ENERGIJA KEMIČNE AKTIVACIJE: IZ ČESA JE SESTAVLJEN, IZRAČUN - KEMIJA - 2025

Energija kemično aktiviranje (z vidika kinetičnih raziskav) nanaša na najmanjšo količino energije, ki je potrebna za začetek kemijsko reakcijo. Glede na teorijo trkov v kemijski kinetiki naj bi imele vse molekule, ki so v gibanju, določeno količino kinetične energije.

To pomeni, da večja kot je hitrost njegovega gibanja, večja je njegova kinetična energija. V tem smislu molekule, ki izvaja hitro gibanje, ni mogoče razdeliti na drobce, zato mora med njo in drugo molekulo prišlo do trka, da pride do kemične reakcije.

Ko se to zgodi - ko pride do trka molekul - se del njihove kinetične energije pretvori v vibracijsko energijo. Če je kinetična energija na začetku postopka velika, bodo molekule, ki sodelujejo v trčenju, tako zelo vibracije, da bodo nekatere kemične vezi razpadle.

Razpad vezi je prvi korak pri pretvorbi reaktantov v proizvode; torej pri oblikovanju le-teh. Nasprotno, če bo kinetična energija na začetku tega procesa majhne velikosti, bo prišlo do pojava "odboja" molekul, skozi katerega se bodo ločile praktično nedotaknjene.

Iz česa je sestavljeno?

Izhajajoč iz koncepta trčenja med molekulami, da bi sprožili kemijske reakcije, ki smo jih že opisali, lahko rečemo, da je za trčenje potrebna minimalna količina energije.

Če je torej energijska vrednost manjša od tega potrebnega minimuma, med molekuloma po trčenju preprosto ne bo sprememb, kar pomeni, da ko ta energija ni, ostanejo vpletene vrste praktično nedotaknjene in se ne bo zgodilo. kakršna koli sprememba zaradi te nesreče.

V tem zaporedju idej se minimalna energija, ki je potrebna za spremembo, ki nastane po trku med molekulami, imenuje aktivacijska energija.

Z drugimi besedami, molekule, ki sodelujejo v trčenju, morajo imeti skupno količino kinetične energije, ki je enaka ali večja od energije aktiviranja, da pride do kemične reakcije.

Prav tako se v mnogih primerih molekule trčijo in povzročijo novo vrsto, imenovano aktivirani kompleks, strukturo, ki ji pravimo tudi "prehodno stanje", ker obstaja le začasno.

Povzročajo jo reakcijske vrste zaradi trčenja in pred nastankom reakcijskih produktov.

Aktiviran kompleks

Zgoraj omenjeni aktivirani kompleks tvori vrsto, ki ima zelo nizko stabilnost, vendar ima posledično veliko potencialno energijo.

Naslednji diagram prikazuje pretvorbo reaktantov v produkte, izraženo z energijo in z navedbo, da je velikost energije aktiviranega kompleksa, ki se tvori, bistveno večja od moči reaktantov in produktov.

Če imajo izdelki na koncu reakcije večjo stabilnost kot snovi v reaktantu, pride do sproščanja energije v obliki toplote, kar povzroči eksotermično reakcijo.

Nasprotno, če reaktanti dosežejo stabilnost večjo velikost kot produkti, to pomeni, da reakcijska zmes manifestira absorpcijo energije v obliki toplote iz njene okolice, kar ima za posledico endotermično reakcijo.

Prav tako mora biti v primeru enega ali drugega primera sestavljen diagram, kot je bil prej prikazan, kjer je narisana potencialna energija sistema, ki reagira proti napredovanju ali poteku reakcije.

Tako dobimo potencialne spremembe energije, ki nastanejo, ko reakcija teče in reaktanti se pretvorijo v produkte.

Kako se izračuna?

Energija aktivacije kemijske reakcije je tesno povezana s konstanto hitrosti omenjene reakcije, odvisnost te konstante glede na temperaturo pa predstavlja Arrenijeva enačba:

k = Ae- ^{Ea / RT}

V tem izrazu k predstavlja konstanto hitrosti reakcije (ki je odvisna od temperature), parameter A pa imenujemo frekvenčni faktor in je merilo pogostosti trkov med molekulami.

E pa izraža osnovo serije naravnih logaritmov. Zviša se na moč, ki je enaka negativnemu količniku aktivacijske energije (Ea) med nastalim produktom plinske konstante (R) in absolutno temperaturo (T) sistema, ki ga je treba upoštevati.

Treba je opozoriti, da se lahko frekvenčni faktor v določenih reakcijskih sistemih v širokem temperaturnem območju šteje za konstanto.

Ta matematični izraz je prvotno prevzel nizozemski kemik Jacobus Henricus va't Hoff leta 1884, toda tisti, ki mu je dal znanstveno veljavo in razlagal njegovo premiso, je bil leta 1889 švedski kemik Svante Arrhenius.

Izračun aktivacijske energije kemične reakcije

Arrenijeva enačba določa direktno sorazmernost med konstanto hitrosti reakcije in pogostostjo trkov med molekulami.

Prav tako lahko to enačbo predstavimo na bolj primeren način z uporabo lastnosti naravnih logaritmov na vsako stran enačbe, pri čemer dobimo:

ln k = ln A - Ea / RT

Ko sta izraza preurejena v smislu pridobivanja enačbe premice (y = mx + b), dobimo naslednji izraz:

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

Torej, ko sestavimo graf ln k proti 1 / T, dobimo ravno črto, kjer ln k predstavlja koordinato in (-Ea / R) predstavlja naklon premice (m), (1 / T) predstavlja koordinato x in ln A predstavlja prestrez z ordinatno osjo (b).

Kot je razvidno, je naklon, ki je posledica tega izračuna, enak vrednosti –Ea / R. To pomeni, da če želite s pomočjo tega izraza pridobiti vrednost aktivacijske energije, morate opraviti preprosto pojasnilo, kar ima za posledico:

Ea = –MR

Tu vemo, da je vrednost m in R konstanta enaka 8.314 J / K · mol.

Kako energija aktivacije vpliva na hitrost reakcije?

Ko poskušate dobiti sliko aktivacijske energije, jo lahko vidimo kot oviro, ki ne dovoli, da bi prišlo do reakcij med molekulami nižje energije.

Kot v običajni reakciji se zgodi, da je število molekul, ki lahko reagirajo, precej veliko, hitrost - in, kar je podobno, kinetična energija teh molekul - je lahko zelo spremenljiva.

Na splošno se zgodi, da ima le majhna količina celote molekul, ki doživijo trk - tistih, ki imajo večjo hitrost gibanja - dovolj kinetične energije, da lahko preseže velikost aktivacijske energije. Tako so te molekule primerne in so lahko del reakcije.

Po Arrenijevi enačbi negativni znak, ki je pred kvocientom med aktivacijsko energijo in produktom plinske konstante ter absolutno temperaturo, pomeni, da se konstantna hitrost zmanjšuje, ko pride do povečanja aktivacijske energije, kot tudi rast, ko se temperatura poveča.

Primeri izračuna energije za aktivacijo

Za izračun aktivacijske energije z izdelavo grafa smo po Arrheniusovi enačbi izmerili konstante hitrosti reakcije razgradnje acetaldehida pri petih različnih temperaturah in zaželeno je določiti aktivacijsko energijo za reakcijo, ki je izražena kot:

CH ₃ CHO (g) → CH ₄ (g) in ogljikovega monoksida (g)

Podatki za pet meritev so naslednji:

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

T (K): 700 - 730 - 760 - 790 - 810

Najprej je treba za rešitev te neznane in določitev aktivacijske energije sestaviti graf ln k vs 1 / T (y vs x), da dobimo ravno črto in od tod vzamemo naklon in najdemo vrednost Ea, kot je razloženo.

Preoblikovanje merilnih podatkov po Arreniusovi enačbi najdemo naslednje vrednosti za y oziroma x:

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

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

Iz teh vrednosti in z matematičnim izračunom naklona - bodisi v računalniku ali kalkulatorju, z uporabo izraza m = (Y ₂ -Y ₁ ) / (X ₂ -X ₁ ) ali z uporabo metode linearne regresije - dobimo, da je m = -Ea / R = -2,09 * 10 ⁴ K. Tako:

Ea = (8,314 J / K mol) (2,09 * 10 ⁴ K)

= 1,74 * 10 ⁵ = 1,74 * 10 ² kJ / mol

Za določitev drugih aktivacijskih energij grafično določimo podoben postopek.

Reference

1. Wikipedija. (sf). Aktivacijska energija. Pridobljeno s strani en.wikipedia.org
2. Chang, R. (2007). Kemija, deveta izdaja. Mehika: McGraw-Hill.
3. Britannica, E. (drugo). Aktivacijska energija. Pridobljeno iz britannica.com
4. Moore, JW in Pearson, RG (1961). Kinetika in mehanizem. Pridobljeno iz books.google.co.ve
5. Kaesche, H. (2003). Korozija kovin: fizikalno-kemijska načela in trenutni problemi. Pridobljeno iz books.google.co.ve