אנרגיית הפעלה כימית: ממה היא מורכבת, חישוב - כִּימִיָה - 2025

האנרגיה של הפעלה כימית (מנקודה מבט של מחקרים הקינטית) מתייחסת לכמות המינימאלית של אנרגיה דרוש כדי להתחיל תגובה כימית. על פי תיאוריית ההתנגשויות בקינטיקה כימית, כל המולקולות שנמצאות בתנועה אומרות שיש להן כמות מסוימת של אנרגיה קינטית.

המשמעות היא שככל שמהירות תנועתו גדולה יותר, כך גדלה האנרגיה הקינטית שלה. במובן זה, לא ניתן לחלק מולקולה הנושאת תנועה מהירה לכדי שברים בעצמה, ולכן עלול להתרחש התנגשות בינה לבין מולקולה אחרת כדי שתתקיים תגובה כימית.

כאשר זה קורה - כאשר יש התנגשות בין המולקולות - חלק מהאנרגיה הקינטית שלהם הופכת לאנרגיה רטט. באופן דומה, אם בתחילת התהליך האנרגיה הקינטית גבוהה, המולקולות המשתתפות בהתנגשות יציגו רטט כה גדול עד שחלק מהקשרים הכימיים הקיימים יישברו.

שבירת קשרים זו מהווה את הצעד הראשון בהפיכת המגיבים למוצרים; כלומר בהיווצרותם של אלה. נהפוך הוא, אם בתחילת התהליך הזה האנרגיה הקינטית היא בעוצמה קטנה, תהיה תופעה של "ריבאונד" של המולקולות, דרכה הם יפרדו כמעט ללא פגע.

ממה זה מורכב?

החל מהמושג התנגשויות בין מולקולות בכדי ליזום תגובות כימיות שתוארו קודם, ניתן לומר כי יש כמות מינימלית של אנרגיה הנדרשת לצורך התנגשות.

לכן, אם ערך האנרגיה נמוך מהמינימום ההכרחי הזה, פשוט לא תהיה שום שינוי בין המולקולות לאחר התרחשות ההתנגשות, מה שאומר שכאשר אנרגיה זו נעדרת, המינים המעורבים נשארים כמעט שלמים וזה לא יקרה. כל שינוי עקב ההתרסקות הזו.

בסדר רעיונות זה, האנרגיה המינימלית הדרושה לשינוי שיתרחש לאחר התנגשות בין מולקולות נקראת אנרגיית הפעלה.

במילים אחרות, המולקולות המעורבות בהתנגשות צריכות להיות בעלות סכום כולל של אנרגיה קינטית השווה או גדולה יותר מאנרגיית ההפעלה כדי שתתרחש תגובה כימית.

באופן דומה, במקרים רבים המולקולות מתנגשות ומולידות מין חדש המכונה המתחם המופעל, מבנה הנקרא גם "מצב המעבר" מכיוון שהוא קיים רק באופן זמני.

זה נגרם על ידי המין המגיב בגלל ההתנגשות ולפני היווצרותם של תוצרי התגובה.

מורכב פעיל

המתחם המופעל שהוזכר לעיל יוצר מין בעל יציבות נמוכה מאוד אך בתורו יש גודל גדול של אנרגיה פוטנציאלית.

התרשים שלהלן מראה את הטרנספורמציה של מגיבים למוצרים, המתבטאים במונחים של אנרגיה ומציינים כי גודל האנרגיה של המתחם המופעל שנוצר גדול משמעותית מזה של המגיבים והמוצרים.

אם בסוף התגובה למוצרים יש יציבות גבוהה יותר מהחומרים המגיבים, שחרור האנרגיה בצורה של חום מתרחש, דבר שנותן תגובה אקסותרמית.

נהפוך הוא, אם המגיבים מגבירים יציבות בעוצמה גדולה יותר מהתוצרים, פירוש הדבר שתערובת התגובה באה לידי ביטוי ספיגת אנרגיה בצורת חום מסביבתה, והתוצאה היא תגובה אנדותרמית.

באופן דומה, אם מקרה כזה או אחר מתרחש, יש לבנות תרשים כמו זה שהוצג לפני כן, בו מתכננת האנרגיה הפוטנציאלית של המערכת המגיבה כנגד התקדמות התגובה או התקדמותה.

כך מתקבלים שינויים באנרגיה הפוטנציאלית המתרחשים ככל שהתגובה מתקדמת והגיבורים הופכים למוצרים.

איך זה מחושב?

אנרגיית ההפעלה של תגובה כימית קשורה קשר הדוק לקבוע הקצב של התגובה האמורה, והתלות של קבוע זה ביחס לטמפרטורה מיוצגת על ידי משוואת ארהניוס:

k = Ae- ^{Ea / RT}

בביטוי זה k מייצג את קבוע הקצב של התגובה (התלוי בטמפרטורה) והפרמטר A נקרא גורם התדר, והוא מדד לתדירות ההתנגשויות בין מולקולות.

מצדו, e מבטא את בסיס סדרת הלוגריתמים הטבעיים. הוא מורם לעוצמה השווה למנתח השלילי של אנרגיית ההפעלה (Ea) בין התוצר המתקבל של קבוע הגז (R) לטמפרטורה המוחלטת (T) של המערכת שיש לקחת בחשבון.

יש לציין כי גורם התדר יכול להיחשב קבוע במערכות תגובה מסוימות בטווח טמפרטורות רחב.

ביטוי מתמטי זה הונח במקור על ידי הכימאי ההולנדי ג'ייקובוס הנריקוס ואנה הופ בשנת 1884, אך מי שנתן לו תוקף מדעי ופרש את הנחת היסוד שלו היה הכימאי השוודי סוונטה ארהניוס, בשנת 1889.

חישוב אנרגיית ההפעלה של תגובה כימית

משוואת ארהניוס מציינת את המידתיות הישירה הקיימת בין קבוע הקצב של תגובה לבין תדירות ההתנגשויות בין מולקולות.

באופן דומה, ניתן לייצג משוואה זו בצורה נוחה יותר על ידי החלת המאפיין של לוגריתמים טבעיים לכל צד של המשוואה, תוך קבלת:

ln k = ln A - Ea / RT

כאשר המונחים מסודרים מחדש במונחים של השוואת קו (y = mx + b) מתקבל הביטוי הבא:

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

לכן, בעת בניית גרף של ln k כנגד 1 / T, מתקבל קו ישר, כאשר ln k מייצג את הקואורדינטה, (-Ea / R) מייצג את שיפוע הקו (m), (1 / T) מייצג את קואורדינטת ה- x, ו- ln A מייצג את היירוט עם ציר הסדר (b).

כפי שניתן לראות, המדרון הנובע מחישוב זה שווה לערך של –Ea / R. משמעות הדבר היא שאם ברצונך להשיג את ערך אנרגיית ההפעלה באמצעות ביטוי זה, עליך לבצע הבהרה פשוטה, וכתוצאה מכך:

Ea = –mR

כאן אנו יודעים שהערך של m ו- R הוא קבוע שווה ל 8.314 J / K · mol.

כיצד אנרגיית ההפעלה משפיעה על קצב התגובה?

כשמנסים לקבל תמונה של אנרגיית ההפעלה, ניתן לראות בה מחסום שאינו מאפשר להתרחש תגובה בין מולקולות האנרגיה הנמוכות.

כמו בתגובה נפוצה זה קורה שמספר המולקולות שיכולות להגיב גדול למדי, המהירות - ובאופן דומה, האנרגיה הקינטית של מולקולות אלה - יכולה להיות מאוד משתנה.

באופן כללי זה קורה שרק למספר קטן מכל המולקולות שחוות התנגשות - כאלה שיש להן מהירות תנועה רבה יותר - יש מספיק אנרגיה קינטית בכדי להיות מסוגלת לחרוג מגודל אנרגיית ההפעלה. אז מולקולות אלה הן כושר ויכולות להיות חלק מהתגובה.

על פי משוואת ארהניוס, הסימן השלילי - אשר מקדים את המנה בין אנרגיית ההפעלה לבין תוצר קבוע הגז לבין הטמפרטורה המוחלטת - מרמז כי קבוע הקצב יורד ככל שיש עלייה באנרגיית ההפעלה, כמו גם צמיחה כאשר הטמפרטורה עולה.

דוגמאות לחישוב אנרגיית הפעלה

כדי לחשב את אנרגיית ההפעלה על ידי בניית גרף, על פי משוואת ארהניוס, קבועי הקצב לתגובת הפירוק של אצטאלדהיד נמדדו בחמש טמפרטורות שונות ורצוי לקבוע את אנרגיית ההפעלה. לתגובה, הבאה לידי ביטוי כ:

CH ₃ CHO (g) → CH ₄ (g) + CO (g)

הנתונים לחמש המדידות הם כדלקמן:

k (1 / M ^1/2 s): 0.011 - 0.035 - 0.105 - 0.343 - 0.789

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

מלכתחילה, כדי לפתור את הלא ידוע הזה ולקבוע את אנרגיית ההפעלה, יש לבנות גרף של ln k לעומת 1 / T (y לעומת x), כדי להשיג קו ישר ומכאן לקחת את המדרון ולמצוא את הערך של Ea, כפי שהוסבר.

שינוי נתוני המדידה, על פי משוואת ארהניוס, הערכים הבאים נמצאים עבור y ו- x, בהתאמה:

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

מערכיה אלה ודרך חישוב מתמטי של -either מדרון במחשב או מחשבון, באמצעות הביטוי m = (Y ₂ -y ₁ ) / (X ₂ -X ₁ ) או באמצעות method- רגרסיה ליניארית אנו משיגים כי m = -Ea / R = -2.09 * 10 ⁴ K. כך:

Ea = (8.314 J / K מול) (2.09 * 10 ⁴ K)

= 1.74 * 10 ⁵ = 1.74 * 10 ² kJ / mol

כדי לקבוע אנרגיות הפעלה אחרות באופן גרפי, מבוצע נוהל דומה.

הפניות

1. ויקיפדיה. (sf). הפעלת אנרגיה. התאושש מ- en.wikipedia.org
2. צ'אנג, ר '(2007). כימיה, מהדורה תשיעית. מקסיקו: מקגרו-היל.
3. בריטניקה, א '(נ'). אנרגיית הפעלה. נשלח מ- britannica.com
4. מור, ג'יי. וי פירסון, RG (1961). קינטיקה ומנגנון. התאושש מ- books.google.co.ve
5. Kaesche, H. (2003). קורוזיה של מתכות: עקרונות פיזיקו-כימיים ובעיות שוטפות. הושג מ- books.google.co.ve