طاقة التنشيط الكيميائي: ما الذي يتكون منه ، الحساب
تشير طاقة التنشيط الكيميائي (من وجهة نظر الدراسات الحركية) إلى أقل كمية ممكنة من الطاقة اللازمة لبدء التفاعل الكيميائي. وفقا لنظرية الاصطدامات في الحركية الكيميائية ، يقال أن جميع الجزيئات التي تعمل في الحركة لديها قدر معين من الطاقة الحركية.
هذا يعني أنه كلما زادت سرعة حركتك ، زاد حجم الطاقة الحركية لديك. في هذا المعنى ، لا يمكن تقسيم جزيء يحمل حركة سريعة إلى شظايا في حد ذاته ، لذلك يجب أن يحدث تصادم بين هذا وجزيء آخر حتى يمكن حدوث تفاعل كيميائي.
عندما يحدث هذا - عندما يحدث تصادم بين الجزيئات - يتحول جزء من طاقتها الحركية إلى طاقة اهتزازية. وبالمثل ، إذا كانت الطاقة الحركية مرتفعة في بداية العملية ، فإن الجزيئات التي تشارك في الاصطدام ستقدم اهتزازًا كبيرًا لدرجة أن بعض الروابط الكيميائية الموجودة سوف تنكسر.
يعتبر كسر الروابط هو الخطوة الأولى في تحويل المواد المتفاعلة إلى منتجات ؛ وهذا هو ، في تشكيل هذه. من ناحية أخرى ، إذا كانت الطاقة الحركية في بداية هذه العملية صغيرة الحجم ، فستكون هناك ظاهرة "انتعاش" الجزيئات ، والتي من خلالها ستنفصل من الناحية العملية.
ماذا تتكون؟
بدءاً من مفهوم التصادم بين الجزيئات لبدء التفاعلات الكيميائية الموصوفة سابقًا ، يمكن القول أن هناك حدًا أدنى من الطاقة اللازمة لحدوث تصادم.
لذلك ، إذا كانت قيمة الطاقة أقل من هذا الحد الأدنى الضروري ، فلن يكون هناك أي تغيير بين الجزيئات بعد حدوث التصادم ، مما يعني أنه عند غياب هذه الطاقة ، تظل الأنواع المعنية سليمة فعليًا ولن تحدث لا تغيير بسبب هذه الصدمة.
وفقًا لترتيب الأفكار هذا ، يُطلق على الحد الأدنى من الطاقة اللازم لإجراء التغيير بعد الاصطدام بين الجزيئات ، طاقة التنشيط.
بمعنى آخر ، يجب أن تحتوي الجزيئات المتورطة في الصدمة على كمية من الطاقة الحركية الكلية بقيمة تساوي أو تزيد عن طاقة التنشيط حتى يحدث تفاعل كيميائي.
أيضًا ، في كثير من الحالات ، تصطدم الجزيئات وتنشأ نوعًا جديدًا يُسمى المركب المنشَّط ، وهو الهيكل الذي يُطلق عليه أيضًا "حالة الانتقال" لأنه موجود مؤقتًا فقط.
وهو ناتج عن الأنواع المتفاعلة بسبب التصادم وقبل تشكيل منتجات التفاعل.
مجمع المنشط
يشكِّل المجمع المنشَّط المذكور أعلاه فصلاً يمتلك ثباتًا منخفضًا جدًا ، ولكنه بدوره يمتلك قدرًا كبيرًا من الطاقة الكامنة.
يوضح الرسم البياني التالي تحول المواد المتفاعلة إلى منتجات ، معبرًا عنها من حيث الطاقة ، مع الإشارة إلى أن حجم طاقة المجمع المنشَّط الذي يتم تشكيله أكبر بكثير من مقدار المواد المتفاعلة والمنتجات.
إذا كان لدى المنتجات في نهاية التفاعل استقرار أكبر من المواد المتفاعلة ، يحدث إطلاق الطاقة في شكل حرارة ، مما يعطي رد فعل طارد للحرارة.
على العكس من ذلك ، إذا كانت المواد المتفاعلة تؤدي إلى استقرار أكبر من المنتجات ، فهذا يعني أن خليط التفاعل يظهر امتصاص الطاقة في شكل حرارة من محيطها ، مما يؤدي إلى تفاعل ماص للحرارة.
وبالمثل ، في حالة حدوث حالة أو أخرى ، يجب إنشاء مخطط ، مثل الحالة الموضحة مسبقًا ، حيث يتم تخطيط الطاقة المحتملة للنظام الذي يتفاعل مع تقدم أو تقدم التفاعل.
بهذه الطريقة ، يتم الحصول على تغييرات الطاقة المحتملة التي تحدث مع استمرار التفاعل وتحويل المواد المتفاعلة إلى منتجات.
كيف يتم حسابها؟
ترتبط طاقة تنشيط التفاعل الكيميائي ارتباطًا وثيقًا بثبات السرعة لهذا التفاعل ، ويتم تمثيل اعتماد هذا الثابت على درجة الحرارة بواسطة معادلة أرهينيوس:
ك = Ae-Ea / RT
في هذا التعبير ، تمثل k معدل ثابت التفاعل (الذي يعتمد على درجة الحرارة) والمعلمة A تسمى عامل التردد ، وهي مقياس لتواتر الاصطدامات بين الجزيئات.
من جانبها ، تعبر e عن أساس سلسلة اللوغاريتمات الطبيعية. يتم رفعه إلى طاقة مساوية للنسبة السلبية لطاقة التنشيط ( Ea ) بين المنتج الناتج عن ثابت الغاز ( R ) ودرجة الحرارة المطلقة ( T ) للنظام الواجب أخذها في الاعتبار.
تجدر الإشارة إلى أن عامل التردد يمكن اعتباره ثابتًا في أنظمة رد فعل معينة على مدى درجات حرارة واسعة.
هذا التعبير الرياضي افترضه في الأصل الكيميائي من أصل هولندي Jacobus Henricus van't Hoff في عام 1884 ، ولكن الذي أعطاه الصلاحية العلمية وفسر فرضيته كان الكيميائي من أصل سويدي Svante Arrhenius ، في عام 1889.
حساب طاقة تنشيط التفاعل الكيميائي
تشير معادلة أرينيوس إلى التناسب المباشر الموجود بين ثابت سرعة التفاعل وتواتر الاصطدامات بين الجزيئات.
أيضا ، يمكن تمثيل هذه المعادلة بطريقة أكثر ملاءمة من خلال تطبيق خاصية اللوغاريتمات الطبيعية على كل جانب من المعادلة ، والحصول على:
ln k = ln A - Ea / RT
عند إعادة ترتيب الشروط للحصول على معادلة الخط (y = mx + b) ، يتحقق التعبير التالي:
ln k = (- Ea / R) (1 / T) + ln A
لذلك ، عند إنشاء رسم بياني لـ ln k مقابل 1 / T نحصل على خط مستقيم ، حيث يمثل ln k الإحداثي y ، (- A / R) يمثل ميل الخط (m) ، (1 / T) يمثل الإحداثي x ، و ln A يمثل التقاطع مع محور الإحداثيات (ب).
كما يتضح ، فإن الميل الناتج عن هذا الحساب يساوي قيمة -Ea / R. هذا يعني أنه إذا كان المطلوب هو الحصول على قيمة طاقة التنشيط عن طريق هذا التعبير ، فيجب إجراء مسح بسيط ، مما يؤدي إلى:
EA = -MR
نحن هنا نعلم أن قيمة m و R ثابتة تساوي 8.314 J / K · mol.
كيف تؤثر طاقة التنشيط على سرعة التفاعل؟
عند محاولة تكوين صورة عن طاقة التنشيط ، يمكن اعتبارها حاجزًا لا يسمح بحدوث تفاعل بين جزيئات الطاقة المنخفضة.
كما هو الحال في تفاعل شائع يحدث أن كمية الجزيئات التي يمكن أن تتفاعل كبيرة جداً ، يمكن أن تكون السرعة - وبشكل مكافئ ، الطاقة الحركية لهذه الجزيئات - متغيرة للغاية.
عادة ما يحدث أن كمية صغيرة فقط من إجمالي الجزيئات التي تواجه تصادمًا - تلك التي لها سرعة حركة أكبر - تقدم طاقة حركية كافية لتتمكن من التغلب على حجم طاقة التنشيط. ثم ، هذه الجزيئات ملائمة وقادرة على أن تكون جزءًا من التفاعل.
وفقًا لمعادلة أرينيوس ، تشير الإشارة السلبية - التي تسبق الحد الفاصل بين طاقة التنشيط ومنتج ثابت الغاز عند درجة الحرارة المطلقة - إلى انخفاض ثابت السرعة نظرًا لوجود زيادة في طاقة التنشيط ، وكذلك النمو عندما تزيد درجة الحرارة.
أمثلة لحساب طاقة التنشيط
لحساب طاقة التنشيط عن طريق إنشاء رسم بياني ، وفقًا لمعادلة أرهينيوس ، لدينا أن ثوابت معدل رد فعل التحلل من الأسيتالديهيد قد تم قياسها في خمس درجات حرارة مختلفة ونريد تحديد طاقة التنشيط لرد الفعل ، والتي يتم التعبير عنها على النحو التالي:
CH 3 CHO (g) → CH 4 (g) + CO (g)
فيما يلي بيانات القياسات الخمسة:
k (1 / M1 / 2 · s): 0.011 - 0.035 - 0.105 - 0.343 - 0.789
T (K): 700 - 730 - 760 - 790 - 810
أولاً ، لحل هذا المجهول وتحديد طاقة التنشيط ، يجب أن نبني رسمًا بيانيًا لـ ln k vs 1 / T (y vs x) ، للحصول على خط مستقيم ، ومن هنا خذ الميل ونجد قيمة Ea ، كما هو موضح.
تحويل بيانات القياسات ، وفقًا لمعادلة آرينيوس [ln k = (- Ea / R) (1 / T) + ln A] ، توجد القيم التالية في y و x على التوالي:
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
من هذه القيم وعن طريق الحساب الرياضي للمنحدر - إما في جهاز كمبيوتر أو في آلة حاسبة ، عن طريق التعبير m = (Y 2 -Y 1 ) / (X 2 -X 1 ) أو باستخدام طريقة الانحدار الخطي- تم الحصول على أن m = -Ea / R = -2.09 * 104 K. وهكذا:
EA = (8.314 J / K · مول) (2.09 * 104 K)
= 1.74 * 105 = 1.74 * 102 كيلو جول / مول
لتحديد طاقات التنشيط الأخرى من خلال طريقة الرسم ، يتم تنفيذ إجراء مماثل.
