Енергія активації

Матеріал з Вікіпедії – вільної енциклопедії
Перейти до навігації Перейти до пошуку
Розжарена стружка сталі, що утворюється від тертя про кремінь, забезпечує енергію активації для запалення газового пальника. Тепер полум'я не згасне, тому що екзотермічна реакція.

Енергія активації в хімії - параметр, що емпірично визначається, що характеризує показову залежність константи швидкості реакції від температури [1] . Виражається в джоулях на моль . Термін введений Сванте Августом Арреніусом в 1889 році . Типове позначення енергії активації: E a .

Енергія активації у фізиці — мінімальна кількість енергії, яку мають отримати електрони донорної домішки, щоб потрапити до зони провідності.

У хімічній моделі, відомій як Теорія активних зіткнень (ТАС) , є три умови, необхідні для того, щоб відбулася реакція :

  • Молекули мають зіткнутися. Це важлива умова, проте його мало, оскільки при зіткненні не обов'язково відбудеться реакція.
  • Молекули повинні мати необхідну енергію ( енергію активації ). У процесі хімічної реакції взаємодіючі молекули повинні пройти через проміжний стан , який може мати більшу енергію. Тобто молекули мають подолати енергетичний бар'єр ; якщо цього не станеться, реакція не розпочнеться.
  • Молекули мають бути правильно орієнтовані щодо один одного.

При низькій (для певної реакції) температурі більшість молекул мають енергію меншу, ніж енергія активації, і не здатні подолати енергетичний бар'єр. Однак у речовині завжди знайдуться окремі молекули, енергія яких значно вища за середню. Навіть за низьких температур більшість реакцій продовжують йти. Збільшення температури дозволяє збільшити частку молекул, що мають достатню енергію, щоб подолати енергетичний бар'єр. Таким чином підвищується швидкість реакції .

Математичний опис

Рівняння Арреніуса встановлює зв'язок між енергією активації та швидкістю протікання реакції:

,

де k - Константа швидкості реакції , - передекспоненційний множник ( фактор частоти) для реакції, - Універсальна газова постійна , - Температура в кельвінах .

З підвищенням температури зростає можливість подолання енергетичного бар'єру.

Для кількісного опису температурних ефектів у хімічній кінетиці для наближених обчислень, крім рівняння Арреніуса, використовують правило Вант-Гоффа: підвищення температури на 10 К збільшує для більшості реакцій швидкість у 2-4 рази. Математично це означає, що швидкість реакції залежить від температури статечним чином:

де - температурний коефіцієнт швидкості (його значення лежить в інтервалі від 2 до 4). Правило Вант-Гоффа є дуже грубим і застосовується тільки в дуже обмеженому інтервалі температур: від 10 до 400 ˚С, а також при активації енергії від 60 до 120 кДж/моль. Правило Вант-Гоффа не працює з великими молекулами.

Перехідний стан

Співвідношення між енергією активації ( ) та ентальпією (ентропією) реакції (Δ H ) за наявності та за відсутності каталізатора. Найвища точка енергії є енергетичним бар'єром . У присутності каталізатора енергії, яка потрібна для початку реакції, потрібно менше.

Перехідний стан - стан системи, при якому врівноважені зруйновані та створені зв'язки. У перехідному стані система перебуває протягом невеликого (10 -15 с) часу. Енергія, яку потрібно витратити, щоб привести систему в перехідний стан, називається енергією активації. У багатоступінчастих реакціях, які включають кілька перехідних станів, енергія активації відповідає найбільшому значенню енергії. Після подолання перехідного стану молекули знову розлітаються із руйнуванням старих зв'язків та утворенням нових або з перетворенням вихідних зв'язків. Обидва варіанти можливі, тому що відбуваються з вивільненням енергії (це добре видно на малюнку, оскільки обидва положення лежать енергетично нижче енергії активації). Існують речовини, здатні зменшити енергію активації цієї реакції. Такі речовини називають каталізаторами . У біологічних реакціях як каталізатори виступають ферменти .

Див. також

Примітки

  1. International Union of Pure and Applied Chemistry. IUPAC Gold Book - activation energy (Arrhenius activation energy) (англ.) . goldbook.iupac.org. Дата звернення: 21 січня 2019 року.

Посилання