Năng lượng kích hoạt hóa học: Những gì nó bao gồm, tính toán
Năng lượng kích hoạt hóa học (theo quan điểm của nghiên cứu động học) đề cập đến lượng năng lượng ít nhất có thể cần thiết để bắt đầu một phản ứng hóa học. Theo lý thuyết về sự va chạm trong động học hóa học, người ta nói rằng tất cả các phân tử đang chuyển động đều có một lượng động năng nhất định.
Điều này có nghĩa là tốc độ chuyển động của bạn càng lớn thì cường độ động năng của bạn càng lớn. Theo nghĩa này, một phân tử mang chuyển động nhanh không thể tự chia thành các mảnh, do đó phải xảy ra va chạm giữa phân tử này và phân tử khác để có thể xảy ra phản ứng hóa học.
Khi điều này xảy ra - khi xảy ra va chạm giữa các phân tử - một phần động năng của nó được chuyển thành năng lượng rung động. Tương tự như vậy, nếu ở giai đoạn đầu của quá trình động năng cao, các phân tử tham gia vào vụ va chạm sẽ tạo ra sự rung động lớn đến mức một số liên kết hóa học có mặt sẽ bị phá vỡ.
Sự phá vỡ liên kết này là bước đầu tiên trong việc chuyển đổi chất phản ứng thành sản phẩm; đó là, trong sự hình thành của những. Mặt khác, nếu bắt đầu quá trình này, động năng có cường độ nhỏ, sẽ có hiện tượng "bật lại" các phân tử, qua đó chúng sẽ tách rời thực tế nguyên vẹn.
Nó bao gồm những gì?
Bắt đầu từ khái niệm va chạm giữa các phân tử để bắt đầu các phản ứng hóa học được mô tả trước đây, có thể nói rằng có một lượng năng lượng tối thiểu cần thiết cho một vụ va chạm xảy ra.
Vì vậy, nếu giá trị năng lượng nhỏ hơn mức tối thiểu cần thiết này, đơn giản là sẽ không có sự thay đổi giữa các phân tử sau khi va chạm xảy ra, điều đó có nghĩa là khi năng lượng này vắng mặt, các loài liên quan vẫn gần như nguyên vẹn và sẽ không xảy ra Không thay đổi do cú sốc này.
Theo thứ tự các ý tưởng này, năng lượng tối thiểu cần thiết cho một sự thay đổi xảy ra sau khi va chạm giữa các phân tử được gọi là năng lượng kích hoạt.
Nói cách khác, các phân tử liên quan đến một cú sốc phải có một lượng tổng động năng với cường độ bằng hoặc lớn hơn năng lượng kích hoạt để xảy ra phản ứng hóa học.
Ngoài ra, trong nhiều trường hợp, các phân tử va chạm và tạo ra một loài mới gọi là phức hợp kích hoạt, cấu trúc còn được gọi là "trạng thái chuyển tiếp" vì nó chỉ tồn tại tạm thời.
Nó được gây ra bởi các loài phản ứng do sự va chạm và trước khi hình thành các sản phẩm của phản ứng.
Kích hoạt phức tạp
Phức hợp kích hoạt được đề cập ở trên tạo thành một loài có độ ổn định rất thấp, nhưng đến lượt nó lại sở hữu một cường độ lớn của năng lượng tiềm năng.
Sơ đồ sau đây cho thấy sự biến đổi chất phản ứng thành sản phẩm, được biểu thị dưới dạng năng lượng và lưu ý rằng cường độ năng lượng của phức chất được kích hoạt được hình thành lớn hơn đáng kể so với chất phản ứng và sản phẩm.
Nếu ở cuối phản ứng, các sản phẩm có độ ổn định cao hơn các chất phản ứng, sự giải phóng năng lượng xảy ra dưới dạng nhiệt, tạo ra phản ứng tỏa nhiệt.
Ngược lại, nếu các chất phản ứng dẫn đến độ ổn định lớn hơn các sản phẩm, điều đó có nghĩa là hỗn hợp phản ứng biểu hiện sự hấp thụ năng lượng dưới dạng nhiệt từ môi trường xung quanh, dẫn đến phản ứng nhiệt.
Tương tự, nếu xảy ra trường hợp này hay trường hợp khác, một sơ đồ phải được xây dựng, chẳng hạn như trường hợp được hiển thị trước đó, trong đó năng lượng tiềm năng của hệ thống phản ứng chống lại tiến trình hoặc tiến trình của phản ứng được vẽ.
Bằng cách này, các thay đổi năng lượng tiềm năng xảy ra khi phản ứng tiếp tục thu được và các chất phản ứng được chuyển thành các sản phẩm.
Nó được tính như thế nào?
Năng lượng kích hoạt của phản ứng hóa học có liên quan mật thiết đến hằng số vận tốc của phản ứng đó và sự phụ thuộc của hằng số này vào nhiệt độ được biểu thị bằng phương trình Arrhenius:
k = Ae-Ea / RT
Trong biểu thức này, k đại diện cho hằng số tốc độ của phản ứng (phụ thuộc vào nhiệt độ) và tham số A được gọi là hệ số tần số và là thước đo tần số va chạm giữa các phân tử.
Về phần mình, e thể hiện cơ sở của chuỗi logarit tự nhiên. Nó được nâng lên công suất bằng tỷ lệ âm của năng lượng kích hoạt ( Ea ) giữa sản phẩm do hằng số khí ( R ) và nhiệt độ tuyệt đối ( T ) của hệ thống được xem xét.
Cần lưu ý rằng hệ số tần số có thể được coi là một hằng số trong các hệ thống phản ứng nhất định trong một phạm vi nhiệt độ rộng.
Biểu thức toán học này ban đầu được giả định bởi nhà hóa học người Hà Lan Jacobus Henricus van't Hoff vào năm 1884, nhưng người cho nó có giá trị khoa học và giải thích tiền đề của nó là nhà hóa học gốc Thụy Điển Svante Arrhenius, vào năm 1889.
Tính năng lượng hoạt hóa của phản ứng hóa học
Phương trình Arrhenius chỉ ra tỷ lệ trực tiếp tồn tại giữa hằng số tốc độ của phản ứng và tần số va chạm giữa các phân tử.
Ngoài ra, phương trình này có thể được biểu diễn theo cách thuận tiện hơn bằng cách áp dụng tính chất của logarit tự nhiên cho mỗi bên của phương trình, thu được:
ln k = ln A - Ea / RT
Khi sắp xếp lại các số hạng để có được phương trình của một dòng (y = mx + b), biểu thức sau đây đạt được:
ln k = (- Ea / R) (1 / T) + ln A
Vì vậy, khi xây dựng đồ thị ln k so với 1 / T, chúng ta có được một đường thẳng, trong đó ln k đại diện cho tọa độ y, (- A / R) đại diện cho độ dốc của đường (m), (1 / T) đại diện cho tọa độ x và ln A đại diện cho giao điểm với trục của tọa độ (b).
Có thể thấy, độ dốc kết quả từ phép tính này bằng với giá trị của -Ea / R. Điều này ngụ ý rằng, nếu muốn đạt được giá trị của năng lượng kích hoạt bằng biểu thức này, thì cần thực hiện một thao tác xóa đơn giản, dẫn đến:
Ea = -mR
Ở đây chúng ta biết giá trị của m và R là hằng số bằng 8, 14 J / K · mol.
Làm thế nào để năng lượng kích hoạt ảnh hưởng đến tốc độ của một phản ứng?
Khi cố gắng tạo ra hình ảnh của năng lượng kích hoạt, nó có thể được coi là một rào cản không cho phép phản ứng xảy ra giữa các phân tử năng lượng thấp hơn.
Như trong một phản ứng phổ biến xảy ra, lượng phân tử có thể phản ứng khá lớn, tốc độ - và tương đương, động năng của các phân tử này - có thể rất thay đổi.
Điều thường xảy ra là chỉ một lượng nhỏ trong tổng số các phân tử gặp phải va chạm - những phân tử có tốc độ di chuyển lớn hơn - thể hiện đủ động năng để có thể vượt qua cường độ của năng lượng kích hoạt. Sau đó, các phân tử này có khả năng và có thể là một phần của phản ứng.
Theo phương trình Arrhenius, dấu âm - đi trước thương số giữa năng lượng kích hoạt và tích của hằng số khí theo nhiệt độ tuyệt đối - ngụ ý rằng hằng số vận tốc giảm khi có sự gia tăng năng lượng kích hoạt, cũng như sự tăng trưởng khi nhiệt độ tăng.
Ví dụ về tính toán năng lượng kích hoạt
Để tính toán năng lượng kích hoạt bằng cách xây dựng một biểu đồ, theo phương trình Arrhenius, chúng ta có các hằng số tốc độ cho phản ứng phân hủy của acetaldehyd đã được đo ở năm nhiệt độ khác nhau và chúng tôi muốn xác định năng lượng kích hoạt cho phản ứng, được thể hiện như sau:
CH 3 CHO (g) → CH 4 (g) + CO (g)
Dữ liệu của năm phép đo như sau:
k (1 / M1 / 2 · s): 0, 011 - 0, 035 - 0, 105 - 0, 343 - 0, 789
T (K): 700 - 730 - 760 - 790 - 810
Trước tiên, để giải quyết ẩn số này và xác định năng lượng kích hoạt, chúng ta phải xây dựng một biểu đồ ln k vs 1 / T (y vs x), để có được một đường thẳng và từ đây đi theo độ dốc và tìm giá trị của Ea, như đã giải thích
Chuyển đổi dữ liệu của các phép đo, theo phương trình Arrhenius [ln k = (- Ea / R) (1 / T) + ln A] các giá trị sau được tìm thấy cho y và x, tương ứng:
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
Trong các giá trị này và bằng phương pháp tính toán độ dốc - trong máy tính hoặc trong máy tính, bằng biểu thức m = (Y 2 -Y 1 ) / (X 2 -X 1 ) hoặc sử dụng phương pháp hồi quy tuyến tính- người ta thu được rằng m = -Ea / R = -2, 09 * 104 K. Do đó:
Ea = (8.314 J / K · mol) (2.09 * 104 K)
= 1, 74 * 105 = 1, 74 * 102 kJ / mol
Để xác định các năng lượng khác của kích hoạt thông qua cách đồ họa, một quy trình tương tự được thực hiện.
