ENERGIE CHIMICĂ DE ACTIVARE: DIN CE CONSTĂ, CALCUL - CHIMIE - 2025

Energia de activare chimică (din punct de vedere al studiilor cinetice) se referă la cel puțin cantitatea de energie necesară pentru a începe o reacție chimică. Conform teoriei coliziunilor din cinetica chimică, se spune că toate moleculele care sunt în mișcare au o anumită cantitate de energie cinetică.

Aceasta înseamnă că, cu cât este mai mare viteza mișcării sale, cu atât mai mare este energia energetică. În acest sens, o moleculă care are o mișcare rapidă nu poate fi împărțită în fragmente de la sine, deci trebuie să se producă o coliziune între ea și o altă moleculă pentru a avea loc o reacție chimică.

Când se întâmplă acest lucru - când există o coliziune între molecule - o parte din energia lor cinetică este transformată în energie vibrațională. De asemenea, dacă la începutul procesului, energia cinetică este mare, moleculele care participă la coliziune vor prezenta o vibrație atât de mare încât unele dintre legăturile chimice prezente vor fi rupte.

Această rupere a legăturilor constituie primul pas în transformarea reactanților în produse; adică în formarea acestora. Dimpotrivă, dacă la începutul acestui proces energia cinetică este de mărime mică, va exista un fenomen de „revenire” a moleculelor, prin care acestea se vor separa practic intacte.

În ce constă?

Pornind de la conceptul de coliziuni între molecule pentru a iniția reacții chimice descrise anterior, se poate spune că există o cantitate minimă de energie necesară pentru o coliziune.

Deci, dacă valoarea energetică este mai mică decât acest minim necesar, pur și simplu nu va exista nicio modificare între molecule după ce se produce coliziunea, ceea ce înseamnă că atunci când această energie este absentă, speciile implicate rămân practic intacte și nu se va întâmpla. orice schimbare din cauza acestui accident.

În această ordine de idei, energia minimă necesară pentru ca o schimbare să apară după o coliziune între molecule se numește energie de activare.

Cu alte cuvinte, moleculele implicate într-o coliziune trebuie să posede o cantitate totală de energie cinetică egală sau mai mare decât energia de activare pentru a avea loc o reacție chimică.

De asemenea, în multe cazuri, moleculele se ciocnesc și dau naștere unei noi specii numite complexul activat, structură care se mai numește „stare de tranziție”, deoarece există doar temporar.

Este cauzată de speciile care reacționează datorită coliziunii și înainte de formarea produselor de reacție.

Complex activat

Complexul activat menționat anterior formează o specie care are o stabilitate foarte scăzută, dar care, la rândul său, are o magnitudine mare de energie potențială.

Următoarea diagramă arată transformarea reactanților în produse, exprimată în termeni de energie și observând că magnitudinea energiei complexului activ care este format este considerabil mai mare decât cea a reactanților și a produselor.

Dacă la sfârșitul reacției, produsele au o stabilitate mai mare decât substanțele reactante, se produce eliberarea de energie sub formă de căldură, dând o reacție exotermă.

Dimpotrivă, dacă reactanții rezultă cu o stabilitate de mărime mai mare decât produsele, înseamnă că amestecul de reacție manifestă o absorbție de energie sub formă de căldură din împrejurimile sale, rezultând o reacție endotermică.

De asemenea, dacă apare un caz sau altul, trebuie să se construiască o diagramă precum cea arătată anterior, unde este reprezentată energia potențială a sistemului care reacționează împotriva avansului sau progresului reacției.

Astfel, se obțin schimbări potențiale de energie care apar pe măsură ce reacția se desfășoară și reacții sunt transformați în produse.

Cum se calculează?

Energia de activare a unei reacții chimice este strâns legată de constanta de viteză a respectivei reacții, iar dependența acestei constante față de temperatură este reprezentată de ecuația de Arrhenius:

k = Ae ^{-Ea / RT}

În această expresie k reprezintă constanta de viteză a reacției (care depinde de temperatură), iar parametrul A se numește factorul de frecvență și este o măsură a frecvenței coliziunilor dintre molecule.

La rândul său, e exprimă baza seriei logaritmelor naturale. Se ridică la o putere egală cu coeficientul negativ al energiei de activare (Ea) între produsul rezultat al constantei de gaz (R) și temperatura absolută (T) a sistemului care trebuie luată în considerare.

Trebuie remarcat faptul că factorul de frecvență poate fi considerat o constantă în anumite sisteme de reacție pe o gamă largă de temperatură.

Această expresie matematică a fost asumată inițial de chimistul olandez Jacobus Henricus van’t Hoff în 1884, dar cel care i-a dat validitate științifică și a interpretat premisa sa a fost chimistul suedez Svante Arrhenius, în 1889.

Calculul energiei de activare a unei reacții chimice

Ecuația Arrhenius specifică proporționalitatea directă care există între constanta de viteză a unei reacții și frecvența coliziunilor dintre molecule.

De asemenea, această ecuație poate fi reprezentată într-un mod mai convenabil prin aplicarea proprietății logaritmelor naturale pe fiecare parte a ecuației, obținând:

ln k = ln A - Ea / RT

Când termenii sunt rearanjați în ceea ce privește obținerea ecuației unei linii (y = mx + b), se obține următoarea expresie:

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

Deci, atunci când se construiește un grafic de ln k față de 1 / T, se obține o linie dreaptă, unde ln k reprezintă coordonata și, (-Ea / R) reprezintă panta liniei (m), (1 / T) reprezintă coordonata x, iar ln A reprezintă interceptarea cu axa ordonată (b).

După cum se poate observa, panta rezultată din acest calcul este egală cu valoarea –Ea / R. Aceasta implică faptul că, dacă doriți să obțineți valoarea energiei de activare prin intermediul acestei expresii, trebuie să efectuați o clarificare simplă, rezultând:

Ea = –mR

Aici știm că valoarea lui m și R este o constantă egală cu 8.314 J / K · mol.

Cum afectează energia de activare viteza unei reacții?

Când încercați să obțineți o imagine a energiei de activare, aceasta poate fi văzută ca o barieră care nu permite să apară o reacție între moleculele de energie inferioară.

Ca într-o reacție comună, se întâmplă că numărul de molecule care pot reacționa este destul de mare, viteza - și în mod echivalent, energia cinetică a acestor molecule - poate fi foarte variabilă.

În general, se întâmplă ca doar un număr mic din toate moleculele care prezintă o coliziune - cele care au o viteză mai mare de mișcare - să aibă suficientă energie cinetică pentru a putea depăși magnitudinea energiei de activare. Deci, aceste molecule sunt potrivite și pot face parte din reacție.

Conform ecuației Arrhenius, semnul negativ - care precede coeficientul dintre energia de activare și produsul constantei de gaz și temperatura absolută - presupune că constanta de viteză scade, deoarece există o creștere a energiei de activare, precum și o creștere când temperatura crește.

Exemple de calcul al energiei de activare

Pentru a calcula energia de activare prin construirea unui grafic, conform ecuației Arrhenius, constantele de viteză pentru reacția de descompunere a acetaldehidei au fost măsurate la cinci temperaturi diferite și se dorește determinarea energiei de activare pentru reacție, care este exprimată ca:

CH ₃ CHO (g) → CH ₄ (g) + CO (g)

Datele pentru cele cinci măsurători sunt următoarele:

k (1 / M ^1/2 s): 0,011 - 0,035 - 0,105 - 0,343 - 0,789

T (K): 700 - 730 - 760 - 790 - 810

În primul rând, pentru a rezolva această necunoscută și a determina energia de activare, trebuie construit un grafic de ln k vs 1 / T (y vs x), pentru a obține o linie dreaptă și de aici luați panta și găsiți valoarea Ea, după cum s-a explicat.

Transformând datele de măsurare, conform ecuației Arrhenius, se găsesc următoarele valori pentru y și x, respectiv:

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

Din aceste valori și prin calculul matematic al pantei - fie pe computer sau calculator, utilizând expresia m = (Y ₂ -Y ₁ ) / (X ₂ -X ₁ ) sau folosind metoda de regresie liniară- obținem că m = -Ea / R = -2.09 * 10 ⁴ K. Astfel:

Ea = (8,314 J / K mol) (2,09 * 10 ⁴ K)

= 1,74 * 10 ⁵ = 1,74 * 10 ² kJ / mol

Pentru a determina grafic alte energii de activare, se efectuează o procedură similară.

Referințe

1. Wikipedia. (Sf). Energie activatoare. Recuperat de pe en.wikipedia.org
2. Chang, R. (2007). Chimie, ediția a noua. Mexic: McGraw-Hill.
3. Britannica, E. (nd). Energie activatoare. Preluat de pe britannica.com
4. Moore, JW și Pearson, RG (1961). Cinetica și mecanismul. Recuperat din books.google.co.ve
5. Kaesche, H. (2003). Coroziunea metalelor: principii fizico-chimice și probleme curente. Obținut din books.google.co.ve