ЕНЕРГІЯ ХІМІЧНОЇ АКТИВАЦІЇ: З ЧОГО СКЛАДАЄТЬСЯ, РОЗРАХУНОК - ХІМІЯ - 2025

Енергія хімічної активації (з точки зору кінетичних досліджень) відноситься до наімалейшему кількості енергії , необхідне , щоб почати хімічну реакцію. Відповідно до теорії зіткнень у хімічній кінетиці, мовляв, всі молекули, які перебувають у русі, мають певну кількість кінетичної енергії.

Це означає, що чим більша швидкість його руху, тим більша величина його кінетичної енергії. У цьому сенсі молекула, яка здійснює швидкий рух, не може бути поділена на фрагменти сама по собі, тому між нею і іншою молекулою має відбутися зіткнення, щоб відбулася хімічна реакція.

Коли це відбувається - коли відбувається зіткнення між молекулами - частина їх кінетичної енергії перетворюється на коливальну енергію. Так само, якщо на початку процесу кінетична енергія буде великою, молекули, які беруть участь у зіткненні, будуть представляти настільки велику вібрацію, що частина присутніх хімічних зв’язків буде порушена.

Розрив зв'язків є першим кроком у перетворенні реагентів у продукти; тобто у формуванні цих. Навпаки, якщо на початку цього процесу кінетична енергія буде невеликої величини, відбудеться явище "відскоку" молекул, завдяки якому вони будуть відокремлюватися практично неушкодженими.

З чого він складається?

Починаючи з концепції зіткнень між молекулами для ініціювання раніше описаних хімічних реакцій, можна сказати, що для зіткнення необхідна мінімальна кількість енергії.

Отже, якщо енергетична цінність менша, ніж цей необхідний мінімум, між молекулами після зіткнення просто не буде змін, а це означає, що коли ця енергія відсутня, залучені види залишаються практично неушкодженими і цього не відбудеться. будь-які зміни через цю аварію.

У такому порядку ідей мінімальну енергію, необхідну для того, щоб зміни відбулися після зіткнення між молекулами, називають енергією активації.

Іншими словами, молекули, що беруть участь у зіткненні, повинні мати загальну кількість кінетичної енергії, рівну або більше енергії активації для хімічної реакції.

Так само у багатьох випадках молекули стикаються і створюють новий вид, який називають активованим комплексом, структуру якого також називають "перехідним станом", оскільки він існує лише тимчасово.

Це викликано реагуючими видами внаслідок зіткнення і до утворення продуктів реакції.

Активований комплекс

Згаданий вище активований комплекс утворює вид, який має дуже низьку стабільність, але, у свою чергу, має велику величину потенційної енергії.

На наступній схемі показано перетворення реагентів на продукти, виражене в енергетичному вираженні, зазначаючи, що величина енергії активованого комплексу, що утворюється, значно більша, ніж у реагентів і продуктів.

Якщо в кінці реакції продукти мають більшу стійкість, ніж речовини-реагенти, відбувається виділення енергії у вигляді тепла, що дає екзотермічну реакцію.

Навпаки, якщо реагенти призводять до стабільності більшої величини, ніж продукти, це означає, що реакційна суміш проявляє поглинання енергії у вигляді тепла з оточення, внаслідок чого виникає ендотермічна реакція.

Так само, якщо трапляється той чи інший випадок, повинна бути побудована така схема, як показана раніше, де будується потенційна енергія системи, яка реагує проти прогресу або прогресу реакції.

Таким чином, отримуються потенційні зміни енергії, які відбуваються в міру протікання реакції та перетворення реагентів у продукти.

Як він обчислюється?

Енергія активації хімічної реакції тісно пов'язана з постійною швидкістю зазначеної реакції, а залежність цієї константи від температури представлена ​​рівнянням Арренія:

k = Ae- ^{Ea / RT}

У цьому виразі k представлена ​​константа швидкості реакції (яка залежить від температури), а параметр A називається коефіцієнтом частоти і є мірою частоти зіткнень між молекулами.

Зі свого боку, e виражає основу ряду природних логарифмів. Він піднімається на потужність, рівну від'ємному коефіцієнту енергії активації (Еа) між отриманим продуктом газової константи (R) і абсолютною температурою (Т), яку слід врахувати.

Слід зазначити, що коефіцієнт частоти можна вважати постійним у певних системах реакцій у широкому діапазоні температур.

Цей математичний вираз спочатку припустив голландський хімік Якобус Генрік Вант Хофф у 1884 році, але той, хто надав йому наукову силу та інтерпретував його передумови, був шведським хіміком Сванте Арреніусом у 1889 році.

Розрахунок енергії активації хімічної реакції

Рівняння Арренія визначає пряму пропорційність, яка існує між постійною швидкістю реакції та частотою зіткнень між молекулами.

Так само це рівняння можна представити більш зручним способом, застосовуючи властивість природних логарифмів до кожної сторони рівняння, отримуючи:

ln k = ln A - Ea / RT

Коли члени переставляють з точки зору отримання рівняння прямої (y = mx + b), виходить таке вираз:

ln k = (- Ea / R) (1 / T) + ln A

Отже, будуючи графік ln k проти 1 / T, виходить пряма, де ln k являє собою координату, а (-Ea / R) являє собою нахил лінії (m), (1 / T) являє координату x, а ln A являє собою перехоплення з осі ординат (b).

Як видно, нахил, отриманий в результаті цього розрахунку, дорівнює значенню –Ea / R. Це означає, що якщо ви хочете отримати значення енергії активації за допомогою цього виразу, ви повинні виконати просте уточнення, в результаті чого:

Ea = –MR

Тут ми знаємо, що значення m і R - константа, що дорівнює 8,314 Дж / К · моль.

Як енергія активації впливає на швидкість реакції?

Намагаючись сформувати картину енергії активації, її можна розглядати як бар'єр, який не дозволяє реакції між молекулами нижчої енергії.

Як і в звичайній реакції, трапляється, що кількість молекул, які можуть реагувати, досить велика, швидкість - і, що еквівалентно, кінетична енергія цих молекул - може бути дуже змінною.

Зазвичай трапляється, що лише невелика кількість сукупності молекул, які зазнають зіткнення, - тих, що мають більшу швидкість руху - мають достатню кінетичну енергію, щоб можна було перевищити величину енергії активації. Отже ці молекули придатні і можуть бути частиною реакції.

Згідно рівняння Арренія, від'ємний знак - який передує коефіцієнту між енергією активації та продуктом газової константи та абсолютною температурою - означає, що константа швидкості зменшується в міру збільшення енергії активації, а також зростання при підвищенні температури.

Приклади розрахунку енергії активації

Для обчислення енергії активації шляхом побудови графіка, згідно рівняння Арренія, константи швидкості реакції розкладання ацетальдегіду вимірювали при п'яти різних температурах і бажано визначити енергію активації для реакції, яка виражається як:

CH ₃ CHO (g) → CH ₄ (g) + CO (g)

Дані для п’яти вимірювань такі:

k (1 / М ^1/2 с): 0,011 - 0,035 - 0,105 - 0,343 - 0,789

Т (К): 700 - 730 - 760 - 790 - 810

Перш за все, для вирішення цієї невідомої та визначення енергії активації необхідно побудувати графік ln k vs 1 / T (y vs x), отримати пряму лінію і звідси взяти нахил і знайти значення Ea, як пояснено.

Перетворюючи дані вимірювань, за рівнянням Арреніуса, знаходяться такі значення для y і x відповідно:

ln k: (-4,51) - (-3,35) - (-2,254) - (-1,070) - (-0,237)

1 / Т (К ^-1 ): 1,43 * 10 ^-3 - 1,37 * 10 ^-3 - 1,32 * 10 ^-3 - 1,27 * 10 ^-3 - 1,23 * 10 ^-3

З цих значень і за допомогою математичного обчислення нахилу - або на комп’ютері чи калькуляторі, використовуючи вираз m = (Y ₂ -Y ₁ ) / (X ₂ -X ₁ ) або використовуючи метод лінійної регресії - отримаємо, що m = -Ea / R = -2,09 * 10 ⁴ К. Таким чином:

Ea = (8,314 Дж / К моль) (2,09 * 10 ⁴ К)

= 1,74 * 10 ⁵ = 1,74 * 10 ² кДж / моль

Для графічного визначення інших енергій активації проводиться аналогічна процедура.

Список літератури

1. Вікіпедія. (sf). Енергія активації. Відновлено з сайту en.wikipedia.org
2. Чанг, Р. (2007). Хімія, дев'яте видання. Мексика: McGraw-Hill.
3. Britannica, E. (nd). Енергія активації. Отримано з britannica.com
4. Мур, Дж. В. і Пірсон, Р.Г. (1961). Кінетика та механізм. Відновлено з books.google.co.ve
5. Kaesche, H. (2003). Корозія металів: фізико-хімічні засади та сучасні проблеми. Отримано з books.google.co.ve