Trong hóa học, lượng năng lượng tối thiểu cần thiết để kích hoạt các nguyên tử hoặc phân tử đến điều kiện có thể tạo ra sự biến đổi hóa học hoặc vận chuyển vật chất được gọi là năng lượng kích hoạt , Ea . Trong lý thuyết trạng thái chuyển tiếp, năng lượng kích hoạt là sự khác biệt về hàm lượng năng lượng giữa các nguyên tử hoặc phân tử trong cấu hình trạng thái hoạt động hoặc trạng thái chuyển tiếp và các nguyên tử hoặc phân tử trong cấu hình ban đầu. Hầu như luôn luôn, trạng thái của một phản ứng xảy ra ở mức năng lượng cao hơn so với các sản phẩm phản ứng (chất phản ứng). Do đó, năng lượng hoạt hóa luôn có giá trị dương. Giá trị dương này xảy ra bất kể phản ứng có hấp thụ năng lượng hay không ( nội năng haythu nhiệt ) hoặc tạo ra nó ( exergonic hoặc tỏa nhiệt ).
Năng lượng kích hoạt là viết tắt của Ea. Các đơn vị phổ biến nhất của đơn vị Ea là kilojoules trên mol (kJ/mol) và kilocalories trên mol (kcal/mol).
Phương trình Arrhenius Ea
Svante Arrhenius là một nhà khoa học người Thụy Điển vào năm 1889 đã chứng minh sự tồn tại của năng lượng kích hoạt, phát triển phương trình mang tên ông. Phương trình Arrhenius mô tả mối tương quan giữa nhiệt độ và tốc độ phản ứng. Mối quan hệ này rất cần thiết để tính toán tốc độ của các phản ứng hóa học và trên hết là lượng năng lượng cần thiết để các phản ứng này diễn ra.
Trong phương trình Arrhenius, K là hệ số tốc độ phản ứng (tốc độ phản ứng), A là hệ số tần suất các phân tử va chạm và e là một hằng số (xấp xỉ bằng 2,718). Mặt khác, Ea là năng lượng kích hoạt và R là hằng số khí phổ (đơn vị năng lượng trên mỗi lần tăng nhiệt độ trên mỗi mol). Cuối cùng, T đại diện cho nhiệt độ tuyệt đối, được đo bằng độ Kelvin.
Do đó, phương trình Arrhenius được biểu diễn dưới dạng k= Ae^(-Ea/RT). Tuy nhiên, giống như nhiều phương trình, nó có thể được sắp xếp lại để tính các giá trị khác nhau. Tuy nhiên, không cần thiết phải biết giá trị của A để tính năng lượng kích hoạt (Ea), vì giá trị này có thể được xác định từ sự biến thiên của các hệ số tốc độ phản ứng như là một hàm của nhiệt độ.
Ý nghĩa hóa học của Ea
Tất cả các phân tử đều có một lượng nhỏ năng lượng, có thể ở dạng động năng hoặc thế năng. Khi các phân tử va chạm, động năng của chúng có thể phá vỡ và thậm chí phá hủy các liên kết, đó là điều xảy ra khi các phản ứng hóa học diễn ra.
Nếu các phân tử chuyển động chậm, nghĩa là có ít động năng, thì hoặc là chúng không va chạm với các phân tử khác hoặc là các va chạm đó không tạo ra bất kỳ phản ứng nào vì chúng yếu. Điều tương tự cũng xảy ra nếu các phân tử va chạm với hướng sai hoặc không đúng. Tuy nhiên, nếu các phân tử chuyển động đủ nhanh và đúng hướng, một vụ va chạm thành công sẽ xảy ra. Như vậy động năng khi va chạm sẽ lớn hơn năng lượng cực tiểu và sau va chạm đó sẽ xảy ra phản ứng. Ngay cả các phản ứng tỏa nhiệt cũng cần một lượng năng lượng tối thiểu để bắt đầu. Yêu cầu năng lượng tối thiểu đó, như chúng tôi đã giải thích trước đây, được gọi là năng lượng kích hoạt.
Kiến thức về dữ liệu về năng lượng kích hoạt của các chất ngụ ý khả năng chăm sóc môi trường của chúng ta. Nói cách khác, nếu chúng ta biết rằng, tùy thuộc vào đặc điểm của các phân tử, một phản ứng hóa học có thể được tạo ra, chúng ta không thể thực hiện các hành động, chẳng hạn như có thể gây ra hỏa hoạn. Ví dụ, biết rằng một cuốn sách có thể bắt lửa nếu đặt một ngọn nến lên trên nó (ngọn lửa của nó sẽ cung cấp năng lượng kích hoạt), chúng ta sẽ cẩn thận để ngọn lửa nến không lan sang trang giấy của cuốn sách.
Chất xúc tác và năng lượng kích hoạt
Chất xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng theo cách hơi khác so với các phương pháp khác được sử dụng cho cùng mục đích. Chức năng của chất xúc tác là làm giảm năng lượng kích hoạt , để một tỷ lệ lớn hơn các hạt có đủ năng lượng để phản ứng. Chất xúc tác có thể làm giảm năng lượng kích hoạt theo hai cách:
- Bằng cách định hướng các hạt phản ứng sao cho va chạm dễ xảy ra hơn, hoặc bằng cách thay đổi tốc độ chuyển động của chúng.
- Phản ứng với các chất phản ứng để tạo thành một chất trung gian cần ít năng lượng hơn để tạo thành sản phẩm.
Một số kim loại, chẳng hạn như bạch kim, đồng và sắt, có thể đóng vai trò là chất xúc tác trong một số phản ứng nhất định. Trong chính cơ thể chúng ta có những enzym là chất xúc tác sinh học (biocatalyst) giúp đẩy nhanh các phản ứng sinh hóa. Chất xúc tác thường phản ứng với một hoặc nhiều chất phản ứng để tạo thành chất trung gian, sau đó phản ứng để trở thành sản phẩm cuối cùng. Chất trung gian như vậy thường được gọi là “phức hợp kích hoạt . “
Ví dụ về phản ứng có chất xúc tác
Sau đây là một ví dụ lý thuyết về cách một phản ứng liên quan đến chất xúc tác có thể tiến hành. A và B là chất phản ứng, C là chất xúc tác và D là sản phẩm của phản ứng giữa A và B.
Bước đầu tiên (phản ứng 1): A+C → AC
Bước thứ hai (phản ứng 2): B+AC → ACB
Bước thứ ba (phản ứng 3): ACB → C+D
ACB là viết tắt của Hóa chất trung cấp. Mặc dù chất xúc tác (C) được tiêu thụ trong phản ứng 1, nhưng sau đó nó lại được giải phóng trong phản ứng 3, do đó phản ứng chung với chất xúc tác là: A+B+C → D+C
Từ đó, chất xúc tác được giải phóng khi kết thúc phản ứng, hoàn toàn không thay đổi. Không tính đến chất xúc tác, phản ứng tổng thể sẽ được viết: A + B → D
Trong ví dụ này, chất xúc tác đã cung cấp một tập hợp các bước phản ứng mà chúng ta có thể gọi là “lộ trình phản ứng thay thế”. Con đường này trong đó chất xúc tác can thiệp cần ít năng lượng kích hoạt hơn và do đó nhanh hơn và hiệu quả hơn.
Phương trình Arrhenius và phương trình Eyring
Hai phương trình có thể được sử dụng để mô tả tốc độ phản ứng tăng như thế nào theo nhiệt độ. Đầu tiên, phương trình Arrhenius mô tả sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng vào nhiệt độ. Mặt khác, có phương trình Eyring, được đề xuất bởi nhà nghiên cứu nói trên vào năm 1935; phương trình của ông dựa trên lý thuyết trạng thái chuyển tiếp và được sử dụng để mô tả mối quan hệ giữa tốc độ phản ứng và nhiệt độ. phương trình là:
k= ( kB T /h) exp(-ΔG ‡ /RT).
Tuy nhiên, trong khi phương trình Arrhenius giải thích sự phụ thuộc giữa nhiệt độ và tốc độ phản ứng về mặt hiện tượng, thì phương trình Eyring thông báo về các bước cơ bản riêng lẻ của phản ứng.
Mặt khác, phương trình Arrhenius chỉ có thể áp dụng cho động năng trong pha khí, trong khi phương trình Eyring rất hữu ích trong việc nghiên cứu các phản ứng cả trong pha khí và pha ngưng tụ và hỗn hợp (các pha không liên quan). trong pha khí).mô hình va chạm). Tương tự như vậy, phương trình Arrhenius dựa trên quan sát thực nghiệm rằng tốc độ phản ứng tăng theo nhiệt độ. Thay vào đó, phương trình Eyring là một cấu trúc lý thuyết dựa trên mô hình trạng thái chuyển tiếp.
Các nguyên tắc của lý thuyết trạng thái chuyển tiếp:
- Có một trạng thái cân bằng nhiệt động giữa trạng thái chuyển tiếp và trạng thái của các chất phản ứng ở đỉnh của hàng rào năng lượng.
- Tốc độ phản ứng hóa học tỷ lệ thuận với nồng độ của các hạt ở trạng thái chuyển tiếp năng lượng cao.
Mối quan hệ giữa năng lượng kích hoạt và năng lượng Gibbs
Mặc dù tốc độ phản ứng cũng được mô tả trong phương trình Eyring, nhưng với phương trình này thay vì sử dụng năng lượng kích hoạt, năng lượng Gibbs (ΔG ‡ ) của trạng thái chuyển tiếp được đưa vào.
Do động năng của các phân tử va chạm (tức là những phân tử có đủ năng lượng và định hướng đúng) được chuyển hóa thành thế năng nên trạng thái năng lượng của phức chất hoạt hóa được đặc trưng bởi năng lượng Gibbs mol dương. Năng lượng Gibbs, ban đầu được gọi là “năng lượng khả dụng”, được phát hiện vào năm 1870 bởi Josiah Willard Gibbs. Năng lượng này còn được gọi là năng lượng kích hoạt tự do tiêu chuẩn .
Năng lượng tự do Gibbs của một hệ tại bất kỳ thời điểm nào được định nghĩa là entanpy của hệ trừ đi tích của nhiệt độ nhân với entropy của hệ:
G=H-TS.
H là entanpy, T là nhiệt độ và S là entropy. Phương trình xác định năng lượng tự do của một hệ thống này có khả năng xác định tầm quan trọng tương đối của entanpy và entropy như là động lực của một phản ứng cụ thể. Bây giờ, sự cân bằng giữa sự đóng góp của các số hạng entanpy và entropy vào năng lượng tự do của một phản ứng phụ thuộc vào nhiệt độ tại đó phản ứng diễn ra. Phương trình được sử dụng để xác định năng lượng tự do gợi ý rằng thuật ngữ entropy sẽ trở nên quan trọng hơn khi nhiệt độ tăng : ΔG° = ΔH° – TΔS°.
nguồn
- Brainard, J. (2014). Năng lương̣̣ kich hoaṭ. Tại https://www.ck12.org/
- luật Arheni. (2020). Năng lượng kích hoạt.
- Mitchell, N. (2018). Phân tích năng lượng kích hoạt Eyring của quá trình thủy phân anhydrit axetic trong hệ thống dung môi axetonitril.
