Παράγοντες που επηρεάζουν την ενέργεια ενεργοποίησης

Εισαγωγή

Κάθε δευτερόλεπτο, χιλιάδες χημικές αλληλεπιδράσεις λαμβάνουν χώρα στο σώμα μας. Αρκετές χημικές διεργασίες είναι απαραίτητες για να υπάρχει ζωή. Προκειμένου να δημιουργηθούν νέοι δεσμοί, πολλά μόρια έχουν επιτύχει σταθερές καταστάσεις και πρέπει να σχιστούν. Ωστόσο, το σπάσιμο και η δημιουργία δεσμών απαιτεί πολλή ενέργεια, η οποία αναφέρεται ως «ενέργεια ενεργοποίησης». Η δεδομένη ενέργεια ενεργοποίησης είναι η μικρότερη ποσότητα εξωτερικής ενέργειας που απαιτείται για τη μετατροπή ενός αντιδρώντος σε προϊόν.

Με άλλα λόγια, κατά τις χημικές αντιδράσεις σπάνε δεσμοί και δημιουργούνται νέοι δεσμοί. Η ενέργεια που απαιτείται για τη διάσπαση αυτών των δεσμών και την παραγωγή προϊόντων είναι γνωστή ως ενέργεια ενεργοποίησης. Μια υψηλότερη τιμή ενέργειας ενεργοποίησης συνεπάγεται μια αντίδραση που θα λάβει χώρα αργά λόγω υψηλότερων αναγκών. Ενώ μια χαμηλότερη τιμή της ενέργειας ενεργοποίησης σημαίνει ότι η αντίδραση θα πραγματοποιηθεί εύκολα, καθώς οι δεσμοί μπορούν εύκολα να διασπαστούν.

Για να δώσουμε λεπτομέρειες στους παράγοντες που επηρεάζουν την ενέργεια ενεργοποίησης, θα κατανοήσουμε τον ρυθμό αντίδρασης, δηλαδή τον ρυθμό με τον οποίο τα αντιδρώντα παράγουν προϊόντα ως αποτέλεσμα μιας χημικής αντίδρασης. Δίνει ορισμένες πληροφορίες σχετικά με τον χρονικό περιορισμό για την εκτέλεση μιας απάντησης. Για παράδειγμα, σε μια πυρκαγιά, ο ρυθμός απόκρισης της καύσης κυτταρίνης είναι εξαιρετικά γρήγορος, με τη διαδικασία να ολοκληρώνεται σε λιγότερο από ένα δευτερόλεπτο.

Πολλοί παράγοντες που επηρεάζουν την ενέργεια ενεργοποίησης υποδεικνύουν πολυάριθμες χημικές αντιδράσεις. Ως εκ τούτου, πολλές βιολογικές διεργασίες δεν συμβαίνουν αυθόρμητα και απαιτούν μια αρχική εισροή ενέργειας (ενέργεια ενεργοποίησης) για να ξεκινήσουν. Κατά τη μελέτη τόσο των ενεργονικών όσο και των εξεργονικών διεργασιών, η ενέργεια ενεργοποίησης πρέπει να λαμβάνεται υπόψη. Αν και οι εξεργονικές αντιδράσεις δημιουργούν μια καθαρή απελευθέρωση ενέργειας, απαιτούν ωστόσο μια μικρή ποσότητα ενέργειας για να προχωρήσουν στις φάσεις απελευθέρωσης ενέργειας. Η ενέργεια ενεργοποίησης (ή ελεύθερη ενέργεια ενεργοποίησης) είναι η ελάχιστη ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για να πραγματοποιηθούν όλες οι χημικές αντιδράσεις και συμβολίζεται με τη συντομογραφία «EA».

Χημικά χαρακτηριστικά των αντιδρώντων ουσιών

Ο ρυθμός μιας αντίδρασης καθορίζεται από το είδος των χημικών ουσιών που εμπλέκονται. Οι αντιδράσεις που φαίνεται να είναι συγκρίσιμες υπό τις ίδιες συνθήκες μπορεί να έχουν ποικίλους ρυθμούς ανάλογα με την ταυτότητα των αντιδρώντων. Όταν τα μικροσκοπικά σωματίδια των μετάλλων σιδήρου και νατρίου εκτίθενται στον αέρα, το νάτριο αλληλεπιδρά εξ ολοκλήρου με τον αέρα κατά τη διάρκεια της νύχτας, ενώ ο σίδηρος έχει μικρή επίδραση. Το ασβέστιο και το νάτριο είναι και τα δύο ενεργά μέταλλα που αντιδρούν με το νερό για να σχηματίσουν αέριο υδρογόνο και βάση. Το ασβέστιο, από την άλλη, ανταποκρίνεται αργά. Αλλά το νάτριο αντιδρά τόσο γρήγορα που η διαδικασία είναι σχεδόν εκρηκτική.

Παράγοντες που επηρεάζουν την ενέργεια ενεργοποίησης και τον ρυθμό αντίδρασης

Υπάρχουν διάφοροι παράγοντες που επηρεάζουν την ενέργεια ενεργοποίησης μιας χημικής διεργασίας που σχετίζεται με το ρυθμό αντίδρασής της, δηλαδή πόσο γρήγορα ή αργά δημιουργούνται τα προϊόντα. Με αύξηση της ενέργειας ενεργοποίησης, η χημική αντίδραση θα είναι πιο αργή. Αυτό συμβαίνει επειδή τα μόρια μπορούν να ολοκληρώσουν την αντίδραση μόνο αφού περάσουν από το φράγμα της ενέργειας ενεργοποίησης. Όσο μεγαλύτερο είναι το φράγμα, τόσο λιγότερη θα είναι η ποσότητα των μορίων που μπορούν να το περάσουν την ίδια στιγμή.

Πώς γίνεται λοιπόν κάποια μόρια να είναι πιο ενεργητικά από άλλα; Ορισμένες αντιδράσεις έχουν τόσο υψηλές ενέργειες ενεργοποίησης που δεν συμβαίνουν απουσία ενέργειας. Για παράδειγμα, ενώ η καύση ενός καυσίμου, όπως το προπάνιο, παράγει ενέργεια, ο ρυθμός αντίδρασης είναι σχεδόν μηδενικός σε θερμοκρασία δωματίου. (Ωστόσο, αυτό είναι καλό – εικόνα εάν τα δοχεία προπανίου εξερράγησαν στο ράφι!) Όταν ένας σπινθήρας παράγει αρκετή ενέργεια για να οδηγήσει ορισμένα μόρια πέρα ​​από το ενεργειακό φράγμα ενεργοποίησης, η αντίδραση ολοκληρώνεται και απελευθερώνεται ενέργεια. Αυτή η απελευθερωμένη ενέργεια βοηθά άλλα μόρια καυσίμου να ξεπεράσουν το ενεργειακό φράγμα, με αποτέλεσμα μια αλυσιδωτή αντίδραση.

Θερμοκρασία

Οι αυξήσεις της θερμοκρασίας συχνά ενισχύουν τον ρυθμό απόκρισης. Η μέση κινητική ενέργεια των μορίων των αντιδρώντων αυξάνεται καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία. Ως αποτέλεσμα, ένα μεγαλύτερο κλάσμα μορίων θα έχει την ελάχιστη ενέργεια που απαιτείται για μια αποτελεσματική σύγκρουση (δείτε «Θερμοκρασία και ρυθμός αντίδρασης»).

Παρουσία Καταλύτη

Ο καταλύτης είναι μια χημική ουσία που συμμετέχει σε μια διαδικασία χωρίς να καταναλωθεί. Οι καταλύτες δίνουν μια δεύτερη οδό αντίδρασης για τη λήψη προϊόντων. Παίζουν σημαντικό ρόλο σε πολλά βιολογικά γεγονότα. Θα εξεταστούν λεπτομερέστερα στην ενότητα «Κατάλυση».

Φυσική κατάσταση και εμβαδόν επιφάνειας των αντιδρώντων

Το εμβαδόν της επιφάνειας των φάσεων σε επαφή περιορίζει τον ρυθμό αντίδρασης όταν τα αντιδρώντα μόρια βρίσκονται σε διαφορετικές φάσεις, όπως σε ένα ετερογενές μείγμα. Μόνο τα μόρια στην επιφάνεια του μετάλλου μπορούν να συγκρουστούν με τα μόρια του αερίου όταν αναμειγνύονται ένα αντιδραστήριο στερεού μετάλλου και ένα αντιδραστήριο αερίου. Ως αποτέλεσμα, η αύξηση της επιφάνειας του μετάλλου χτυπώντας το ή κόβοντάς το σε πολλά κομμάτια μπορεί να βελτιώσει τον ρυθμό αντίδρασής του.

Φόρμουλα Ενέργειας Ενεργοποίησης

Η δεδομένη ενέργεια ενεργοποίησης είναι συμβατή και ίση με τη διαφορά μεταξύ της ενέργειας κατωφλίου της αντίδρασης και της εκτιμώμενης κινητικής ενέργειας όλων των αντιδρώντων μορίων στα αντιδρώντα είδη.

Επομένως, εάν η ενέργεια ενεργοποίησης μιας αντίδρασης μειωθεί, οι αποτελεσματικές αναλογίες των συγκρούσεων θα είναι μεγάλες, θα έχουν υψηλή ποσότητα ενέργειας. Επιπλέον, ο ρυθμός της αντίδρασης θα είναι υψηλός. Όταν η ενέργεια ενεργοποίησης είναι μεγάλη, ο αριθμός των αποτελεσματικών συγκρούσεων είναι ελάχιστος και ο ρυθμός απόκρισης είναι αργός.

Έτσι, για να συνοψίσουμε:

• Η χαμηλή ενέργεια ενεργοποίησης έχει ως αποτέλεσμα ταχύτερες αποκρίσεις.
• Πιο αργές αντιδράσεις λόγω της υψηλής ενέργειας ενεργοποίησης.
• Σύμφωνα με την έννοια του Arrhenius, η ενέργεια ενεργοποίησης επηρεάζεται από μια ποικιλία στοιχείων, το πιο σημαντικό από τα οποία είναι η θερμοκρασία. Η εξίσωση Arrhenius ασχολείται με την ποσοτική θεμελίωση της σύνδεσης μεταξύ της ενέργειας ενεργοποίησης και του ρυθμού μιας χημικής διαδικασίας. Ο τύπος για την ενέργεια ενεργοποίησης έχει ως εξής:

Οι συμβολισμοί στην παραπάνω εξίσωση περιγράφονται λεπτομερώς παρακάτω:

• Το A χρησιμεύει ως ο προεκθετικός παράγοντας;
• Το T είναι η απόλυτη θερμοκρασία (Kelvin) και το k υποδηλώνει τον συντελεστή ταχύτητας αντίδρασης.
• Το Ris είναι η καθολική σταθερά αερίου, ενώ το Ea είναι η ενέργεια ενεργοποίησης.

Η εξίσωση Arrhenius αναγνωρίζεται ευρέως ως ο πιο ακριβής παράγοντας που λήφθηκε πειραματικά για την ένδειξη της ανταπόκρισης του ρυθμού αντίδρασης στη θερμοκρασία και την ενέργεια ενεργοποίησης.

Η ενέργεια ενεργοποίησης είναι το φράγμα χωρητικότητας ή ενεργειακό φράγμα που πρέπει να ξεπεράσουν τα αντιδρώντα μόρια προκειμένου να συνεχίσουν σε μια χημική αντίδραση.

Συμπέρασμα

Έχουν αναφερθεί προσεγγίσεις για τον άμεσο προσδιορισμό της ενέργειας ενεργοποίησης ενός χημικού συστήματος σε σχεδόν οποιαδήποτε δυναμική χρονική κλίμακα από προσομοιώσεις σε μία μόνο θερμοκρασία. Σε αντίθεση με την τυπική ανάλυση Arrhenius, η οποία υπολογίζει την παράγωγο αριθμητικά, αυτές οι μεθοδολογίες υπολογίζουν την αναλυτική παράγωγο σε σχέση με τη θερμοκρασία αμέσως. Αποτελούν ουσιαστικά μια δυναμική εφαρμογή της θεωρίας των διακυμάνσεων της στατιστικής μηχανικής.