KÉMIAI AKTIVÁCIÓS ENERGIA: MIBŐL ÁLL, SZÁMÍTÁS - KÉMIA - 2025

A kémiai aktiváció energiája (a kinetikai vizsgálatok szempontjából) a kémiai reakció indításához szükséges legkevesebb energiát jelenti. A kémiai kinetikában az ütközések elmélete szerint minden mozgásban lévő molekulanak bizonyos mennyiségű kinetikus energiája van.

Ez azt jelenti, hogy minél nagyobb a mozgásának sebessége, annál nagyobb a kinetikus energiája. Ebben az értelemben egy gyorsan mozgó molekulát önmagában nem lehet fragmentumokra bontani, tehát ütközésnek kell lennie annak és egy másik molekula között, hogy egy kémiai reakció megtörténjen.

Amikor ez megtörténik - amikor összeütközések vannak a molekulák között - kinetikus energiájuk egy része vibrációs energiává alakul. Hasonlóképpen, ha a folyamat kezdetén magas a kinetikus energia, akkor az ütközésben részt vevő molekulák olyan nagy rezgést okoznak, hogy a jelen lévő kémiai kötések egy része megsérül.

A kötések ilyen törése képezi a reagensek termékekké történő átalakításának első lépését; vagyis ezek kialakításában. Éppen ellenkezőleg, ha ennek a folyamatnak a kezdetén a kinetikus energia kis nagyságrendű, akkor a molekulák „visszapattanása” jelenség lesz, amelyen keresztül gyakorlatilag érintetlenek lesznek.

Miből áll?

A molekulák közötti ütközések fogalmától kezdve a korábban leírt kémiai reakciók kezdeményezésekor elmondható, hogy az ütközéshez minimális energia szükséges.

Tehát, ha az energiaérték kevesebb, mint ez a szükséges minimum, akkor egyszerűen nem történik változás a molekulák között az ütközés után, ami azt jelenti, hogy ezen energia hiányában az érintett fajok gyakorlatilag érintetlenek maradnak, és nem fog megtörténni. bármilyen változás ezen összeomlás miatt.

Ebben az ötletek sorrendjében aktiválási energiának nevezzük azt a minimális energiát, amely szükséges ahhoz, hogy a változások molekulák közötti ütközés után bekövetkezzenek.

Más szavakkal: az ütközésekben részt vevő molekulák kinetikus energiájának teljes mennyiségének meg kell egyeznie vagy nagyobb, mint a kémiai reakció bekövetkezéséhez szükséges aktivációs energiának.

Hasonlóképpen, sok esetben a molekulák összeütköznek, és újabb fajok kialakulásához vezetnek, az úgynevezett aktivált komplexhez. Ez a szerkezet az úgynevezett "átmeneti állapot", mivel csak ideiglenesen létezik.

Ezt a reagáló fajok okozzák az ütközés és a reakciótermékek képződése előtt.

Aktivált komplex

A fent említett aktivált komplex olyan fajt képez, amely nagyon alacsony stabilitással rendelkezik, de ennek viszont nagy a potenciális energiája.

Az alábbi ábra a reagensek termékekké történő átalakulását mutatja energiában kifejezve, és megjegyzi, hogy a képződött aktivált komplex energia nagysága lényegesen nagyobb, mint a reagensek és termékek esetében.

Ha a reakció végén a termékek nagyobb stabilitással bírnak, mint a reaktánsok, akkor energia felszabadul hő formájában, ami exoterm reakciót eredményez.

Éppen ellenkezőleg, ha a reagensek nagyobb stabilitással bírnak, mint a termékek, akkor ez azt jelenti, hogy a reakcióelegy hőnek adódó abszorpciót mutat a környezetéből, ami endoterm reakciót eredményez.

Hasonlóképpen, ha előfordul egy vagy több eset, akkor el kell készíteni egy olyan ábrát, mint amely a korábban bemutatott volt, ahol ábrázolják annak a rendszernek a potenciális energiáját, amely a reakció előrehaladásával vagy előrehaladásával szemben reagál.

Így megkapjuk a potenciális energiaváltozásokat, amelyek a reakció előrehaladtával és a reagensek termékekké alakulnak.

Hogyan számítják ki?

A kémiai reakció aktivációs energiája szorosan kapcsolódik a reakció sebességállandójához, és ennek az állandónak a hőmérséklettől való függését az Arrhenius-egyenlet képviseli:

k = Ae ^{-Ea / RT}

Ebben a kifejezésben k képviseli a reakció sebességállandóját (amely a hőmérséklettől függ), és az A paramétert frekvencia-tényezőnek hívják, és ez a molekulák közötti ütközések gyakoriságának mértéke.

A maga viszont e kifejezi a természetes logaritmusok sorozatának alapját. Emeljük olyan értékre, amely megegyezik az aktivációs energia (Ea) negatív hányadosával a kapott gázállandó (R) szorzata és a figyelembe veendő rendszer abszolút hőmérséklete (T) között.

Meg kell jegyezni, hogy a frekvencia-tényező állandónak tekinthető bizonyos reakciórendszerekben széles hőmérsékleti tartományban.

Ezt a matematikai kifejezést eredetileg Jacobus Henricus van't Hoff holland vegyész feltételezte 1884-ben, ám 18000-ben Svante Arrhenius, a svéd vegyész adta tudományos érvényességét és értelmezte előfeltevést.

Kémiai reakció aktiválási energiájának kiszámítása

Az Arrhenius-egyenlet meghatározza a közvetlen arányosságot a reakció sebességállandója és a molekulák közötti ütközések gyakorisága között.

Hasonlóképpen, ez az egyenlet kényelmesebb módon ábrázolható, ha a természetes logaritmusok tulajdonságát az egyenlet mindkét oldalára alkalmazzuk, és így megkapjuk:

ln k = ln A - Ea / RT

Amikor a kifejezéseket átrendezzük egyenes egyenletének megszerzése szempontjából (y = mx + b), akkor a következő kifejezést kapjuk:

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

Tehát, ha ln k gráfot állítunk fel 1 / T-vel szemben, akkor egyenes értéket kapunk, ahol ln k jelzi a koordinátát, (-Ea / R) pedig a vonal meredekségét (m), (1 / T) jelöli az x koordinátát, és ln A jelzi az elfogást a (b) ordináta tengelyével.

Mint látható, a számítás eredményeként kapott meredekség megegyezik –Ea / R értékkel. Ez azt jelenti, hogy ha az aktiválási energia értékét ennek a kifejezésnek a segítségével kívánja megszerezni, akkor egyszerű tisztítást kell végeznie, amelynek eredményeként:

Ea = –mR

Itt tudjuk, hogy m értéke és R értéke állandó, mint 8,314 J / K · mol.

Hogyan befolyásolja az aktivációs energia a reakció sebességét?

Amikor megpróbál képet kapni az aktivációs energiáról, úgy tekinthető, mint egy akadály, amely nem engedi, hogy az alacsonyabb energiájú molekulák között reakció alakuljon ki.

Mint egy általános reakcióban, megtörténik, hogy a reakcióba lépő molekulák száma meglehetősen nagy, a sebesség - és ennek megfelelően a molekulák kinetikus energiája - nagyon változó lehet.

Általában előfordul, hogy az ütközésnek kitett molekuláknak csak kis része - azok, amelyek nagyobb mozgási sebességgel rendelkeznek - elegendő kinetikus energiával rendelkeznek ahhoz, hogy meghaladják az aktivációs energia nagyságát. Tehát ezek a molekulák alkalmasak és képesek részt venni a reakcióban.

Az Arrhenius-egyenlet szerint a negatív jel, amely megelőzi az aktivációs energia és a gázállandó szorzata és az abszolút hőmérséklet hányadosát, azt sugallja, hogy a sebességállandó csökken, mivel növekszik az aktivációs energia, valamint növekedés, amikor a hőmérséklet megemelkedik.

Az aktiválási energia számítási példái

Az aktivációs energia grafikon elkészítésével az Arrhenius-egyenlet alapján történő kiszámításához az acetaldehid bomlási reakciójának sebességállandóit öt különböző hőmérsékleten mértük, és kívánatos az aktivációs energia meghatározása a reakcióra, amely kifejezve:

CH ₃ CHO (g) → CH ₄ (g) + CO (g)

Az öt mérés adatai a következők:

k (1 / M ^1/2 s): 0,011 - 0,035 - 0,105 - 0,333 - 0,789

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

Mindenekelőtt az ismeretlen megoldása és az aktivációs energia meghatározása céljából el kell készíteni egy ln k vs 1 / T (y vs x) gráfot, hogy egy egyenes legyen, és innen vegye le a lejtőt, és megtalálja Ea értékét, amint azt magyarázzuk.

A mérési adatok Arrhenius-egyenlettel történő átalakításával az y és x értékre a következő értékeket találjuk:

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

Ezekből az értékekből és a meredekség matematikai kiszámításával - akár számítógépen, akár egy számológépen - m = (Y ₂ -Y ₁) / (X _2- X ₁) kifejezéssel vagy a lineáris regressziós módszer alkalmazásával- kapjuk, hogy m = -Ea / R = -2,09 * 10 ⁴ K. Így:

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

= 1,74 * 10 ⁵ = 1,74 * 10 ² kJ / mol

Más aktivációs energiák grafikus meghatározására hasonló eljárást hajtanak végre.

Irodalom

1. Wikipedia. (Sf). Aktiválási energia. Helyreállítva az en.wikipedia.org webhelyről
2. Chang, R. (2007). Kémia, kilencedik kiadás. Mexikó: McGraw-Hill.
3. Britannica, E. (második). Aktiválási energia. Visszakeresve a britannica.com webhelyről
4. Moore, JW és Pearson, RG (1961). Kinetika és mechanizmus. Helyreállítva a books.google.co.ve webhelyről
5. Kaesche, H. (2003). A fémek korróziója: Fizikai-kémiai alapelvek és aktuális problémák. A (z) books.google.co webhelyről szerezhető be