화학 활성화 에너지 (운동 연구의 관점에서)은 화학 반응을 개시하는 데 필요한 최소한의 에너지 량을 의미한다. 화학 역학의 충돌 이론에 따르면, 움직이는 모든 분자는 일정량의 운동 에너지를 가지고 있다고합니다.
이것은 운동 속도가 빠를수록 운동 에너지의 크기가 커진다는 것을 의미합니다. 이런 의미에서 빠르게 움직이는 분자는 그 자체로 조각으로 나눌 수 없기 때문에 화학 반응이 일어나기 위해서는 다른 분자와 충돌이 일어나야합니다.
이것이 일어날 때-분자들 사이에 충돌이있을 때-운동 에너지의 일부가 진동 에너지로 변환됩니다. 마찬가지로, 과정의 시작에서 운동 에너지가 높으면 충돌에 참여하는 분자는 존재하는 일부 화학 결합이 끊어 질 정도로 큰 진동을 제공합니다.
이러한 결합의 끊김은 반응물을 생성물로 변환하는 첫 번째 단계를 구성합니다. 즉, 이들의 형성에 있습니다. 반대로,이 과정이 시작될 때 운동 에너지의 크기가 작 으면 분자가 "반동"하는 현상이 발생하여 실질적으로 그대로 분리됩니다.
무엇으로 구성되어 있습니까?
앞서 설명한 화학 반응을 시작하기위한 분자 간의 충돌 개념에서 시작하여 충돌이 발생하는 데 필요한 최소한의 에너지가 있다고 말할 수 있습니다.
따라서 에너지 값이 필요한 최소값보다 작 으면 충돌이 발생한 후 분자간에 변화가 없습니다. 즉,이 에너지가 없을 때 관련된 종은 실제로 그대로 유지되며 발생하지 않습니다. 이 충돌로 인한 변경.
이 순서대로 분자 간의 충돌 후 변화가 일어나기 위해 필요한 최소 에너지를 활성화 에너지라고합니다.
즉, 충돌에 관여하는 분자들은 화학 반응이 일어나기 위해 활성화 에너지보다 크거나 같은 총 운동 에너지를 가져야합니다.
마찬가지로, 많은 경우 분자가 충돌하여 활성화 된 복합체라고하는 새로운 종을 생성합니다.이 구조는 일시적으로 만 존재하기 때문에 "전이 상태"라고도합니다.
이것은 충돌로 인해 반응 생성물이 형성되기 전에 반응하는 종에 의해 발생합니다.
활성화 된 복합체
앞서 언급 한 활성화 된 복합체는 안정성이 매우 낮은 종을 형성하지만 결과적으로 큰 크기의 위치 에너지를가집니다.
다음 다이어그램은 에너지로 표현 된 반응물을 생성물로 변환하는 것을 보여 주며, 형성된 활성화 된 복합체의 에너지 크기가 반응물 및 생성물의 에너지 크기보다 상당히 크다는 점에 주목합니다.
반응이 끝날 때 생성물이 반응 물질보다 더 큰 안정성을 가지면 열 형태의 에너지 방출이 발생하여 발열 반응을 일으 킵니다.
반대로 반응물이 생성물보다 더 큰 안정성을 나타내면 반응 혼합물이 주변에서 열의 형태로 에너지를 흡수하여 흡열 반응을 일으킨다는 것을 의미합니다.
마찬가지로, 하나 또는 다른 경우가 발생하면 이전에 표시된 것과 같은 다이어그램을 구성해야하며, 여기서 반응의 진행 또는 진행에 대해 반응하는 시스템의 위치 에너지가 플롯됩니다.
따라서 반응이 진행되고 반응물이 생성물로 변환됨에 따라 발생하는 위치 에너지 변화가 얻어진다.
어떻게 계산됩니까?
화학 반응의 활성화 에너지는 상기 반응의 속도 상수와 밀접한 관련이 있으며 온도에 대한이 상수의 의존성은 Arrhenius 방정식으로 표현됩니다.
k = Ae -Ea / RT
이 식에서 k는 반응의 속도 상수 (온도에 따라 달라짐)를 나타내며 매개 변수 A는 주파수 인자라고하며 분자 간의 충돌 빈도를 측정합니다.
그 부분에서 e는 일련의 자연 로그의 밑을 나타냅니다. 이는 고려할 시스템의 절대 온도 (T)와 기체 상수 (R)의 결과 생성물 사이의 활성화 에너지 (Ea)의 음의 몫과 동일한 거듭 제곱으로 올라갑니다.
주파수 계수는 넓은 온도 범위에 걸쳐 특정 반응 시스템에서 상수로 간주 될 수 있습니다.
이 수학적 표현은 원래 네덜란드 화학자 Jacobus Henricus van't Hoff가 1884 년에 가정했지만 과학적 타당성을 부여하고 그 전제를 해석 한 사람은 1889 년 스웨덴 화학자 Svante Arrhenius였습니다.
화학 반응의 활성화 에너지 계산
Arrhenius 방정식은 반응의 속도 상수와 분자 간의 충돌 빈도 사이에 존재하는 정비례를 지정합니다.
마찬가지로,이 방정식은 방정식의 각 변에 자연 로그의 속성을 적용하여보다 편리한 방법으로 표현할 수 있습니다.
ln k = ln A-Ea / RT
직선의 방정식 (y = mx + b)을 구하기 위해 항을 재정렬하면 다음과 같은식이됩니다.
ln k = (-Ea / R) (1 / T) + ln A
따라서 1 / T에 대한 ln k의 그래프를 구성 할 때 직선이 얻어지며, 여기서 ln k는 좌표를 나타내고, (-Ea / R)은 선의 기울기를 나타냅니다 (m), (1 / T) x 좌표를 나타내고 ln A는 세로축 (b)이있는 절편을 나타냅니다.
알 수 있듯이이 계산으로 인한 기울기는 –Ea / R의 값과 같습니다. 이는이 식을 사용하여 활성화 에너지의 값을 얻으려면 간단한 설명을 수행해야 함을 의미합니다.
Ea = –mR
여기서 우리는 m의 값을 알고 R은 8.314 J / K · mol과 같은 상수입니다.
활성화 에너지는 반응 속도에 어떤 영향을 줍니까?
활성화 에너지의 그림을 얻으려고 할 때 낮은 에너지 분자 사이에 반응이 일어나지 않도록하는 장벽으로 볼 수 있습니다.
일반적인 반응에서와 같이 반응 할 수있는 분자의 수가 상당히 많고 속도 (동등하게 이러한 분자의 운동 에너지)가 매우 가변적 일 수 있습니다.
일반적으로 충돌을 경험하는 모든 분자 (운동 속도가 더 빠른 분자) 중 활성화 에너지의 크기를 초과 할 수있는 충분한 운동 에너지를 가진 분자는 거의 없습니다. 따라서이 분자들은 적합하고 반응의 일부가 될 수 있습니다.
Arrhenius 방정식에 따르면, 활성화 에너지와 기체 상수와 절대 온도의 곱 사이의 몫 앞에있는 음의 부호는 활성화 에너지가 증가함에 따라 속도 상수가 감소 함을 의미합니다. 온도가 상승하면 성장합니다.
활성화 에너지 계산 예
그래프를 구성하여 활성화 에너지를 계산하기 위해 Arrhenius 방정식에 따라 아세트 알데히드 분해 반응에 대한 속도 상수를 5 가지 온도에서 측정하고 활성화 에너지를 결정하는 것이 바람직합니다. 반응에 대해 다음과 같이 표현됩니다.
CH 3 CHO (g) → CH 4 (g) + CO (g)
5 가지 측정 데이터는 다음과 같습니다.
k (1 / M 1/2 초) : 0.011-0.035-0.105-0.343-0.789
T (K) : 700-730-760-790-810
우선이 미지의 문제를 풀고 활성화 에너지를 결정하기 위해 ln k vs 1 / T (y vs x) 그래프를 작성하여 직선을 얻고 여기서 기울기를 취하고 Ea의 값을 구해야합니다. 설명대로.
Arrhenius 방정식에 따라 측정 데이터를 변환하면 각각 y와 x에 대해 다음 값이 발견됩니다.
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
이 값과 기울기의 수학적 계산을 통해-컴퓨터 또는 계산기에서 m = (Y 2 -Y 1 ) / (X 2 -X 1 ) 식을 사용하거나 선형 회귀 방법을 사용하여- 우리는 m = -Ea / R = -2.09 * 10 4 K를 얻습니다 . 따라서 :
EA = (8.314 J / K 몰) (2.09 * 10 4 K)
= 1.74 * 10 5 = 1.74 * 10 2 kJ / mol
다른 활성화 에너지를 그래픽으로 결정하기 위해 유사한 절차가 수행됩니다.
참고 문헌
- Wikipedia. (sf). 활성화 에너지. en.wikipedia.org에서 복구
- 장 알. (2007). 화학, 9 판. 멕시코 : McGraw-Hill.
- Britannica, E. (nd). 활성화 에너지. britannica.com에서 검색
- Moore, JW 및 Pearson, RG (1961). 역학 및 메커니즘. books.google.co.ve에서 복구 됨
- Kaesche, H. (2003). 금속 부식 : 물리 화학적 원리와 현재 문제. books.google.co.ve에서 가져옴