Енергія активації

Розпечена стружка сталі, що утворюється від тертя об кремінь, забезпечує енергію активації для запалювання газового пальника. Тепер полум'я не згасне, так як реакція екзотермічна.

Енергія активації в хімії та біології - мінімальна кількість енергії, яке потрібно повідомити системі (в хімії виражається в джоулях на моль), щоб відбулася реакція. Термін введений Сванте Августом Ареніусом в 1889. Типове позначення енергії реакції E a.

Енергія активації в фізиці - мінімальна кількість енергії, яку повинні отримати електрони донорно домішки, для того щоб потрапити в зону провідності.

У хімічній моделі, відомої як Теорія активних зіткнень (ТАС), є три умови, необхідних для того, щоб відбулася реакція :

  • Молекули повинні зіткнутися. Це важлива умова, однак його не достатньо, тому що при зіткненні не обов'язково відбудеться реакція.
  • Молекули повинні володіти необхідною енергією (енергією активації). У процесі хімічної реакції взаємодіючі молекули повинні пройти через проміжне стан, який може володіти більшою енергією. Тобто молекули мають подолати енергетичний бар'єр; якщо цього не відбудеться, реакція не почнеться.
  • Молекули повинні бути правильно орієнтовані відносно один одного.

При низькій (для певної реакції) температурі більшість молекул мають енергією меншою, ніж енергія активації, і нездатні подолати енергетичний бар'єр. Однак в речовині завжди знайдуться окремі молекули, енергія яких значно вище середньої. Навіть при низьких температурах більшість реакцій продовжують йти. Збільшення температури дозволяє збільшити частку молекул, що володіють достатньою енергією, щоб подолати енергетичний бар'єр. Таким чином підвищується швидкість реакції.


1. Математичний опис

Рівняння Арреніуса встановлює зв'язок між енергією активації і швидкістю протікання реакції:

E_a =-RT \ ln \ left (\ frac {k} {A} \ right)

k - константа швидкості реакції, A - фактор частоти для реакції, R - універсальна газова стала, T - температура в кельвінах.

З підвищенням температури зростає ймовірність подолання енергетичного бар'єру.

Для кількісного опису температурних ефектів в хімічній кінетиці для наближених обчислень крім рівняння Арреніуса використовують правило Вант-Гоффа: підвищення температури на 10 К збільшує для більшості реакцій швидкість в 2-4 рази. Математично це означає, що швидкість реакції залежить від температури статечним чином:

w (T_ {2}) / w (T_ {1}) = \ gamma ^ {(T_ {2}-T_ {1}) / 10}

де \ Gamma - Температурний коефіцієнт швидкості (його значення лежить в інтервалі від 2 до 4). Правило Вант-Гоффа є дуже грубим і застосовується лише в дуже обмеженому інтервалі температур.


2. Перехідний стан

Співвідношення між енергією активації ( E_a ) І ентальпією (ентропією) реакції (Δ H) за наявності та за відсутності каталізатора. Найвища точка енергії являє собою енергетичний бар'єр. У присутності каталізатора енергії, яка необхідна для початку реакції, потрібно менше.

Перехідний стан - стан системи, при якому врівноважені руйнування і створення зв'язку. У перехідному стані система знаходиться протягом невеликого (10 -15 с) часу. Енергія, яку необхідно затратити, щоб привести систему в перехідний стан, називається енергією активації. У багатоступеневих реакціях, які включають в себе кілька перехідних станів, енергія активації відповідає найбільшому значенню енергії. Після подолання перехідного стану молекули знову розлітаються з руйнуванням старих зв'язків і утворенням нових або з перетворенням вихідних зв'язків. Обидва варіанти можливі, оскільки відбуваються з вивільненням енергії (це добре видно на малюнку, оскільки обидва положення лежать енергетично нижче енергії активації). Існують речовини, здатні зменшити енергію активації для даної реакції. Такі речовини називають каталізаторами. Біологи ж такі речовини називають ферментами. Цікаво, що каталізатори таким чином прискорюють хід реакції, самостійно в ній не беручи участь.