Энергия активации

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Текущая версия (не проверялась)

Раскалённая стружка стали, образующаяся от трения о кремний, обеспечивает энергию активации для зажигания газовой горелки. Теперь пламя не погаснет, так как реакция экзотермическая.

Энергия активации в элементарных реакциях, минимальная энергия реагентов (атомов, молекул и др. частиц), достаточная для того, чтобы они вступили в химическую реакцию, т. е. для преодоления барьера на поверхности потенциальной энергии, отделяющего реагенты от продуктов реакции.

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

Потенциальный барьер - максимум потенциальной энергии, через который должна пройти система в ходе элементарного акта химического превращения. Высота потенциального барьера для любого пути, проходящего через переходное состояние, равна потенциальной энергии в переходном состоянии. Если в сложной реакции, состоящей из последовательных и параллельных элементарных реакций, имеется лимитирующая элементарная реакция (реакция с максимальным характерным временем), то ее энергия активации является и энергией активации сложной реакции. В макроскопической химической кинетике энергия активации - энергетический параметр $E a$ , входящий в уравнение Аррениуса: $κ = A e x p ( - E a / k T)$ где $κ$ - константа скорости; А - предэкспоненциальный множитель (постоянная или слабо зависящая от температуры величина); k - константа Больцмана; Т - абсолютная температура. График зависимости $l n k$ от $1 / k T$ (аррениусов график) - прямая линия. Наблюдаемая энергия активации вычисляется из тангенса угла наклона этой прямой. В общем случае сложных реакций параметр $E a$ в уравнии Аррениуса является функцией энергии активации отдельных стадий, и определяемая энергия активации называется эффективной (эмпирической).

Любой процесс, сопровождающийся каким-либо изменением энергии, является экзотермическим в одном направлении и эндотермическим в другом. Энергия активации экзотермической и эндотермической направлений реакции, обозначаемые соответственно $E^{-}_{a}$ и $E^{+}_{a}$ связанны соотношением: $E^{+}_{a}=E^{+}_{a}+|Q|$ где Q - теплота реакции при Т=0

Качественная одномерная геометрическая иллюстрация связи энергии активации с высотой потенциального барьера и теплотой реакции представлена на рисунке, где q -координата реакции; $E 1$ и $E 2$ - уровни энергии соответственно основного состояния реагентов и продуктов реакции.

Теоретические расчеты $E a$ производятся приближенными методами квантовой химии. Точные последовательные квантовомеханические вычисления выполнены пока для систем, содержащих не более 3 электронов, например для 3 атомов водорода. Для придания системе необходимой энергии активации используют нагревание, действие электромагнитного излучения и др., а также вводят катализаторы, направляющие химические реакции по пути с меньшей энергией активацией.

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

Молекулы должны столкнуться. Это важное условие, однако его не достаточно, так как при столкновении не обязательно произойдёт реакция.
Молекулы должны обладать необходимой энергией (энергией активации). В процессе химической реакции взаимодействующие молекулы должны пройти через промежуточное состояние, которое может обладать большей энергией. То есть молекулы должны преодолеть энергетический барьер; если этого не произойдёт, реакция не начнётся.
Молекулы должны быть правильно ориентированы друг относительно друга.

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.

[править] Математическое описание

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

$E_a = -RT \ln \left( \frac{k}{A} \right)$

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

Скорость большинства реакций увеличивается с ростом температуры, так как при этом возрастает энергия сталкивающихся частиц и повышается вероятность того, что при столкновении произойдет химическое превращение.

Для колличественного описания температурных эффектов в химической кинетике используют два основных соотношения — правило Вант-Гоффа для приближённых вычислений и более точное уравнение Аррениуса.

Правило Вант-Гоффа заключается в том, что при нагревании на 10 °C скорость большинства химических реакций увеличивается в 2-4 раза. Математически это означает, что скорость реакции зависит от температуры степенным образом: $w(T_{2})/w(T_{1})=\gamma^{w(T_{2})-w(T_{1})}/10$ где $g a m m a$ — температурный коэффициент скорости (2-4). Правило Вант-Гоффа является весьма грубым и применимо только в очень ограниченном интервале температур. Гораздо более точным является уравнение Аррениуса.

[править] 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.

[править] Посмотрите также

[править] Внешние ссылки

Activation Energy(англ.).
Энергия активации

[править] Литература

В.В. Еремин, С.И. Каргов, И.А. Успенская, Н.Е. Кузьменко, В.В. Лунин. Задачи по физической химии "Экзамен" 2002г

Энергия активации

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Содержание

[править] Математическое описание

[править] Переходное состояние

[править] Посмотрите также

[править] Внешние ссылки

[править] Литература

Просмотры

Личные инструменты

Навигация

Поиск

Участие

Инструменты

На других языках