Ενέργεια ενεργοποίησης

Η ελάχιστη ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για να φέρει τα άτομα ή τα μόρια σε μια κατάσταση όπου μπορούν να εκτελέσουν έναν χημικό μετασχηματισμό ή μια φυσική μεταφορά είναι γνωστή ως ενέργεια ενεργοποίησης στη χημεία. Στη θεωρία της μεταβατικής κατάστασης, η ενέργεια ενεργοποίησης είναι η διαφορά στο ενεργειακό περιεχόμενο μεταξύ μορίων ή ατόμων σε διαμόρφωση ενεργοποιημένης ή μεταβατικής κατάστασης και της αρχικής τους διαμόρφωσης. Σε μαθηματικές διατυπώσεις για ποσότητες όπως η σταθερά του ρυθμού αντίδρασης, k =Ae και ο συντελεστής διάχυσης, D =D_o e , η ενέργεια ενεργοποίησης υποδεικνύεται συχνά με το σύμβολο Ea.
k =Ae

A=Σταθερά Arrhenius

Ea =Ενέργεια ενεργοποίησης
K=Σταθερά ρυθμού
R=Σταθερά αερίου
T=Θερμοκρασία

Τύπος

Η διαφορά που παρατηρείται μεταξύ της ενέργειας κατωφλίου που απαιτείται για να προχωρήσει η αντίδραση και της μέσης κινητικής ενέργειας όλων των αντιδρώντων μορίων στο αντιδρών είδος είναι η ενέργεια ενεργοποίησης που είναι
E_a =E_όριο – E_{μέσος όρος}
Αυτό σημαίνει ότι εάν η ενέργεια ενεργοποίησης μιας αντίδρασης είναι χαμηλή, οι αναλογίες των αποτελεσματικών συγκρούσεων είναι μεγάλες, η ενέργεια κατωφλίου είναι υψηλή και ο ρυθμός αντίδρασης είναι υψηλός. Ο αριθμός των αποτελεσματικών συγκρούσεων είναι ελάχιστος και ο ρυθμός αντίδρασης είναι αργός όταν η ενέργεια ενεργοποίησης είναι υψηλή.

Ενέργεια ενεργοποίησης χημικής αντίδρασης

Γιατί μια αρνητική αντίδραση G, η οποία απελευθερώνει ενέργεια, θα απαιτούσε τη χρήση ενέργειας για να προχωρήσει; Ο λόγος για αυτό είναι ότι μια χημική αντίδραση περιλαμβάνει πολλαπλά στάδια. Κατά τη διάρκεια των χημικών αντιδράσεων, οι χημικοί δεσμοί σπάνε και σχηματίζονται νέοι. Όταν ένα μόριο γλυκόζης, για παράδειγμα, διασπάται, οι δεσμοί μεταξύ των ατόμων άνθρακα σπάνε. Επειδή είναι συνδέσεις αποθήκευσης ενέργειας, όταν σπάνε, απελευθερώνουν ενέργεια. Ωστόσο, το μόριο πρέπει να συστραφεί για να επιτραπεί η διάσπαση των δεσμών. Η μεταβατική κατάσταση είναι μια υψηλής ενέργειας, ασταθής κατάσταση που μπορεί να επιτευχθεί μόνο με λίγη ποσότητα ενέργειας. Ως αποτέλεσμα, τα αντιδρώντα μόρια δεν περνούν πολύ χρόνο στη μεταβατική τους κατάσταση και, αντίθετα, ταξιδεύουν μέσω αυτής γρήγορα.
Οι εξεργονικές αντιδράσεις (G0) συνδυάζονται μερικές φορές με τις ενεργονικές αντιδράσεις (G>0), επιτρέποντάς τους να προχωρήσουν. Η ενεργειακή σύζευξη είναι ο όρος για αυτήν την αυθόρμητη εναλλαγή από τη μια αντίδραση στην άλλη. Η ενεργονική αντίδραση απορροφά την ελεύθερη ενέργεια που παράγεται από την εξεργονική αντίδραση. Μια διαμεμβρανική αντλία ιόντων, η οποία είναι κρίσιμη για την κυτταρική λειτουργία, είναι ένα παράδειγμα ενεργειακής σύζευξης με χρήση ATP.

Διάγραμμα ελεύθερης ενέργειας

Τα ενεργειακά προφίλ για μια συγκεκριμένη αντίδραση απεικονίζονται σε διαγράμματα ελεύθερης ενέργειας. Τα προϊόντα στο διάγραμμα θα υπάρχουν σε χαμηλότερη ή υψηλότερη ενεργειακή κατάσταση από τα αντιδρώντα, ανάλογα με το αν η αντίδραση είναι εξεργονική (G0) ή ενδρογόνος (G>0). Η ενέργεια ενεργοποίησης, από την άλλη πλευρά, είναι ανεξάρτητη από το G της αντίδρασης. Για να το θέσω διαφορετικά, η ενέργεια ενεργοποίησης σε μια δεδομένη θερμοκρασία καθορίζεται από τη φύση του χημικού μετασχηματισμού που λαμβάνει χώρα και όχι από τις σχετικές ενεργειακές καταστάσεις των αντιδρώντων και προϊόντα.
Παρόλο που η έννοια της ενέργειας ενεργοποίησης συζητείται στο πλαίσιο μιας εξεργονικής προς τα εμπρός αντίδρασης στο παραπάνω γράφημα, οι ίδιες έννοιες ισχύουν για την αντίστροφη αντίδραση, η οποία πρέπει να είναι ενδρογόνος. Αξίζει να σημειωθεί ότι η ενέργεια ενεργοποίησης της αντίστροφης αντίδρασης είναι μεγαλύτερη από την αντίστροφη αντίδραση.

Θερμική ενέργεια από το περιβάλλον

Η ενέργεια ενεργοποίησης που απαιτείται για την προώθηση των διεργασιών παρέχεται συχνά από τη θερμική ενέργεια από το περιβάλλον. Η θερμική ενέργεια (η συνολική ενέργεια δεσμού των αντιδρώντων ή προϊόντων σε μια χημική αντίδραση) επιταχύνει τη μοριακή κίνηση, με αποτέλεσμα περισσότερες συγκρούσεις με μεγαλύτερη συχνότητα και δύναμη. Μετατοπίζοντας σταδιακά άτομα και δεσμούς μέσα στο μόριο, τα βοηθά επίσης να φτάσουν στη μεταβατική τους κατάσταση. Ως αποτέλεσμα, η θέρμανση ενός συστήματος αναγκάζει τα χημικά αντιδρώντα μέσα σε αυτό το σύστημα να αντιδρούν πιο συχνά. Η αύξηση της πίεσης σε ένα σύστημα μπορεί να προσφέρει παρόμοιο αποτέλεσμα. Μόλις τα αντιδρώντα έχουν απορροφήσει αρκετή θερμική ενέργεια από το περιβάλλον τους για να φτάσουν στη μεταβατική κατάσταση, η αντίδραση θα προχωρήσει.
Ο ρυθμός με τον οποίο θα προχωρήσει μια αντίδραση καθορίζεται από την ενέργεια ενεργοποίησής της. Όσο πιο αργή είναι η χημική αντίδραση, τόσο μεγαλύτερη είναι η ενέργεια ενεργοποίησης. Το παράδειγμα της σκουριάς σιδήρου αποτελεί παράδειγμα μιας απόκρισης που είναι εγγενώς υποτονική. Λόγω του υψηλού EA, αυτή η αντίδραση χρειάζεται πολύ χρόνο για να ολοκληρωθεί. Επιπλέον, έως ότου η ενέργεια ενεργοποίησης πολλών καυσίμων ξεπεραστεί από επαρκή θερμότητα από έναν σπινθήρα, η καύση πολλών καυσίμων, η οποία είναι έντονα εξεργολογική, θα πραγματοποιείται με χαμηλό ρυθμό. Ωστόσο, μόλις αρχίσουν να καίγονται, οι χημικές διεργασίες παράγουν αρκετή θερμότητα για να διατηρήσουν τη φωτιά, παρέχοντας την ενέργεια ενεργοποίησης για τα γύρω μόρια καυσίμου.

Θερμοκρασία και ενέργεια ενεργοποίησης

Όταν δύο μπάλες του μπιλιάρδου συγκρούονται, αναπηδούν η μία από την άλλη. Όταν δύο μόρια, το X και το Y, συγκρούονται, αυτό είναι επίσης το πιο συνηθισμένο αποτέλεσμα:αναπηδούν το ένα από το άλλο, πλήρως αμετάβλητα και άθικτα. Τα Χ και Υ πρέπει να συγκρουστούν με αρκετή ενέργεια για να σπάσουν οι χημικοί δεσμοί προκειμένου να συμβεί μια χημική αντίδραση. Επειδή οι χημικοί δεσμοί στα αντιδρώντα σπάνε και δημιουργούνται νέοι δεσμοί στα προϊόντα σε οποιαδήποτε χημική αντίδραση, αυτό συμβαίνει. Για να ξεκινήσει σωστά μια αντίδραση, τα αντιδρώντα πρέπει να ταξιδεύουν αρκετά γρήγορα (με αρκετή κινητική ενέργεια) ώστε να συγκρουστούν με αρκετή δύναμη για να σπάσουν οι δεσμοί. Αυτό είναι το ελάχιστο της ενέργειας με το οποίο πρέπει να κινούνται τα μόρια. Η ενέργεια ενεργοποίησης είναι η ελάχιστη ενέργεια με την οποία πρέπει να κινηθούν τα μόρια προκειμένου μια σύγκρουση να οδηγήσει σε χημική αντίδραση.

Συμπέρασμα

Η ενέργεια ενεργοποίησης ορίζεται ως η διαφορά στο ενεργειακό περιεχόμενο μεταξύ μορίων ή ατόμων σε μια διαμόρφωση ενεργοποιημένης ή μεταβατικής κατάστασης και της αρχικής τους διαμόρφωσης στη θεωρία μεταβατικής κατάστασης.
Οι χημικοί δεσμοί καταστρέφονται και δημιουργούνται νέοι κατά τη διάρκεια χημικών αντιδράσεων. Οι δεσμοί μεταξύ των ατόμων άνθρακα σε ένα μόριο γλυκόζης, για παράδειγμα, καταστρέφονται καθώς αυτό διασπάται. Όταν αυτοί οι δεσμοί σπάνε, απελευθερώνουν ενέργεια αφού είναι δεσμοί αποθήκευσης ενέργειας. Ωστόσο, το μόριο πρέπει να παραμορφωθεί για να φτάσει σε μια κατάσταση όπου οι δεσμοί μπορούν να σπάσουν