- Из чего он состоит?
- Активированный комплекс
- Как рассчитывается?
- Расчет энергии активации химической реакции
- Как энергия активации влияет на скорость реакции?
- Примеры расчета энергии активации
- Ссылки
Энергия химической активации (с точки зрения кинетических исследований) относится к наималейшему количеству энергии , необходимое , чтобы начать химическую реакцию. Согласно теории столкновений в химической кинетике, считается, что все движущиеся молекулы обладают определенной кинетической энергией.
Это означает, что чем больше скорость его движения, тем больше величина его кинетической энергии. В этом смысле молекула, которая совершает быстрое движение, не может быть разделена на фрагменты сама по себе, поэтому должно произойти столкновение между ней и другой молекулой, чтобы произошла химическая реакция.
Когда это происходит - когда происходит столкновение между молекулами - часть их кинетической энергии преобразуется в энергию колебаний. Точно так же, если в начале процесса кинетическая энергия высока, молекулы, участвующие в столкновении, будут представлять такую сильную вибрацию, что некоторые из имеющихся химических связей будут разорваны.
Этот разрыв связей составляет первый шаг в превращении реагентов в продукты; то есть в их формировании. Напротив, если в начале этого процесса кинетическая энергия будет небольшой, произойдет явление «отскока» молекул, в результате которого они разделятся практически целыми.
Из чего он состоит?
Исходя из концепции столкновений между молекулами для инициирования ранее описанных химических реакций, можно сказать, что для возникновения столкновения требуется минимальное количество энергии.
Таким образом, если значение энергии меньше этого необходимого минимума, просто не будет никаких изменений между молекулами после столкновения, что означает, что, когда эта энергия отсутствует, участвующие частицы остаются практически нетронутыми, и этого не произойдет. любые изменения из-за этого сбоя.
В этом порядке идей минимальная энергия, необходимая для того, чтобы изменение произошло после столкновения между молекулами, называется энергией активации.
Другими словами, молекулы, участвующие в столкновении, должны обладать общей кинетической энергией, равной или большей, чем энергия активации, чтобы произошла химическая реакция.
Точно так же во многих случаях молекулы сталкиваются и порождают новый вид, называемый активированным комплексом, структуру, которую также называют «переходным состоянием», потому что она существует только временно.
Это вызвано реагирующими частицами из-за столкновения и до образования продуктов реакции.
Активированный комплекс
Вышеупомянутый активированный комплекс образует вид, который имеет очень низкую стабильность, но, в свою очередь, имеет большую величину потенциальной энергии.
На следующей диаграмме показано превращение реагентов в продукты, выраженное в единицах энергии, с учетом того, что величина энергии образованного активированного комплекса значительно больше, чем у реагентов и продуктов.
Если в конце реакции продукты обладают большей стабильностью, чем реагирующие вещества, происходит выделение энергии в виде тепла, вызывая экзотермическую реакцию.
Напротив, если реагенты приводят к большей стабильности, чем продукты, это означает, что реакционная смесь проявляет поглощение энергии в виде тепла из окружающей среды, что приводит к эндотермической реакции.
Аналогичным образом, если возникает тот или иной случай, необходимо построить диаграмму, подобную показанной ранее, на которой отображается потенциальная энергия системы, которая реагирует против продвижения или прогресса реакции.
Таким образом, получаются изменения потенциальной энергии, которые происходят по мере протекания реакции и превращения реагентов в продукты.
Как рассчитывается?
Энергия активации химической реакции тесно связана с константой скорости указанной реакции, и зависимость этой константы от температуры представлена уравнением Аррениуса:
k = Ae -Ea / RT
В этом выражении k представляет собой константу скорости реакции (которая зависит от температуры), а параметр A называется частотным фактором и является мерой частоты столкновений между молекулами.
Со своей стороны, e выражает основание ряда натуральных логарифмов. Он возводится в степень, равную отрицательному отношению энергии активации (Ea) между результирующим произведением газовой постоянной (R) и абсолютной температурой (T) рассматриваемой системы.
Следует отметить, что частотный фактор можно считать постоянным в некоторых реакционных системах в широком диапазоне температур.
Это математическое выражение было первоначально принято голландским химиком Якобом Хенрикусом ван'т Хоффом в 1884 году, но тем, кто придал ему научную обоснованность и интерпретировал его предпосылку, был шведский химик Сванте Аррениус в 1889 году.
Расчет энергии активации химической реакции
Уравнение Аррениуса определяет прямую пропорциональность, которая существует между константой скорости реакции и частотой столкновений между молекулами.
Точно так же это уравнение можно представить более удобным способом, применив свойство натурального логарифма к каждой стороне уравнения, получив:
ln k = ln A - Ea / RT
Когда члены переставляются в терминах получения уравнения прямой (y = mx + b), получается следующее выражение:
ln k = (- Ea / R) (1 / T) + ln A
Итак, при построении графика зависимости ln k от 1 / T получается прямая линия, где ln k представляет координату, а (-Ea / R) представляет наклон линии (m), (1 / T) представляет координату x, а ln A представляет точку пересечения с осью ординат (b).
Как видно, крутизна, полученная в результате этого расчета, равна значению –Ea / R. Это означает, что если вы хотите получить значение энергии активации с помощью этого выражения, вы должны выполнить простое уточнение, в результате чего:
Ea = –mR
Здесь мы знаем значение m, а R - константа, равная 8,314 Дж / К · моль.
Как энергия активации влияет на скорость реакции?
При попытке получить представление об энергии активации ее можно рассматривать как барьер, который не позволяет реакции происходить между молекулами с более низкой энергией.
Как и в обычной реакции, количество молекул, которые могут реагировать, довольно велико, скорость - и, что эквивалентно, кинетическая энергия этих молекул - может быть очень переменной.
Обычно бывает, что только небольшое количество всех молекул, которые испытывают столкновение - те, которые имеют большую скорость движения - имеют достаточно кинетической энергии, чтобы быть в состоянии превысить величину энергии активации. Итак, эти молекулы подходят и могут участвовать в реакции.
Согласно уравнению Аррениуса, отрицательный знак, предшествующий частному между энергией активации и произведением газовой постоянной и абсолютной температуры, означает, что константа скорости уменьшается по мере увеличения энергии активации, а также рост при повышении температуры.
Примеры расчета энергии активации
Для расчета энергии активации путем построения графика в соответствии с уравнением Аррениуса константы скорости реакции разложения ацетальдегида были измерены при пяти различных температурах, и желательно определить энергию активации для реакции, которая выражается как:
CH 3 CHO (г) → CH 4 (г) + CO (г)
Данные для пяти измерений следующие:
k (1 / M 1/2 с): 0,011 - 0,035 - 0,105 - 0,343 - 0,789
Т (К): 700 - 730 - 760 - 790 - 810
Прежде всего, чтобы решить эту неизвестную и определить энергию активации, необходимо построить график ln k vs 1 / T (y vs x), чтобы получить прямую линию и отсюда взять наклон и найти значение Ea, как объяснено.
Преобразуя данные измерений, согласно уравнению Аррениуса, находятся следующие значения для y и x соответственно:
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
На основе этих значений и посредством математического расчета наклона - либо на компьютере, либо на калькуляторе, используя выражение m = (Y 2 -Y 1 ) / (X 2 -X 1 ) или используя метод линейной регрессии - получаем, что m = -Ea / R = -2,09 * 10 4 К. Таким образом:
Ea = (8,314 Дж / К моль) (2,09 * 10 4 К)
= 1,74 * 10 5 = 1,74 * 10 2 кДж / моль
Для определения других энергий активации графически выполняется аналогичная процедура.
Ссылки
- Wikipedia. (SF). Энергия активации. Получено с en.wikipedia.org
- Чанг, Р. (2007). Химия, Девятое издание. Мексика: Макгроу-Хилл.
- Британника, Э. (nd). Энергия активации. Получено с britannica.com
- Мур, Дж. У. и Пирсон, Р. Г. (1961). Кинетика и механизм. Восстановлено с books.google.co.ve
- Кэше, Х. (2003). Коррозия металлов: физико-химические основы и современные проблемы. Получено с books.google.co.ve