlanish energiyasini (Ea) hisoblash uchun A qiymatini bilish shart emas, chunki buni haroratga bog’liq bo’lgan reaktsiya tezligi koeffitsientlarining o’zgarishidan aniqlash mumkin.
Ea ning kimyoviy ahamiyati
Barcha molekulalar kinetik energiya yoki potentsial energiya shaklida bo’lishi mumkin bo’lgan oz miqdordagi energiyaga ega. Molekulalar to’qnashganda, ularning kinetik energiyasi aloqalarni buzishi va hatto yo’q qilishi mumkin, bu kimyoviy reaktsiyalar sodir bo’lganda sodir bo’ladi.
Agar molekulalar sekin, ya’ni kam kinetik energiyaga ega bo’lsa, ular boshqa molekulalar bilan to’qnashmaydi yoki ta’sirlar kuchsiz bo’lganligi sababli hech qanday reaktsiya hosil qilmaydi. Agar molekulalar noto’g’ri yoki noto’g’ri yo’nalish bilan to’qnashsa, xuddi shunday bo’ladi. Biroq, agar molekulalar etarlicha tez va to’g’ri yo’nalishda harakat qilsa, muvaffaqiyatli to’qnashuv sodir bo’ladi. Shunday qilib, to’qnashuvdagi kinetik energiya minimal energiyadan kattaroq bo’ladi va bu to’qnashuvdan keyin reaktsiya sodir bo’ladi. Hatto ekzotermik reaktsiyalar ham boshlash uchun minimal energiya talab qiladi. Yuqorida aytib o’tganimizdek, bu minimal energiya talabi faollashtirish energiyasi deb ataladi.
Moddalarning faollashuv energiyasi haqidagi ma’lumotlarni bilish bizning atrof-muhitga g’amxo’rlik qilish imkoniyatini nazarda tutadi. Boshqacha qilib aytganda, molekulalarning xususiyatlariga qarab, kimyoviy reaktsiya paydo bo’lishi mumkinligini bilsak, masalan, yong’inga olib kelishi mumkin bo’lgan harakatlarni amalga oshira olmadik. Misol uchun, kitob ustiga sham qo’yilsa (uning alangasi faollashuv energiyasini ta’minlaydi) kitob yonishi mumkinligini bilib, sham alangasi kitob qog’oziga tarqalib ketmasligi uchun ehtiyot bo’lamiz.
Katalizatorlar va aktivizatsiya energiyasi
Katalizator reaksiya tezligini xuddi shu maqsadda qo’llaniladigan boshqa usullardan biroz farqli ravishda oshiradi. Katalizatorning vazifasi faollashuv energiyasini kamaytirishdir , shuning uchun zarrachalarning katta qismi reaksiyaga kirishish uchun etarli energiyaga ega. Katalizatorlar faollashtirish energiyasini ikki yo’l bilan kamaytirishi mumkin:
- Reaksiyaga kirishuvchi zarrachalarni to‘qnashuvlar yuzaga kelishi ehtimoli yuqori bo‘lishi uchun yo‘naltirish yoki ularning harakat tezligini o‘zgartirish orqali.
- Mahsulotni hosil qilish uchun kamroq energiya talab qiladigan oraliq moddani hosil qilish uchun reaktivlar bilan reaksiyaga kirishish.
Platina, mis va temir kabi ba’zi metallar ma’lum reaktsiyalarda katalizator sifatida harakat qilishi mumkin. Bizning tanamizda biokimyoviy reaktsiyalarni tezlashtirishga yordam beradigan biologik katalizatorlar (biokatalizatorlar) bo’lgan fermentlar mavjud. Katalizatorlar odatda bir yoki bir nechta reaktivlar bilan reaksiyaga kirishib, oraliq mahsulot hosil qiladi, so’ngra yakuniy mahsulotga aylanadi. Bunday oraliq modda ko’pincha “faollashtirilgan kompleks” deb ataladi .
Katalizator ishtirokidagi reaksiyaga misol
Quyida katalizator ishtirokidagi reaksiya qanday borishi mumkinligiga nazariy misol keltirilgan. A va B – reaksiyaga kirishuvchi moddalar, C – katalizator, D – A va B o’rtasidagi reaksiya mahsuloti.
Birinchi qadam (1-reaksiya): A+C → AC
Ikkinchi bosqich (2-reaksiya): B+AC → ACB
Uchinchi bosqich (3-reaksiya): ACB → C+D
ACB qisqartmasi Chemical Intermediate degan ma’noni anglatadi. Katalizator (C) 1-reaktsiyada iste’mol qilingan bo’lsa-da, u keyinroq 3-reaktsiyada yana ajralib chiqadi, shuning uchun katalizator bilan umumiy reaktsiya: A+B+C → D+C
Bundan kelib chiqadiki, katalizator reaksiya oxirida butunlay o’zgarmagan holda chiqariladi. Katalizatorni hisobga olmagan holda, umumiy reaksiya yoziladi: A+B → D
Ushbu misolda katalizator biz “muqobil reaktsiya yo’li” deb atashimiz mumkin bo’lgan reaktsiya bosqichlari to’plamini taqdim etdi. Katalizator aralashadigan bu yo’l kamroq faollashtirish energiyasini talab qiladi va shuning uchun tezroq va samaraliroq bo’ladi.
Arrenius tenglamasi va Eyring tenglamasi
Reaksiya tezligi harorat oshgani sayin ortishini tasvirlash uchun ikkita tenglamadan foydalanish mumkin. Birinchidan, Arrenius tenglamasi reaktsiya tezligining haroratga bog’liqligini tavsiflaydi. Boshqa tomondan, 1935 yilda tadqiqotchi tomonidan taklif qilingan Eyring tenglamasi mavjud; uning tenglamasi o’tish holati nazariyasiga asoslanadi va reaksiya tezligi va harorat o’rtasidagi munosabatni tasvirlash uchun ishlatiladi. Tenglama quyidagicha:
k= ( kB T /h) exp(-DG ‡ /RT).
Biroq, Arrenius tenglamasi harorat va reaksiya tezligi o’rtasidagi bog’liqlikni fenomenologik jihatdan tushuntirsa, Eyring tenglamasi reaktsiyaning individual elementar bosqichlari haqida ma’lumot beradi.
Boshqa tomondan, Arrenius tenglamasi faqat gaz fazasidagi kinetik energiyaga nisbatan qo’llanilishi mumkin, Eyring tenglamasi esa gaz fazasidagi ham, kondensatsiyalangan va aralash fazalardagi (ahamiyati yo’q fazalar) reaktsiyalarni o’rganishda foydalidir. gaz fazasida). to’qnashuv modeli). Xuddi shunday, Arrhenius tenglamasi reaksiyalar tezligi harorat bilan ortib borishi haqidagi empirik kuzatishga asoslanadi. Buning o’rniga Eyring tenglamasi o’tish holati modeliga asoslangan nazariy konstruktsiyadir.
O’tish davri nazariyasi tamoyillari:
- Energiya to’sig’ining tepasida joylashgan reaktivlarning o’tish holati va holati o’rtasida termodinamik muvozanat mavjud.
- Kimyoviy reaktsiya tezligi yuqori energiya o’tish holatidagi zarrachalar kontsentratsiyasiga mutanosibdir.
Aktivatsiya energiyasi va Gibbs energiyasi o’rtasidagi bog’liqlik
Reaksiya tezligi Eyring tenglamasida ham tasvirlangan bo’lsa-da, bu tenglama bilan faollashuv energiyasidan foydalanish o’rniga, o’tish holatining Gibbs energiyasi (DG ‡ ) kiritilgan.
To’qnashuvchi molekulalarning kinetik energiyasi (ya’ni yetarli energiya va to’g’ri yo’naltirilgan) potentsial energiyaga aylantirilganligi sababli, faollashtirilgan kompleksning energetik holati musbat molyar Gibbs energiyasi bilan tavsiflanadi. Dastlab “mavjud energiya” deb nomlangan Gibbs energiyasi 1870 yilda Josiah Willard Gibbs tomonidan kashf etilgan. Ushbu energiya, shuningdek , faollashtirishning standart erkin energiyasi deb ataladi .
Har qanday vaqtda tizimning Gibbs bo’sh energiyasi tizim entalpiyasi minus haroratning tizim entropiyasiga ko’paytmasi sifatida aniqlanadi:
G=H-TS.
H – entalpiya, T – harorat, S – entropiya. Tizimning erkin energiyasini aniqlaydigan ushbu tenglama ma’lum bir reaktsiyaning harakatlantiruvchi kuchlari sifatida entalpiya va entropiyaning nisbiy ahamiyatini aniqlashga qodir. Endi entalpiya va entropiya shartlarining reaksiyaning erkin energiyasiga qo’shgan hissasi o’rtasidagi muvozanat reaksiya sodir bo’lgan haroratga bog’liq. Erkin energiyani aniqlash uchun ishlatiladigan tenglama harorat oshishi bilan entropiya atamasi muhimroq bo’lishini ko’rsatadi : DG ° = DH ° – TDS °.
Manbalar
- Brainard, J. (2014). Faollashtirish energiyasi. https://www.ck12.org/ saytida
- Arren qonuni. (2020). Faollashtirish energiyalari.
- Mitchell, N. (2018). Asetonitril kosolvent tizimlarida sirka angidrid gidrolizini Eyring faollashtirish energiya tahlili.
