พลังงานของการกระตุ้นทางเคมี: การคำนวณนั้นประกอบด้วยอะไรบ้าง

พลังงานกระตุ้นทางเคมี (จากมุมมองของการศึกษาจลนศาสตร์) หมายถึงปริมาณพลังงานที่เป็นไปได้น้อยที่สุดที่ต้องใช้ในการเริ่มทำปฏิกิริยาเคมี ตามทฤษฎีการชนในจลนพลศาสตร์ของสารเคมีกล่าวกันว่าโมเลกุลทุกโมเลกุลที่เคลื่อนที่มีพลังงานจลน์จำนวนหนึ่ง

ซึ่งหมายความว่ายิ่งความเร็วในการเคลื่อนที่ของคุณสูงขึ้นเท่าไรพลังงานของจลน์ของคุณก็จะยิ่งมากขึ้น ในแง่นี้โมเลกุลที่มีการเคลื่อนที่อย่างรวดเร็วไม่สามารถแบ่งออกเป็นชิ้นส่วนด้วยตัวเองดังนั้นการชนจะต้องเกิดขึ้นระหว่างโมเลกุลนี้กับโมเลกุลอื่นเพื่อให้ปฏิกิริยาทางเคมีเกิดขึ้น

เมื่อสิ่งนี้เกิดขึ้น - เมื่อมีการปะทะกันเกิดขึ้นระหว่างโมเลกุล - พลังงานจลน์ของเศษส่วนจะถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานสั่นสะเทือน ในทำนองเดียวกันถ้าในตอนต้นของกระบวนการพลังงานจลน์สูงโมเลกุลที่มีส่วนร่วมในการชนจะแสดงการสั่นสะเทือนที่ยิ่งใหญ่จนบางส่วนของพันธะเคมีจะแตก

การเชื่อมโยงที่แตกเป็นขั้นตอนแรกในการเปลี่ยนสารตั้งต้นเป็นผลิตภัณฑ์ นั่นคือในการก่อตัวของเหล่านี้ ในทางตรงกันข้ามถ้าในตอนต้นของกระบวนการนี้พลังงานจลน์มีขนาดเล็กก็จะมีปรากฏการณ์ "เด้ง" ของโมเลกุลซึ่งจะแยกออกจากกันได้จริง

มันประกอบด้วยอะไร?

เริ่มต้นจากแนวคิดของการชนระหว่างโมเลกุลเพื่อเริ่มปฏิกิริยาทางเคมีที่อธิบายไว้ก่อนหน้านี้อาจกล่าวได้ว่ามีพลังงานขั้นต่ำที่จำเป็นสำหรับการชนที่จะเกิดขึ้น

ดังนั้นหากค่าพลังงานน้อยกว่าค่าต่ำสุดที่จำเป็นนี้จะไม่มีการเปลี่ยนแปลงระหว่างโมเลกุลหลังจากการชนเกิดขึ้นซึ่งหมายความว่าเมื่อพลังงานนี้หายไปเผ่าพันธุ์ที่เกี่ยวข้องยังคงเหมือนเดิมและจะไม่เกิดขึ้น ไม่มีการเปลี่ยนแปลงเนื่องจากการกระแทกนี้

ตามลำดับของแนวคิดพลังงานขั้นต่ำที่จำเป็นสำหรับการเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้นหลังจากการชนกันของโมเลกุลเรียกว่าพลังงานกระตุ้น

กล่าวอีกนัยหนึ่งโมเลกุลที่เกี่ยวข้องในการช็อกจะต้องมีพลังงานจลน์ทั้งหมดที่มีขนาดเท่ากับหรือมากกว่าพลังงานกระตุ้นเพื่อให้เกิดปฏิกิริยาเคมี

นอกจากนี้ในหลายกรณีโมเลกุลชนกันและสร้างสายพันธุ์ใหม่ที่เรียกว่าคอมเพล็กซ์ที่เปิดใช้งานโครงสร้างซึ่งเรียกว่า "สถานะการเปลี่ยนแปลง" เพราะมันมีอยู่เพียงชั่วคราว

มันเกิดจากสายพันธุ์สารตั้งต้นเนื่องจากการชนกันและก่อนที่จะก่อตัวของผลิตภัณฑ์ของปฏิกิริยา

เปิดใช้งานคอมเพล็กซ์

คอมเพล็กซ์ที่ถูกกระตุ้นดังกล่าวข้างต้นก่อตัวเป็นสปีชีส์ที่มีความเสถียรต่ำมาก แต่ในทางกลับกันก็มีพลังงานที่มีศักยภาพมากมาย

แผนภาพต่อไปนี้แสดงให้เห็นถึงการเปลี่ยนแปลงของสารตั้งต้นกับผลิตภัณฑ์ซึ่งแสดงในรูปของพลังงานและสังเกตว่าขนาดของพลังงานของสารเชิงซ้อนที่เกิดขึ้นนั้นมีค่ามากกว่าของสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์

หากในตอนท้ายของปฏิกิริยาผลิตภัณฑ์มีความเสถียรมากกว่าสารตั้งต้นการปล่อยพลังงานเกิดขึ้นในรูปของความร้อนทำให้เกิดปฏิกิริยาคายความร้อน

ในทางตรงกันข้ามถ้าสารตั้งต้นส่งผลให้เกิดความมั่นคงที่มีขนาดใหญ่กว่าผลิตภัณฑ์นั่นหมายความว่าส่วนผสมของปฏิกิริยาจะแสดงการดูดซับพลังงานในรูปของความร้อนจากสภาพแวดล้อมซึ่งส่งผลให้เกิดปฏิกิริยาดูดความร้อน

ในทำนองเดียวกันหากมีกรณีใดเหตุการณ์หนึ่งเกิดขึ้นต้องสร้างไดอะแกรมเช่นที่แสดงไว้ก่อนหน้านี้ซึ่งพลังงานศักย์ของระบบที่ตอบสนองต่อความคืบหน้าหรือความคืบหน้าของปฏิกิริยาจะเกิดขึ้น

ด้วยวิธีนี้การเปลี่ยนแปลงพลังงานที่อาจเกิดขึ้นที่เกิดขึ้นเมื่อได้รับปฏิกิริยาและสารตั้งต้นจะถูกเปลี่ยนเป็นผลิตภัณฑ์

มันคำนวณอย่างไร

พลังงานกระตุ้นของปฏิกิริยาเคมีเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับค่าคงที่ความเร็วของปฏิกิริยานั้นและการพึ่งพาค่าคงที่นี้ต่ออุณหภูมิจะถูกแทนด้วยสมการ Arrhenius:

k = Ae-Ea / RT

ในการแสดงออกนี้ k หมายถึงค่าคงที่อัตราของปฏิกิริยา (ซึ่งขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ) และพารามิเตอร์ A เรียกว่าปัจจัยความถี่และเป็นการวัดความถี่ของการชนระหว่างโมเลกุล

สำหรับส่วนของมัน e เป็นการแสดงออกถึงพื้นฐานของอนุกรมของลอการิทึมธรรมชาติ มันถูกยกกำลังให้เท่ากับอัตราส่วนลบของพลังงานกระตุ้น ( Ea ) ระหว่างผลิตภัณฑ์ที่เป็นผลมาจากค่าคงที่ของแก๊ส ( R ) และอุณหภูมิสัมบูรณ์ ( T ) ของระบบที่จะพิจารณา

ควรสังเกตว่าปัจจัยความถี่ถือได้ว่าเป็นค่าคงที่ในระบบปฏิกิริยาบางอย่างในช่วงอุณหภูมิกว้าง

การแสดงออกทางคณิตศาสตร์นี้เดิมทีสันนิษฐานโดยนักเคมีของต้นกำเนิดดัตช์ Jacobus Henricus van't Hoff ใน 1, 884 แต่ผู้ที่ให้มันถูกต้องทางวิทยาศาสตร์และตีความหลักฐานของมันเป็นนักเคมีของสวีเดนกำเนิด Svante Arrhenius ในปี 1, 899.

การคำนวณพลังงานกระตุ้นของปฏิกิริยาเคมี

สมการ Arrhenius ชี้ให้เห็นสัดส่วนโดยตรงที่มีอยู่ระหว่างค่าคงที่ความเร็วของปฏิกิริยาและความถี่ของการชนระหว่างโมเลกุล

นอกจากนี้สมการนี้ยังสามารถนำเสนอในวิธีที่สะดวกยิ่งขึ้นโดยการใช้คุณสมบัติของลอการิทึมธรรมชาติกับแต่ละด้านของสมการเพื่อให้ได้:

ln k = ln A - Ea / RT

เมื่อทำการจัดเรียงคำใหม่เพื่อให้ได้สมการของเส้น (y = mx + b) นิพจน์ต่อไปนี้จะได้รับ:

ln k = (- Ea / R) (1 / T) + ln A

ดังนั้นเมื่อสร้างกราฟของ ln k เทียบกับ 1 / T เราจะได้เส้นตรงโดยที่ ln k แทนพิกัด y (- A / R) แทนความชันของเส้น (m), (1 / T) แสดงถึงพิกัด x และ ln A หมายถึงจุดตัดที่มีแกนของพิกัด (b)

ดังที่เห็นได้ความชันที่เกิดจากการคำนวณนี้เท่ากับค่าของ -Ea / R นี่ก็หมายความว่าถ้ามันต้องการที่จะได้รับคุณค่าของพลังงานกระตุ้นโดยการแสดงออกนี้ควรมีการล้างอย่างง่ายส่งผลให้:

Ea = -mR

ที่นี่เรารู้ว่าค่าของ m และ R เป็นค่าคงที่เท่ากับ 8.314 J / K · mol

พลังงานกระตุ้นมีผลต่อความเร็วของปฏิกิริยาอย่างไร

เมื่อพยายามสร้างภาพของพลังงานกระตุ้นนั้นถือได้ว่าเป็นสิ่งกีดขวางที่ไม่อนุญาตให้เกิดปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุลพลังงานที่ต่ำกว่า

ในปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นทั่วไปนั้นปริมาณของโมเลกุลที่สามารถตอบสนองมีขนาดค่อนข้างใหญ่ความเร็วและพลังงานพลังงานจลน์ของโมเลกุลเหล่านี้จะเท่ากัน

มักจะเกิดขึ้นเพียงจำนวนเล็กน้อยของโมเลกุลทั้งหมดที่พบการชนกัน - ซึ่งมีความเร็วในการเคลื่อนที่มากขึ้น - นำเสนอพลังงานจลน์ที่มากพอที่จะสามารถเอาชนะขนาดของพลังงานกระตุ้น จากนั้นโมเลกุลเหล่านี้จะเหมาะและสามารถเป็นส่วนหนึ่งของปฏิกิริยา

ตามสมการของ Arrhenius เครื่องหมายลบ - ซึ่งอยู่ข้างหน้าผลหารระหว่างพลังงานกระตุ้นและผลิตภัณฑ์ของค่าคงที่ก๊าซโดยอุณหภูมิสัมบูรณ์ - แสดงว่าค่าคงที่ความเร็วลดลงเมื่อมีพลังงานกระตุ้นเพิ่มขึ้น เช่นเดียวกับการเติบโตเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น

ตัวอย่างการคำนวณพลังงานกระตุ้น

ในการคำนวณพลังงานกระตุ้นโดยการสร้างกราฟตามสมการของ Arrhenius เรามีค่าคงที่อัตราสำหรับปฏิกิริยาการสลายตัวของอะซีตัลดีไฮด์ได้ถูกวัดที่อุณหภูมิต่าง ๆ ห้าอุณหภูมิและเราต้องการกำหนดพลังงานกระตุ้น สำหรับปฏิกิริยาซึ่งแสดงเป็น:

CH 3 CHO (g) → CH 4 (g) + CO (g)

ข้อมูลของการวัดห้ารายการดังต่อไปนี้:

k (1 / M1 / ​​2 · s): 0.011 - 0.035 - 0.105 - 0.343 - 0.789

T (K): 700 - 730 - 760 - 790 - 810

อันดับแรกเพื่อแก้ปัญหาที่ไม่รู้จักและกำหนดพลังงานกระตุ้นเราต้องสร้างกราฟของ ln k เทียบกับ 1 / T (y vs x) เพื่อให้ได้เส้นตรงจากที่นี่จะใช้ความชันและหาค่าของ Ea ตามที่อธิบายไว้

การแปลงข้อมูลของการวัดตามสมการของ Arrhenius [ln k = (- Ea / R) (1 / T) + ln A] พบค่าต่อไปนี้สำหรับ y และ x ตามลำดับ:

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

ของค่าเหล่านี้และโดยวิธีการคำนวณทางคณิตศาสตร์ของความชัน - ทั้งในคอมพิวเตอร์หรือในเครื่องคิดเลขโดยใช้นิพจน์ m = (Y 2 -Y 1 ) / (X 2 -X 1 ) หรือใช้วิธีการถดถอยเชิงเส้น มันจะได้รับว่า m = -Ea / R = -2.09 * 104 K. ดังนั้น:

Ea = (8.314 J / K · mol) (2.09 * 104 K)

= 1.74 * 105 = 1.74 * 102 kJ / mol

เพื่อกำหนดพลังงานอื่น ๆ ของการเปิดใช้งานผ่านลักษณะกราฟิกขั้นตอนที่คล้ายกันจะดำเนินการ