Παραδείγματα Ενεργειακής Ενεργοποίησης

Παραδείγματα ενέργειας ενεργοποίησης

Ας υποθέσουμε ότι κάνετε πεζοπορία και πρέπει να ανεβείτε σε ένα λόφο για να φτάσετε στην άλλη πλευρά. Θα χρειαστεί να καταβάλετε κάποια προσπάθεια για να ανεβείτε την πλαγιά. Όσο μεγαλύτερη είναι η κλίση, τόσο περισσότερη ενέργεια πρέπει να χρησιμοποιήσετε για να φτάσετε στην άλλη πλευρά.

Τα μόρια σε βιολογικές διεργασίες απαιτούν επίσης ενέργεια για να ξεκινήσουν μια αντίδραση. Τα μόρια, για παράδειγμα, απαιτούν κάποια κινητική ενέργεια, ή ταχύτητα, για να συγκρουστούν με άλλα μόρια και να πυροδοτήσουν μια αντίδραση. Δεν θα υπάρξει αντίδραση εάν οι κρούσεις δεν συμβαίνουν συχνά ή αν έχουν ανεπαρκή κινητική ενέργεια.

Η ενέργεια ενεργοποίησης είναι η ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για την έναρξη μιας αντίδρασης. Ακριβώς όπως όσο χαμηλότερη είναι η κλίση που κάνετε πεζοπορία, τόσο πιο γρήγορα φτάσετε στην άλλη πλευρά, με τον ίδιο τρόπο, όσο μικρότερη είναι η ενέργεια ενεργοποίησης, τόσο πιο γρήγορη είναι η αντίδραση.

Η ενέργεια των αντιδρώντων και των προϊόντων είναι διακριτή. Για να μετατραπούν σε προϊόντα, τα αντιδρώντα θα πρέπει να ταξιδέψουν μέσω μιας μεταβατικής κατάστασης, γενικά μεγαλύτερης σε ενέργεια.

Το σύστημα απαιτεί ενέργεια ενεργοποίησης για να φτάσει σε αυτή τη μεταβατική κατάσταση. Τέλος, για να φτάσουν στην κατάσταση του τελικού προϊόντος, τα προϊόντα ελαχιστοποιούν την ενέργειά τους.

Η ενέργεια των αντιδρώντων είναι μεγαλύτερη από τα προϊόντα. Η ενέργεια των αντιδρώντων αυξάνεται και τελικά μειώνεται στην ενέργεια του τελικού προϊόντος. Το υψηλότερο σημείο αντιπροσωπεύει την ενέργεια της ενδιάμεσης κατάστασης. Η ενέργεια ενεργοποίησης είναι η ποσότητα ενέργειας που φτάνει στην ενδιάμεση κατάσταση.

Στη Χημεία, πώς λειτουργεί η ενέργεια ενεργοποίησης;

Οι χημικές διεργασίες απαιτούν ένα ορισμένο ποσό ενέργειας για να ξεκινήσουν. Η ενέργεια ενεργοποίησης είναι η μικρότερη ενέργεια που απαιτείται για την έναρξη μιας αντίδρασης.

Για να κατανοήσουμε την ενέργεια ενεργοποίησης, πρέπει πρώτα να εξετάσουμε πώς συμβαίνει μια χημική αντίδραση.

Όποιος έχει ανάψει ποτέ φωτιά έχει μια ενστικτώδη επίγνωση της διαδικασίας, ακόμα κι αν δεν την έχει συνδέσει με τη χημεία.

Πολλοί από εμάς έχουμε την αίσθηση της ευρείας θερμότητας που απαιτείται για να ξεκινήσει μια φλόγα. Γνωρίζουμε ότι ένα σπίρτο δεν αρκεί για να ανάψει ένα τεράστιο ξύλο, και ένα φλογοβόλο θα ήταν υπερβολικό.

Γνωρίζουμε επίσης ότι τα υγρά ή παχιά υλικά απαιτούν περισσότερη θερμότητα από τα ξηρά υλικά. Η ενέργεια ενεργοποίησης αντιπροσωπεύεται από την ανεπαρκή ποσότητα ενέργειας που γνωρίζουμε ότι χρειαζόμαστε για να ξεκινήσουμε μια πυρκαγιά.

Οι υπάρχουσες συνδέσεις πρέπει να σπάσουν και να δημιουργηθούν νέες για να συμβεί μια αντίδραση.

Η αντίδραση προχωρά μόνο εάν τα προϊόντα είναι πιο σταθερά από τα αντιδρώντα. Για παράδειγμα, σε μια φωτιά, μετατρέπουμε τον άνθρακα στο ξύλο σε CO2, το οποίο είναι μια πιο σταθερή μορφή άνθρακα από το ξύλο.

Επομένως, η αντίδραση συνεχίζεται και δημιουργεί θερμότητα στη διαδικασία. Η ενέργεια ενεργοποίησης, σε αυτή την περίπτωση, είναι η αρχική θερμότητα που απαιτείται για την ανάφλεξη της φωτιάς. Οι προσπάθειες και οι αγώνες μας είναι απόδειξη αυτού.

Σε μια χημική διαδικασία, η ενέργεια ενεργοποίησης μπορεί να είναι το εμπόδιο μεταξύ των αντιδρώντων και των ελάχιστων προϊόντων (οι ελάχιστες απαιτούμενες τιμές).

Ενεργοποιημένα σύνθετα παραδείγματα

Η δημιουργία ενός μορίου όπως ένα υδροιώδιο βοηθά στην καλύτερη κατανόηση της ιδέας του ενεργοποιημένου συμπλέγματος στη μεταβατική κατάσταση. Ας υποθέσουμε ότι ένα άτομο υδρογόνου έρχεται σε επαφή με μόρια αλογόνου για να παράγει μια δραστική ένωση.

Όταν και τα δύο χωρίζονται από μια σημαντική απόσταση, η ενέργεια του συστήματος ισούται με το άθροισμα των επιμέρους ενεργειών. Τα τροχιακά των ατόμων υδρογόνου και ιωδίου αρχίζουν να επικαλύπτονται καθώς το άτομο υδρογόνου πλησιάζει το μόριο ιωδίου.

Ως αποτέλεσμα, η χημική σύνδεση ιωδίου-ιωδίου αρχίζει να επιμηκύνεται. Η ενέργεια του συστήματος τώρα ενεργοποιείται ή αυξάνεται λόγω της ανάπτυξης του συγκροτήματος.

Τύπος Ενέργειας Ενεργοποίησης

Εδώ, το Α αποδεικνύεται ότι είναι το προεξέχον στοιχείο που λειτουργεί με την αντίδραση. Επιπλέον, η αντίδραση είναι σχεδόν σταθερή. Επιπλέον, η αντίδραση εξαρτάται από τη θερμοκρασία. Το Ea αποδεικνύεται ότι είναι η Ενέργεια Ενεργοποίησης ενώ η σταθερά του αερίου είναι R.

Επιπλέον, το T παραπέμπει στη θερμοκρασία ενώ το k παραπέμπει στη σταθερά του ρυθμού αντίδρασης. Το πιο σημαντικό, μπορεί κανείς να σημειώσει τρεις σημαντικές μεταβλητές των οποίων η θρυαλλίδα προέκυψε από τον Arrhenius.

Ο κύριος παράγοντας είναι ότι τα σωματίδια περιλαμβάνουν δυναμικό, το οποίο είναι σημαντικό για την αντίδραση. Επιπλέον, οι επιπτώσεις συμβαίνουν μεταξύ των σωματιδίων. Επομένως, επιτέλους, η ποσότητα των επιπτώσεων θα έχει γενικά το στοιχείο της κατάλληλης κατεύθυνσης.

Πού μπορώ να βρω ενέργεια ενεργοποίησης;

Για να υπολογίσετε την ενέργεια ενεργοποίησης, χρησιμοποιήστε την εξίσωση Arrhenius. Η επανεγγραφή της εξίσωσης Arrhenius και η σημείωση της αλλαγής στον ρυθμό αντίδρασης καθώς οι αλλαγές θερμοκρασίας είναι μία μέθοδος:

log K =log A – Ea/2.303 RT

log (k2/​k1​​) =Ea/2.303 R x (1/T1​​− 1/T2​​)

Για παράδειγμα, καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται από 310 K σε 330 K, η σταθερά ταχύτητας μιας αντίδρασης πρώτης τάξης αυξάνεται από 3×10-2 σε 8 x 10-2. Προσδιορίστε την ενέργεια ενεργοποίησης (Ea):

log (8 × 10 – 2/3 × 10 – 2) =Ea/2.303 R (1/310 – 1/330)

log 2,66 =Ea/2,303 R (1,95503 x 10 – 4)

0,4249 Ea/2,303 × 8,314 x (1,95503 x 10 – 4)

0,4249 =Ea/19,147 x (1,95503 x 10 – 4)

0,4249 =1,02106 x 10 – 5 x Ea

Ea =41613,62 J/mol ή 41,614 kJ/mol

Μπορείτε να υπολογίσετε την ενέργεια ενεργοποίησης σχηματίζοντας γραφήματα ln k (φυσικός λογάριθμος της σταθεράς ρυθμού) έναντι 1/T και χρησιμοποιώντας την κλίση της προκύπτουσας γραμμής:

Εδώ, το m αντιπροσωπεύει την κλίση της γραμμής, το Ea αντιπροσωπεύει την ενέργεια ενεργοποίησης και το R αντιπροσωπεύει την ιδανική σταθερά αερίου 8,314 J/mol.K. Πριν υπολογίσετε το 1/T και σχεδιάσετε το γράφημα, θυμηθείτε να μετατρέψετε τυχόν μετρήσεις θερμοκρασίας που αποκτήθηκαν σε Κελσίου ή Φαρενάιτ σε Kelvin.

Συμπέρασμα 

Η ενέργεια ενεργοποίησης αναπαρίσταται συνήθως ως Ea, η οποία μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας τον μαθηματικό τύπο Arrhenius, k =Ae – Ea/RT, όπου A =σταθερά. Είναι αυτονόητο ότι το Ea στην εξίσωση Arrhenius πρέπει να περιέχει ενεργειακές μονάδες. Συνήθως μετράται σε joules ανά mole (J/mol), kilojoules ανά mole (kJ/mol) ή χιλιοθερμίδες ανά mole (kcal/mol).

Σε μια διαδικασία ενζυμικής κατάλυσης στη βιολογία, ο χημικός καταλύτης μπορεί να μειώσει την ενέργεια ενεργοποίησης, επιτρέποντας περισσότερη αντίδραση σε μια δεδομένη περίοδο μέσω της παραγωγής του ενδιάμεσου ενεργοποιημένου συμπλόκου.