აქტივაციის ენერგია

ცოდნა სინათლეა - Knowledge is light - Знание свет -  

                          აქტივაციის ენერგია

კაჟთან ხახუნის შედეგად წარმოქმნილი წითელი ცხელი ფოლადის ნამსხვრევები უზრუნველყოფს აქტივაციის ენერგიას გაზის სანთურის აალებისთვის. ახლა ალი არ ჩაქრება, რადგან რეაქცია ეგზოთერმულია.

ქიმიაში აქტივაციის ენერგია არის ემპირიულად განსაზღვრული პარამეტრი, რომელიც ახასიათებს რეაქციის სიჩქარის მუდმივის ექსპონენციალურ დამოკიდებულებას ტემპერატურაზე. გამოხატულია ჯოულებში თითო მოლზე. ტერმინი შემოიღო სვანტე ავგუსტ არენიუსმა 1889 წელს. აქტივაციის ენერგიის ტიპიური აღნიშვნაა:

${\displaystyle E_a.}$

აქტივაციის ენერგია ფიზიკაში არის ენერგიის მინიმალური რაოდენობა, რომელიც დონორის მინარევის ელექტრონებმა უნდა მიიღონ გამტარობის ზოლში შესასვლელად.

ქიმიურ მოდელში, რომელიც ცნობილია როგორც აქტიური შეჯახების თეორია (TAC), არსებობს სამი პირობა, რომელიც აუცილებელია რეაქციის წარმოებისთვის:

მოლეკულები უნდა შეეჯახონ. ეს მნიშვნელოვანი პირობაა, მაგრამ არასაკმარისი, რადგან შეჯახება აუცილებლად არ იწვევს რეაქციას.

მოლეკულებს უნდა ჰქონდეთ საჭირო ენერგია (აქტივაციის ენერგია). ქიმიური რეაქციის დროს ურთიერთქმედება მოლეკულებმა უნდა გაიარონ შუალედური მდგომარეობა, რომელსაც შეიძლება ჰქონდეს მეტი ენერგია. ანუ მოლეკულებმა უნდა გადალახონ ენერგეტიკული ბარიერი; თუ ეს არ მოხდა, რეაქცია არ მოხდება.

მოლეკულები სწორად უნდა იყოს ორიენტირებული ერთმანეთზე.

დაბალ ტემპერატურაზე (გარკვეული რეაქციისთვის) მოლეკულების უმეტესობას აქვს აქტივაციის ენერგიაზე ნაკლები ენერგია და არ შეუძლია ენერგეტიკული ბარიერის გადალახვა. თუმცა, ნივთიერებაში ყოველთვის იქნება ინდივიდუალური მოლეკულები, რომელთა ენერგია მნიშვნელოვნად აღემატება საშუალოს. დაბალ ტემპერატურაზეც კი, რეაქციების უმეტესობა გრძელდება. ტემპერატურის მატება საშუალებას გაძლევთ გაზარდოთ მოლეკულების პროპორცია საკმარისი ენერგიით ენერგეტიკული ბარიერის დასაძლევად. ეს ზრდის რეაქციის სიჩქარეს.

რეაქციების უმეტესობისთვის 

 კჯ/მოლ

მათემატიკური აღწერა

არენიუსის განტოლება ადგენს კავშირს აქტივაციის ენერგიასა და რეაქციის სიჩქარეს შორის:

,

სადაც K - კონსტატის სიჩქარის რექაციაა

A - რეაქციის წინასწარი ექსპონენციალური ფაქტორი (სიხშირის ფაქტორი),

R - უნივერსალური აირული მუდმივა

T - ტემპერტაურა კელვინში

ტემპერატურის მატებასთან ერთად იზრდება ენერგეტიკული ბარიერის გადალახვის ალბათობა.

ქიმიურ კინეტიკაში ტემპერატურის ეფექტების რაოდენობრივად აღსაწერად, სავარაუდო გამოთვლებისთვის, არენიუსის განტოლების გარდა, გამოიყენება ვან ჰოფის წესი: ტემპერატურის მატება 10 კ-ით ზრდის უმეტესი რეაქციების სიჩქარეს 2-4-ჯერ (ბიოქიმიისთვის). რეაქციები 7-9-ჯერ). მათემატიკურად, ეს ნიშნავს, რომ რეაქციის სიჩქარე დამოკიდებულია ტემპერატურაზე, როგორც ექსპონენციალურ ფუნქციაზე:

სადაც  ${\displaystyle \gamma }$ — სიჩქარის ტემპერატურის კოეფიციენტი (მისი მნიშვნელობა მერყეობს 2-დან 4-მდე, ბიოქიმიური რეაქციებისთვის 9-მდე)

${\displaystyle w(T_2),w(T_1)}$ — რეაქციის სიჩქარე ტემპერატურაზე ${\displaystyle T_2,T_1}$.

Van't Hoff-ის წესი ძალიან სავარაუდოა და გამოიყენება მხოლოდ ძალიან შეზღუდული ტემპერატურის დიაპაზონში: 10-დან 400 °C-მდე, ასევე აქტივაციის ენერგიით 60-დან 120 კჯ/მოლ-მდე. Van't Hoff-ის წესი იძლევა არასწორ შედეგებს დიდი მოლეკულებისთვის, როგორიცაა ცილები და პოლიმერები.

გარდამავალი მდგომარეობა არის სისტემის მდგომარეობა, რომელშიც განადგურებული და შექმნილი კავშირები დაბალანსებულია. სისტემა მცირე ხნით (10−15 წმ) არის გარდამავალ მდგომარეობაში. ენერგიას, რომელიც უნდა დაიხარჯოს სისტემის გარდამავალ მდგომარეობაში მოსაყვანად, აქტივაციის ენერგია ეწოდება. მრავალსაფეხურიან რეაქციებში, რომლებიც მოიცავს რამდენიმე გარდამავალ მდგომარეობას, აქტივაციის ენერგია შეესაბამება ენერგიის უმაღლეს მნიშვნელობას. გარდამავალი მდგომარეობის დაძლევის შემდეგ, მოლეკულები კვლავ იფანტება ძველი ბმების განადგურებით და ახლის წარმოქმნით ან თავდაპირველი ბმების გარდაქმნით. ორივე ვარიანტი შესაძლებელია, რადგან ისინი წარმოიქმნება ენერგიის განთავისუფლებით (ეს აშკარად ჩანს ფიგურაში, რადგან ორივე პოზიცია ენერგიულად დაბალია, ვიდრე გააქტიურების ენერგია). არსებობს ნივთიერებები, რომლებსაც შეუძლიათ შეამცირონ აქტივაციის ენერგია მოცემული რეაქციისთვის. ასეთ ნივთიერებებს კატალიზატორები ეწოდება. ბიოლოგიურ რეაქციებში ფერმენტები მოქმედებენ როგორც კატალიზატორები.

განცხადება, რომ კატალიზატორი ამცირებს აქტივაციის ენერგიას, მკაცრად რომ ვთქვათ, არასწორია, რადგან კატალიზატორის თანდასწრებით რეაქცია არ არის ორიგინალური რეაქციის იდენტური. ეს არის სრულიად განსხვავებული რეაქცია, რომელსაც აქვს უფრო დაბალი აქტივაციის ბარიერი.

იხ.ვიდეო - Activation Energy