Energi av kjemisk aktivering: Hva den består av, Beregning
Den kjemiske aktiveringsenergien (fra kinetiske undersøkelsers synspunkt) refererer til minst mulig mengde energi som kreves for å starte en kjemisk reaksjon. Ifølge teorien om kollisjoner i kjemisk kinetikk er det sagt at alle molekyler som er i bevegelse, har en viss mengde kinetisk energi.
Dette betyr at jo større hastigheten på bevegelsen din er, jo større er størrelsen på din kinetiske energi. På denne måten kan et molekyl som bærer en rask bevegelse ikke splittes i fragmenter av seg selv, så det må oppstå et kollisjon mellom dette og et annet molekyl slik at en kjemisk reaksjon kan oppstå.
Når dette skjer - når en kollisjon oppstår mellom molekylene - blir en brøkdel av sin kinetiske energi omdannet til vibrasjonsenergi. På samme måte, hvis i starten av prosessen den kinetiske energien er høy, vil molekylene som deltar i kollisjonen presentere en vibrasjon så stor at noen av de kjemiske bindingene som er tilstede vil bli brutt.
Denne sammenbrudd av koblinger er det første trinnet i transformasjonen av reaktanter til produkter; det vil si i dannelsen av disse. På den annen side, hvis kinetisk energi i begynnelsen av denne prosessen er av liten størrelsesorden, vil det bli et fenomen av "rebound" av molekylene, hvorved de vil skille praktisk talt intakt.
Hva består det av?
Med utgangspunkt i begrepet kollisjoner mellom molekyler for å initiere de kjemiske reaksjonene som er beskrevet tidligere, kan det sies at det er en minimumsmengde energi som kreves for at en kollisjon skal oppstå.
Så, hvis energiværdien er mindre enn dette nødvendige minimum, vil det ikke være noen endring mellom molekylene etter at kollisjonen oppstår, noe som betyr at når denne energien er fraværende, forblir de involverte artene nesten intakte og vil ikke skje Ingen endring på grunn av dette sjokk.
I denne rekkefølgen av ideer kalles den minste energi som trengs for en forandring som oppstår etter en kollisjon mellom molekyler, aktiveringsenergi.
Med andre ord, molekylene som er involvert i et sjokk, må ha en mengde total kinetisk energi med en størrelse som er lik eller større enn aktiveringsenergien for en kjemisk reaksjon skal forekomme.
Også i mange tilfeller kolliderer molekylene og oppstår en ny art som kalles aktivert kompleks, struktur som også kalles "overgangsstatus" fordi den bare eksisterer midlertidig.
Det er forårsaket av reaktantartene på grunn av kollisjonen og før dannelsen av produktene av reaksjonen.
Aktivert kompleks
Det aktiverte komplekset som er nevnt ovenfor, danner en art som har meget lav stabilitet, men som i sin tur besitter en stor mengde potensiell energi.
Følgende diagram viser transformasjonen av reaktanter til produkter uttrykt i form av energi og bemerker at størrelsen på energien til det aktiverte komplekset som dannes er betydelig større enn det for reaktantene og produktene.
Hvis produktene i slutten av reaksjonen har en større stabilitet enn reaktantstoffene, oppstår energiutslipp i form av varme, hvilket gir en eksoterm reaksjon.
Tvert imot, hvis reaktantene resulterer i en stabilitet som er større enn produktene, betyr det at reaksjonsblandingen manifesterer en absorpsjon av energi i form av varme fra omgivelsene, noe som resulterer i en endoterm reaksjon.
På samme måte, dersom det oppstår et tilfelle eller det andre, må det opprettes et diagram, som det tidligere vist, hvor den potensielle energien til systemet som reagerer mot fremdriften eller fremdriften av reaksjonen blir plottet.
På den måten oppnås de potensielle energiendringene som skjer når reaksjonen pågår, og reaktantene omdannes til produkter.
Hvordan beregnes det?
Aktiveringsenergien til en kjemisk reaksjon er nært knyttet til hastighetskonstanten for den reaksjonen, og avhengigheten av denne konstanten på temperaturen er representert ved Arrhenius-ligningen:
k = Ae-Ea / RT
I dette uttrykket representerer k hastighetskonstanten for reaksjonen (som avhenger av temperaturen) og parameteren A kalles frekvensfaktoren, og er et mål for frekvensen av kollisjonene mellom molekylene.
For sin del uttrykker e grunnlaget for serien av naturlige logaritmer. Den blir hevet til en kraft som er lik det negative forholdet mellom aktiveringsenergien ( Ea ) mellom produktet som kommer fra gaskonstanten ( R ) og den absolutte temperaturen ( T ) for systemet som skal vurderes.
Det skal bemerkes at frekvensfaktoren kan betraktes som en konstant i visse reaksjonssystemer over et bredt temperaturområde.
Dette matematiske uttrykket ble opprinnelig antatt av kjemikeren av nederlandsk opprinnelse Jacobus Henricus van't Hoff i 1884, men som ga det vitenskapelig gyldighet og tolket sin premiss var den kjemiske av svensk opprinnelse Svante Arrhenius, i år 1889.
Beregning av aktiveringsenergien til en kjemisk reaksjon
Arrhenius-ligningen peker på den direkte proporsjonalitet som eksisterer mellom hastighetskonstanten av en reaksjon og frekvensen av kollisjonene mellom molekyler.
Også denne ligningen kan representeres på en mer praktisk måte ved å anvende egenskapen til naturlige logaritmer til hver side av ligningen, og oppnå:
ln k = ln A - Ea / RT
Når du omordner betingelsene for å få ligningen til en linje (y = mx + b), oppnås følgende uttrykk:
ln k = (- Ea / R) (1 / T) + ln A
Så når vi bygger en graf på ln k versus 1 / T, oppnår vi en rett linje, hvor ln representerer y-koordinaten, representerer (- A / R) hellingen av linjen (m), (1 / T) representerer koordinaten x, og ln A representerer krysset med aksen til ordinatene (b).
Som det kan ses, er hellingen som følge av denne beregningen lik verdien av -Ea / R. Dette innebærer at dersom det er ønskelig å oppnå verdien av aktiveringsenergien ved hjelp av dette uttrykket, bør en enkel clearing utføres, hvilket resulterer i:
Ea = -mR
Her vet vi verdien av m og R er en konstant lik 8, 314 J / K · mol.
Hvordan påvirker aktiveringsenergien hastigheten til en reaksjon?
Når man prøver å lage et bilde av aktiveringsenergien, kan det betraktes som en barriere som ikke tillater en reaksjon mellom de lavere energimolekylene.
Som i en vanlig reaksjon skjer at mengden molekyler som kan reagere er ganske stor, kan hastigheten - og ekvivalent, den kinetiske energien til disse molekylene - være svært variabel.
Det skjer vanligvis at bare en liten del av totaliteten av molekylene som opplever en kollisjon - de som har større bevegelseshastighet - presenterer nok kinetisk energi for å kunne overvinne størrelsen på aktiveringsenergien. Da er disse molekylene egnet og i stand til å være en del av reaksjonen.
Ifølge Arrhenius-ligningen innebærer det negative tegnet - som ligger foran kvotienten mellom aktiveringsenergien og produktet av gaskonstanten ved absolutt temperatur - at hastighetskonstanten minker ettersom det er en økning i aktiveringsenergien, så vel som en vekst når temperaturen øker.
Eksempler på beregning av aktiveringsenergi
For å beregne aktiveringsenergien ved å konstruere en graf, ifølge Arrhenius-ligningen, har vi at hastighetskonstantene for dekomponeringsreaksjonen av acetaldehyd har blitt målt ved fem forskjellige temperaturer og vi vil bestemme aktiveringsenergien for reaksjonen, som uttrykkes som:
CH3CHO (g) → CH4 (g) + CO (g)
Dataene for de fem målingene er følgende:
k (1 / Ml / 2 s): 0, 011 - 0, 035 - 0, 105 - 0, 343 - 0, 789
T (K): 700 - 730 - 760 - 790 - 810
Først, for å løse dette ukjent og bestemme aktiveringsenergien, må vi bygge en graf på ln k vs 1 / T (y vs x) for å oppnå en rett linje og herfra ta skråningen og finn verdien av Ea, som forklart.
Ved å transformere dataene til målingene, i henhold til Arrhenius-ligningen [ln k = (- Ea / R) (1 / T) + In A], finner du følgende verdier for henholdsvis y og 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
Av disse verdiene og ved hjelp av matematisk beregning av hellingen - enten i en datamaskin eller i en kalkulator, ved hjelp av uttrykket m = (Y2-Y1) / (X2-X1) eller ved hjelp av den lineære regresjonsmetoden - det oppnås at m = -Ea / R = -2.09 * 104 K. Således:
Ea = (8, 314 J / K · mol) (2, 09 * 104 K)
= 1, 74 * 105 = 1, 74 * 102 kJ / mol
For å bestemme andre energier for aktivering på grafisk måte utføres en lignende prosedyre.
