на что влияет энергия активации

На что влияет энергия активации

§ 9.3 Почему все возможные химические реакции еще не произошли? Энергия активации. Понятие о скорости химической реакции.

Рассмотрим реакцию, которая происходит в замкнутом сосуде между некими газообразными веществами А и Б по уравнению:

Рис. 9-5. а) Молекулы реагентов не вступает в химическую реакцию после столкновения, так как энергия молекул недостаточна. б) Энергия молекул А и Б достаточна для того, чтобы столкновение между ними привело к химической реакции с образованием продукта В.

Мерой «энергичности» молекул может служить, например, скорость их движения, которая возрастает с повышением температуры газа. Кстати, тепло или холод мы воспринимаем именно как результат столкновений окружающих нас «быстрых» или «медленных» молекул атмосферы с нашей кожей.

Рис. 9-6. Распределение молекул по энергии при какой-то определенной температуре. По горизонтальной оси отложена энергия молекул. На вертикальной оси показано количество молекул данной энергии. Значение E min представляет собой некоторую минимальную энергию, которой должна обладать молекула, чтобы вступить в некую химическую реакцию. Количество таких «активных» молекул пропорционально заштрихованной площади под кривой.

Пояснить ситуацию может простой пример, который однажды уже приводился в §2.7 по другому поводу: по городским улицам движется множество машин, причем только небольшая их часть едет либо с очень маленькой, либо, наоборот, с очень большой скоростью. Основная же масса транспорта движется по городу с какой-то средней (не очень большой и не очень маленькой) скоростью. В реакционном сосуде молекулы тоже распределяются по скоростям (и по энергии) неравномерно. Необходимой для химической реакции энергией обладает только ЧАСТЬ сталкивающихся молекул.

Отсюда следует важный вывод: никакая химическая реакция не может происходить мгновенно (сразу между всеми молекулами), поскольку значительная их часть просто не обладает достаточной энергией для этого. Следовательно, каждая химическая реакция происходит с какой-то конечной СКОРОСТЬЮ. Под скоростью реакции мы будем понимать число молекул, которые вступают в химическое взаимодействие с другими молекулами за единицу времени. Удобно это число молекул выражать в МОЛЯХ и относить к единице объема смеси.

Скоростью химической реакции называется количество вещества, вступающего в реакцию или образующегося при реакции за единицу времени в единице объема системы.

С математическим выражением для скорости химической реакции мы познакомимся в следующем параграфе. Пока же обсудим, что происходит с «энергичной» молекулой А в тот момент, когда она вступает в химическое взаимодействие с молекулой Б.

** Не следует путать значения Е а и Е min из рис. 9-6. Во-первых, по достижении молекулами энергии Е min скорость реакции еще настолько мала, что такую реакцию мы вряд ли могли бы наблюдать.

Рис. 9-8. Распределение молекул газообразного азота по скоростям при трех различных температурах. Температура в кельвинах указана рядом с каждой кривой (кривые распределения взяты их книги Р. Дикерсона и соавт. «Основные законы химии», М.: «Мир», 1982, т. 1, стр. 143).

Если мы повысим температуру реагирующей смеси до 2273 К, то кривая сдвигается вправо по шкале энергий (и шкале скорости молекул), но разница ΔЕ = Е а сохранится. Таким образом, энергия активации Е а практически не зависит от температуры.

Этого нельзя сказать о скорости реакции, которая с повышением температуры увеличивается. Действительно, теперь область энергичных» молекул закрашена не только желтым, но и оранжевым цветом. Эта площадь пропорциональна числу реагирующих молекул. Следовательно, при температуре 2273 К скорость реакции будет заметно выше, чем при температуре 1273 К.

Можно изобразить это и другим способом. На рис 9-9 показаны три ситуации: а) при низкой температуре вообще нет активированных молекул и химическая реакция не происходит; б) при повышении температуре реакция уже идет, но её скорость не велика; в) при высокой температуре реакция идет с заметной скоростью.

Рис. 9-9. При повышении температуры активационный барьер Е а и тепловой эффект реакции Q не изменяются, но возрастает скорость химической реакции.

До сих пор мы сравнивали ОДНУ И ТУ ЖЕ реакцию при разных температурах. Если же сравнить между собой РАЗЛИЧНЫЕ химические реакции, протекающие в одинаковых условиях, то выясняется следующее.

Для каждой химической реакции характерно свое собственное значение Е а (не зависящее от температуры). В большинстве случаев энергия активации химических реакций между нейтральными молекулами составляет от 80 до 240 кДж/моль. Чем НИЖЕ активационный барьер Еа какой-либо химической реакции, тем БЫСТРЕЕ она идет в данных условиях, потому что большее число молекул А и Б способны преодолевать барьер в единицу времени.

Если в другой химической реакции активационный барьер ВЫШЕ, то такая реакция в тех же условиях идет МЕДЛЕННЕЕ. Если барьер очень высок, в системе вообще нет молекул, способных преодолеть активационный барьер и реакция не происходит.

Когда мы подносим горящую спичку к открытой конфорке газовой плиты, мы заставляем какую-то часть молекул метана и кислорода «перескочить» активационный барьер, не преодолимый при комнатной температуре. В дальнейшем энергия активации для взаимодействия все новых и новых молекул метана и кислорода черпается уже из тепла самой экзотермической реакции.

Найдите одну существенную и несколько мелких неточностей в фантастическом рассказе нашего уважаемого Юха, исправьте их и дополните рассказ другими деталями.

Источник

Энергия активации

Энергия активации в химии и биологии — минимальное количество энергии, которое требуется сообщить системе (в химии выражается в джоулях на моль), чтобы произошла реакция. Термин введён Сванте Августом Аррениусом в 1889. Типичное обозначение энергии реакции E_a.

Энергия активации в физике — минимальное количество энергии, которое должны получить электроны донорной примеси, для того чтобы попасть в зону проводимости.

В химической модели, известной как Теория активных соударений (ТАС), есть три условия, необходимых для того, чтобы произошла реакция:

При низкой (для определённой реакции) температуре большинство молекул обладают энергией меньшей, чем энергия активации, и неспособны преодолеть энергетический барьер. Однако в веществе всегда найдутся отдельные молекулы, энергия которых значительно выше средней. Даже при низких температурах большинство реакций продолжают идти. Увеличение температуры позволяет увеличить долю молекул, обладающих достаточной энергией, чтобы преодолеть энергетический барьер. Таким образом повышается скорость реакции.

Содержание

Математическое описание

Уравнение Аррениуса устанавливает связь между энергией активации и скоростью протекания реакции:

k — константа скорости реакции, — фактор частоты для реакции, — универсальная газовая постоянная, — температура в кельвинах.

С повышением температуры растёт вероятность преодоления энергетического барьера.

Для количественного описания температурных эффектов в химической кинетике для приближённых вычислений кроме уравнения Аррениуса используют правило Вант-Гоффа: повышение температуры на 10 К увеличивает для большинства реакций скорость в 2-4 раза. Математически это означает, что скорость реакции зависит от температуры степенным образом:

где — температурный коэффициент скорости (его значение лежит в интервале от 2 до 4). Правило Вант-Гоффа является весьма грубым и применимо только в очень ограниченном интервале температур.

Переходное состояние

Переходное состояние — состояние системы, при котором уравновешены разрушение и создание связи. В переходном состоянии система находится в течение небольшого (10 −15 с) времени. Энергия, которую необходимо затратить, чтобы привести систему в переходное состояние, называется энергией активации. В многоступенчатых реакциях, которые включают в себя несколько переходных состояний, энергия активации соответствует наибольшему значению энергии. После преодоления переходного состояния молекулы вновь разлетаются с разрушением старых связей и образованием новых или с преобразованием исходных связей. Оба варианта возможны, так как происходят с высвобождением энергии (это хорошо видно на рисунке, поскольку оба положения лежат энергетически ниже энергии активации). Существуют вещества, способные уменьшить энергию активации для данной реакции. Такие вещества называют катализаторами. Биологи же такие вещества называют ферментами. Интересно, что катализаторы таким образом ускоряют ход реакции, самостоятельно в ней не участвуя.

См. также

Ссылки

Полезное

Смотреть что такое «Энергия активации» в других словарях:

ЭНЕРГИЯ АКТИВАЦИИ — ЭНЕРГИЯ АКТИВАЦИИ, наименьшее количество энергии, необходимое для начала химической реакции. По мере того, как в ходе реакции химические связи разрываются или формируются, энергия системы увеличивается по сравнению с энергией исходных веществ,… … Научно-технический энциклопедический словарь

ЭНЕРГИЯ АКТИВАЦИИ — в химии наименьшая энергия, которой должна обладать частица (атом, ион, радикал) для того, чтобы произошла химическая реакция. Одна из основных величин, определяющих скорость реакции при данной температуре (см. Аррениуса уравнение) … Большой Энциклопедический словарь

энергия активации — – средняя избыточная энергия, которой должны обладать реагирующие частицы, чтобы преодолеть потенциальный энергетический барьер, разделяющий исходное и конечное состояния системы. Общая химия : учебник / А. В. Жолнин [1] … Химические термины

Энергия активации — кинетический параметр, средняя избыточная энергия, которой должны обладать реагирующие частицы (атомы, элементы) для преодоления потенциального барьера между начальным и исходным состоянием системы. [Ушеров Маршак А. В. Бетоноведение: лексикон. М … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов

ЭНЕРГИЯ АКТИВАЦИИ — энергетический барьер, который необходимо преодолеть реагирующим атомам для осуществления хим. реакции. В частном случае радиогенных газов Э. а. (Е) определяет возможность перемещения газов по кристаллической решетке. Количество газа, остающееся… … Геологическая энциклопедия

энергия активации — Количество энергии в калориях, требуемое для перевода всех молекул, содержащихся в 1 моле реагирующего субстрата, в переходное состояние [http://www.dunwoodypress.com/148/PDF/Biotech Eng Rus.pdf] Тематики биотехнологии EN activation energy … Справочник технического переводчика

энергия активации — [activation energy] разность между средней энергией частиц (молекул, радикалов, ионов и др.), вступающих в элементарный акт химической реакции, и средней энергией всех частиц реагирующей системы. Энергия активации разных химических реакций… … Энциклопедический словарь по металлургии

ЭНЕРГИЯ АКТИВАЦИИ — – в химической кинетике наименьшая избыточная энергия, которой должны обладать частицы (сталкивающиеся или распадающиеся) для осуществления химического превращения. Энергия активации при гетерофазном окислении титаномагнетита, т.е. для… … Палеомагнитология, петромагнитология и геология. Словарь-справочник.

энергия активации — в химии, наименьшая энергия, которой должна обладать частица (атом, ион, радикал) для того, чтобы произошла химическая реакция. Одна из основных величин, определяющих скорость реакции при данной температуре (см. Аррениуса уравнение). * * *… … Энциклопедический словарь

Энергия активации — Activation energy Энергия активации. Энергия, необходимая для начала металлургического процесса, например, пластической деформации, диффузии, химической реакции. (Источник: «Металлы и сплавы. Справочник.» Под редакцией Ю.П. Солнцева; НПО… … Словарь металлургических терминов

Источник

Энергия химической активации: из чего состоит, расчет

Содержание:

Вэнергия химической активации (с точки зрения кинетических исследований) означает минимально возможное количество энергии, необходимое для начала химической реакции. Согласно теории столкновений в химической кинетике, считается, что все движущиеся молекулы обладают определенной кинетической энергией.

Это означает, что чем больше скорость его движения, тем больше величина его кинетической энергии. В этом смысле молекула, которая совершает быстрое движение, не может быть разделена на фрагменты сама по себе, поэтому должно произойти столкновение между ней и другой молекулой, чтобы произошла химическая реакция.

Этот разрыв связей составляет первый шаг в превращении реагентов в продукты; то есть в их образовании. Напротив, если в начале этого процесса кинетическая энергия будет небольшой, произойдет явление «отскока» молекул, благодаря которому они разделятся практически целыми.

Из чего он состоит?

Исходя из концепции столкновений между молекулами для инициирования ранее описанных химических реакций, можно сказать, что для возникновения столкновения требуется минимальное количество энергии.

Таким образом, если значение энергии меньше этого необходимого минимума, просто не будет никаких изменений между молекулами после столкновения, а это означает, что, когда эта энергия отсутствует, участвующие частицы остаются практически нетронутыми, и этого не произойдет. любые изменения из-за этого сбоя.

В этом порядке идей минимальная энергия, необходимая для того, чтобы изменение произошло после столкновения между молекулами, называется энергией активации.

Другими словами, молекулы, участвующие в столкновении, должны иметь общую кинетическую энергию, равную или превышающую энергию активации, чтобы произошла химическая реакция.

Точно так же во многих случаях молекулы сталкиваются и порождают новый вид, называемый активированным комплексом, структуру, которую также называют «переходным состоянием», потому что она существует только временно.

Это вызвано реагентами из-за столкновения и до образования продуктов реакции.

Активированный комплекс

Вышеупомянутый активированный комплекс образует разновидность, которая имеет очень низкую стабильность, но, в свою очередь, имеет большую величину потенциальной энергии.

На следующей диаграмме показано превращение реагентов в продукты, выраженное в единицах энергии, с учетом того, что величина энергии образованного активированного комплекса значительно больше, чем у реагентов и продуктов.

Если в конце реакции продукты обладают большей стабильностью, чем реагирующие вещества, высвобождение энергии происходит в виде тепла, вызывая экзотермическую реакцию.

Напротив, если реагенты приводят к большей стабильности, чем продукты, это означает, что реакционная смесь проявляет поглощение энергии в виде тепла из окружающей среды, что приводит к эндотермической реакции.

Точно так же, если случается тот или иной случай, следует построить диаграмму, подобную показанной ранее, на которой отображается потенциальная энергия системы, которая реагирует против продвижения или прогресса реакции.

Таким образом, получаются изменения потенциальной энергии, которые происходят по мере протекания реакции и превращения реагентов в продукты.

Как рассчитывается?

Энергия активации химической реакции тесно связана с константой скорости указанной реакции, и зависимость этой константы от температуры представлена ​​уравнением Аррениуса:

В этом выражении k представляет собой константу скорости реакции (которая зависит от температуры) и параметр К это называется частотным фактором, и это мера частоты столкновений между молекулами.

В свою очередь,а также выражает основание ряда натуральных логарифмов. Он возведен в степень, равную отрицательному отношению энергии активации (Ea) между произведением газовой постоянной (р) и абсолютной температуры (Т) рассматриваемой системы.

Следует отметить, что частотный фактор можно рассматривать как постоянный в некоторых реакционных системах в широком диапазоне температур.

Это математическое выражение было первоначально предложено голландским химиком Якобусом Хенрикусом вант Хоффом в 1884 году, но тем, кто придал ему научную ценность и интерпретировал его предпосылку, был шведский химик Сванте Аррениус в 1889 году.

Расчет энергии активации химической реакции

Уравнение Аррениуса определяет прямую пропорциональность, которая существует между константой скорости реакции и частотой столкновений между молекулами.

Точно так же это уравнение можно представить более удобным способом, применив свойство натурального логарифма к каждой стороне уравнения, получив:

Когда члены переставляют, чтобы получить уравнение прямой (y = mx + b), получается следующее выражение:

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

Итак, при построении графика зависимости ln k от 1 / T получается прямая линия, где ln k представляет собой координату, а (-Ea / R) представляет собой наклон линии (m), (1 / T) представляет координату x, а ln A представляет точку пересечения с осью ординат (b).

Как видно, крутизна, полученная в результате этого расчета, равна значению –Ea / R. Это означает, что если вы хотите получить значение энергии активации с помощью этого выражения, вы должны выполнить простое уточнение, в результате чего:

Как энергия активации влияет на скорость реакции?

При попытке получить картину энергии активации ее можно рассматривать как барьер, который не позволяет реакции происходить между молекулами с более низкой энергией.

Согласно уравнению Аррениуса, отрицательный знак, предшествующий частному между энергией активации и произведением газовой постоянной и абсолютной температуры, означает, что константа скорости уменьшается по мере увеличения энергии активации, а также рост при повышении температуры.

Примеры расчета энергии активации

Для расчета энергии активации путем построения графика в соответствии с уравнением Аррениуса константы скорости реакции разложения ацетальдегида были измерены при пяти различных температурах, и желательно определить энергию активации для реакции, которая выражается как:

Данные для пяти измерений следующие:

Прежде всего, чтобы решить эту неизвестную и определить энергию активации, необходимо построить график ln k vs 1 / T (y vs x), чтобы получить прямую линию и отсюда взять наклон и найти значение Ea, как объяснено.

Преобразуя данные измерений, согласно уравнению Аррениуса [ln k = (- Ea / R) (1 / T) + ln A], находятся следующие значения для y и x соответственно:

Ea = (8,314 Дж / К моль) (2,09 * 10 4 K)

= 1,74*10 5 = 1,74*10 2 кДж / моль

Для определения других энергий активации графически выполняется аналогичная процедура.

Источник