ENERGIE CHEMICKÉ AKTIVACE: Z ČEHO SE SKLÁDÁ, VÝPOČET - CHEMIE - 2025

Energie chemickou aktivací (z hlediska kinetické studie) se vztahuje na nejméně množství energie potřebné ke spuštění chemické reakce. Podle teorie srážky v chemické kinetice se říká, že všechny molekuly, které jsou v pohybu, mají určité množství kinetické energie.

To znamená, že čím větší je rychlost jeho pohybu, tím větší je velikost jeho kinetické energie. V tomto smyslu nemůže být molekula, která nese rychlý pohyb, rozdělena na fragmenty sama o sobě, takže musí dojít ke kolizi mezi ní a jinou molekulou, aby mohla proběhnout chemická reakce.

Když k tomu dojde - dojde-li ke srážce mezi molekulami - zlomek jejich kinetické energie se přemění na vibrační energii. Podobně, pokud je na začátku procesu kinetická energie vysoká, molekuly, které se účastní kolize, budou představovat tak velkou vibraci, že některé přítomné chemické vazby budou přerušeny.

Toto rozrušení vazeb představuje první krok v přeměně reakčních složek na produkty; to znamená, při jejich formování. Naopak, pokud bude na začátku tohoto procesu kinetická energie malé velikosti, dojde k fenoménu „odrazu“ molekul, prostřednictvím kterého se oddělí prakticky neporušené.

Z čeho se skládá?

Počínaje konceptem srážky mezi molekulami pro zahájení dříve popsaných chemických reakcí, lze říci, že existuje minimální množství energie potřebné k tomu, aby došlo ke srážce.

Pokud je tedy energetická hodnota nižší než toto nezbytné minimum, nedojde k žádné změně mezi molekulami, když dojde ke kolizi, což znamená, že pokud tato energie chybí, zůstane dotyčný druh prakticky nedotčen a nedojde. jakékoli změny v důsledku této havárie.

V tomto pořadí myšlenek se minimální energie, která je potřebná ke změně, ke které dojde po kolizi mezi molekulami, nazývá aktivační energie.

Jinými slovy, molekuly účastnící se srážky musí mít celkové množství kinetické energie stejné nebo větší než aktivační energie, aby došlo k chemické reakci.

Podobně se v mnoha případech molekuly srazí a vytvoří nový druh nazývaný aktivovaný komplex, strukturu, která se také nazývá „stav přechodu“, protože existuje pouze dočasně.

Je to způsobeno reagujícími druhy v důsledku kolize a před vytvořením reakčních produktů.

Aktivovaný komplex

Aktivovaný komplex uvedený výše tvoří druh, který má velmi nízkou stabilitu, ale zase má velkou velikost potenciální energie.

Následující diagram ukazuje transformaci reaktantů na produkty, vyjádřené z hlediska energie a poznamenává, že velikost energie aktivovaného komplexu, který je vytvořen, je podstatně větší než u reaktantů a produktů.

Pokud mají produkty na konci reakce větší stabilitu než reakční složky, dochází k uvolňování energie ve formě tepla, což vede k exotermické reakci.

Naopak, pokud reaktanty vedou ke stabilitě větší velikosti než produkty, znamená to, že reakční směs projevuje absorpci energie ve formě tepla ze svého okolí, což vede k endotermické reakci.

Podobně, pokud dojde k jednomu nebo druhému případu, musí být sestrojen diagram jako ten, který byl zobrazen dříve, kde je vynesena potenciální energie systému, která reaguje proti postupu nebo průběhu reakce.

Tím se získají potenciální energetické změny, které nastanou v průběhu reakce a reakční složky se transformují na produkty.

Jak se počítá?

Aktivační energie chemické reakce úzce souvisí s rychlostní konstantou uvedené reakce a závislost této konstanty na teplotě je představována Arrheniovou rovnicí:

k = Ae ^{-Ea / RT}

V této expresi k představuje rychlostní konstantu reakce (která závisí na teplotě) a parametr A se nazývá frekvenční faktor a je měřítkem frekvence srážek mezi molekulami.

Pro svou část e vyjadřuje základ řady přirozených logaritmů. Zvýší se na výkon rovnající se zápornému kvocientu aktivační energie (Ea) mezi výsledným produktem plynové konstanty (R) a absolutní teplotou (T) systému, který má být zvažován.

Je třeba poznamenat, že frekvenční faktor lze v určitých reakčních systémech v širokém teplotním rozsahu považovat za konstantní.

Tento matematický výraz původně převzal nizozemský chemik Jacobus Henricus van't Hoff v roce 1884, ale ten, kdo mu dal vědeckou platnost a interpretoval jeho předpoklad, byl švédský chemik Svante Arrhenius, v roce 1889.

Výpočet aktivační energie chemické reakce

Arrheniova rovnice určuje přímou proporcionalitu, která existuje mezi rychlostní konstantou reakce a četností srážek mezi molekulami.

Rovněž lze tuto rovnici reprezentovat pohodlnějším způsobem použitím vlastnosti přirozených logaritmů na každou stranu rovnice a získat:

ln k = ln A - Ea / RT

Když jsou termíny přeuspořádány z hlediska získání rovnice přímky (y = mx + b), získá se následující výraz:

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

Když tedy konstruujeme graf ln k proti 1 / T, získá se přímka, kde ln k představuje souřadnici a (-Ea / R) představuje sklon přímky (m), (1 / T) představuje souřadnici x a ln A představuje průnik s souřadnicí osy (b).

Jak je vidět, sklon vyplývající z tohoto výpočtu se rovná hodnotě –Ea / R. To znamená, že pokud chcete pomocí tohoto výrazu získat hodnotu aktivační energie, musíte provést jednoduché vysvětlení, které povede k:

Ea = –mR

Zde víme, že hodnota ma R je konstanta rovná 8,314 J / K · mol.

Jak aktivační energie ovlivňuje rychlost reakce?

Když se pokoušíte získat obrázek aktivační energie, lze to považovat za bariéru, která neumožňuje reakci mezi molekulami nižší energie.

Stejně jako v běžné reakci se stává, že počet molekul, které mohou reagovat, je poměrně velký, rychlost - a stejně tak i kinetická energie těchto molekul - může být velmi variabilní.

Obecně se stává, že jen malé množství z celkového množství molekul, které prožívají kolizi - ty, které mají větší rychlost pohybu - má dostatek kinetické energie, aby bylo možné překročit velikost aktivační energie. Tyto molekuly jsou tedy vhodné a mohou být součástí reakce.

Podle Arrheniovy rovnice záporné znaménko - které předchází kvocientu mezi aktivační energií a součinem plynové konstanty a absolutní teploty - znamená, že rychlostní konstanta klesá se zvyšováním aktivační energie, stejně jako růst, když teplota stoupá.

Příklady výpočtu aktivační energie

Pro výpočet aktivační energie konstruováním grafu byly podle Arrheniovy rovnice změřeny rychlostní konstanty pro rozkladovou reakci acetaldehydu při pěti různých teplotách a je žádoucí stanovit aktivační energii pro reakci, která je vyjádřena jako:

CH ₃ CHO (g) → CH ₄ (g) + CO (g)

Data pro pět měření jsou následující:

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

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

Nejprve ze všeho, abychom vyřešili tuto neznámou a určili aktivační energii, musí být sestrojen graf ln k vs 1 / T (y vs x), aby byla získána přímka a odtud se sklon a určila hodnota Ea, jak je vysvětleno.

Při transformaci naměřených dat podle Arrheniovy rovnice jsou pro y a x nalezeny následující hodnoty:

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

Z těchto hodnot a pomocí matematického výpočtu sklonu -either na počítači nebo kalkulačka, za použití expresního m = (Y ₂ -Y ₁) / (X ₂ -X ₁), nebo za použití lineární regresní method- získáme, že m = -Ea / R = -2,09 x 10 ⁴ K. tedy:

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

= 1,74 x 10 ⁵ = 1,74 x 10 ² kJ / mol

Pro grafické stanovení dalších aktivačních energií se provede podobný postup.

Reference

1. Wikipedia. (sf). Aktivační energie. Obnoveno z en.wikipedia.org
2. Chang, R. (2007). Chemie, deváté vydání. Mexiko: McGraw-Hill.
3. Britannica, E. (nd). Aktivační energie. Citováno z britannica.com
4. Moore, JW a Pearson, RG (1961). Kinetika a mechanismus. Obnoveno z books.google.co.ve
5. Kaesche, H. (2003). Koroze kovů: Fyzikálně-chemické principy a aktuální problémy. Získáno z books.google.co.ve