Энергия активации

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Эта статья или раздел нуждается в переработке.
Пожалуйста, улучшите её в соответствии с правилами написания статей.

Раскаленная 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 химии и биологии, минимальное значение энергии, которое требуется сообщить системе (в химии выражается в джоулях на моль), чтобы произошла реакция. Термин введен Сванте Августом Аррениусом в 1889. Типичное обозначение энергии реакции E_a.

В химической модели, известной как столкновительная (the collisional model), есть три условия, необходимых, чтобы произошла реакция:

Во-первых молекулы должны столкнуться. Этого важное условие, однако, его не достаточно, так как при столкновении не обязательно произойдёт реакция.
Второе условие — наличие необходимой энергии (энергии 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 начнется.
Наконец, молекулы должны быть правильно ориентированы относительно друга 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 энергией, достаточной, чтобы преодолеть энергетический барьер. Таким образом, повышается скорость реакции.

[править] Математическое описание

Уравнение Аррениуса дает количественное соотношение между энергией активации и скоростью протекания реакции. По уравнению Аррениуса, энергия активации может быть выражена как

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

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

Отсюда видно, что чем больше температура, тем больше вероятность, что энергитический барьер будет преодалён. $A$ — стерический фактор, который выражает вероятность, что молекулы содержат благоприятную ориентацию и будут в состоянии прореагировать при столкновении. Общее эмпирическое правило — при повышении температуры на 10 К удваивает скорость реакции.

[править] Переходное состояние

Рис. 1 демонстрирует отношения между энергией активации (

E a

) и энтальпильностью (энтропийностью) реакции (ΔH) с присутствием или отсутствием катализатора. Наивысшая точка энергии представляет собой энергетический барьер. С присутствием катализатора, энергии, которая необходима для начала реакции, требуется меньше.

Переходное состояние (the transition state) состояние системы, когда разрушение и создание связи увравновешено (where bond-making and bond-breaking are balanced). Находится в переходном состоянии система небольшой (10^-15 с) промежуток 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 разлетаютя (the molecules move apart again) с разрушением старых связей и образованием новых (the bonds break and new products form) или с преобразованием старых связей (другое. востановлением первоначальных связей). Оба вариана возможны, так как обо они происходят с выходом энергии (это хорошо видно на диаграмме энергии, Fig-1, поскольку оба положения лежат энергетически ниже энергии активации). Существуют вещества, способные уменьшить энергию активации для даной реакции. Такие вещества называют катализаторами. Биологи же такие вещества называют ферментами, энзимами. Интересно, что катализаторы таким образом ускоряют ход реакции, сами в ней не участвуя.