Năng lượng hoạt hóa – Wikipedia tiếng Việt

Năng lượng hoạt hóa của chất là năng lượng tối thiểu cần cung cấp cho các tiểu phân để chúng trở thành hoạt động (có khả năng phản ứng)

Đối với phản ứng

aA + bB –> Sản phẩm

Năng lượng hoạt hóa E * được tính bằng :

E* = E*(A) + E*(B) = E(tt) – E(bđ)

Trong đó:

+ E * ( A ), E * ( B ) : nguồn năng lượng hoạt hóa của những chất phản ứng A, B+ E ( bđ ), E ( tt ) : nguồn năng lượng bắt đầu, nguồn năng lượng tối thiểu để phản ứng hoàn toàn có thể xảy ra .Năng lượng hoạt hóa càng nhỏ thì càng có nhiều tiểu phân tử hoạt động giải trí nên vận tốc phản ứng càng lớn .Không chỉ vậy, nguồn năng lượng hoạt hóa có ảnh hưởng tác động đên vận tốc phản ứng, kích cỡ, hình dạng, nhất là sự xu thế khoảng trống của những tiểu phân khi va chạm của những tiểu phân hoạt động giải trí đóng vai trò quan trọng so với vận tốc phản ứng .

Trong hóa học và vật lý, Năng lượng Kích hoạt là năng lượng phải được cung cấp cho hệ thống hóa học hoặc hạt nhân  với các chất phản ứng tiềm năng dẫn đến: phản ứng hóa học,  phản ứng hạt nhân,  hoặc các hiện tượng vật lý khác.

Năng lượng kích hoạt (E a) của một phản ứng được đo bằng joules (J) và hoặc kilojoules trên mỗi mol (kJ / mol) hoặc kilocalories mỗi mol (kcal / mol).

Năng lượng kích hoạt hoàn toàn có thể được coi là độ lớn của hàng rào tiềm năng ( nhiều lúc được gọi là hàng rào nguồn năng lượng ) tách biệt cực tiểu của mặt phẳng nguồn năng lượng tiềm năng tương quan đến trạng thái nhiệt động bắt đầu và ở đầu cuối. Để phản ứng hóa học hoặc phân loại diễn ra ở vận tốc hài hòa và hợp lý, nhiệt độ của mạng lưới hệ thống phải đủ cao để sống sót số lượng phân tử đáng kể có nguồn năng lượng tịnh tiến bằng hoặc lớn hơn nguồn năng lượng kích hoạt .

Thuật ngữ Kích hoạt năng lượng được giới thiệu vào năm 1889 bởi nhà khoa học người Thụy Điển Svante Arrhenius

Sự nhờ vào nhiệt độ và mối quan hệ với phương trình Arrhenius.

Các phương trình Arrhenius phân phối cho những cơ sở định lượng về mối quan hệ giữa nguồn năng lượng kích hoạt và vận tốc mà một phản ứng triển khai. Từ phương trình, nguồn năng lượng kích hoạt hoàn toàn có thể được tìm thấy trải qua mối quan hệ

Trong đó A là yếu tố theo cấp số nhân của phản ứng, R là hằng số khí phổ, T là nhiệt độ tuyệt đối (thường tính bằng kelvins) và k là hệ số tốc độ phản ứng. Ngay cả khi không biết A, E a có thể được đánh giá từ sự thay đổi của các hệ số tốc độ phản ứng như là một hàm của nhiệt độ (trong phạm vi hiệu lực của phương trình Arrhenius).

Ở Lever nâng cao hơn, thuật ngữ nguồn năng lượng kích hoạt Arrhenius ròng từ phương trình Arrhenius được coi là một tham số xác lập thực nghiệm cho thấy độ nhạy của vận tốc phản ứng với nhiệt độ. Có hai sự phản đối để link nguồn năng lượng kích hoạt này với hàng rào ngưỡng cho một phản ứng cơ bản. Đầu tiên, thường không rõ liệu phản ứng có triển khai trong một bước hay không ; những rào cản ngưỡng được tính trung bình trên toàn bộ những bước cơ bản có ít giá trị triết lý. Thứ hai, ngay cả khi phản ứng đang được nghiên cứu và điều tra là cơ bản, một phổ những va chạm riêng không liên quan gì đến nhau góp thêm phần vào những hằng số vận tốc thu được từ những thí nghiệm khối lượng lớn ( ‘ bóng đèn ) tương quan đến hàng tỷ phân tử, với nhiều hình dạng và góc va chạm của chất phản ứng khác nhau

Chất xúc tác.

Mối quan hệ giữa năng lượng kích hoạt () và entanpy của sự hình thành (H) có và không có chất xúc tác, âm mưu chống lại tọa độ phản ứng. Vị trí năng lượng cao nhất (vị trí cực đại) đại diện cho trạng thái chuyển tiếp. Với chất xúc tác, năng lượng cần thiết để vào trạng thái chuyển tiếp giảm, do đó giảm năng lượng cần thiết để bắt đầu phản ứng.

Một chất làm thay đổi trạng thái chuyển tiếp để giảm năng lượng kích hoạt được gọi là chất xúc tác; một chất xúc tác chỉ bao gồm protein và (nếu có) các đồng yếu tố phân tử nhỏ được gọi là enzyme. Một chất xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng mà không bị tiêu thụ trong phản ứng.  Ngoài ra, chất xúc tác làm giảm năng lượng kích hoạt, nhưng nó không làm thay đổi năng lượng của các chất phản ứng hoặc sản phẩm ban đầu, và do đó không thay đổi trạng thái cân bằng.  Thay vào đó, năng lượng chất phản ứng và năng lượng sản phẩm vẫn giữ nguyên và chỉ có năng lượng kích hoạt bị thay đổi (giảm xuống).

Một chất xúc tác có thể làm giảm năng lượng kích hoạt bằng cách hình thành trạng thái chuyển tiếp theo cách thuận lợi hơn. Các chất xúc tác, về bản chất, tạo ra sự phù hợp “thoải mái” hơn cho chất nền của phản ứng để tiến tới trạng thái chuyển tiếp. Điều này có thể là do sự giải phóng năng lượng xảy ra khi chất nền liên kết với vị trí hoạt động của chất xúc tác. Năng lượng này được gọi là Năng lượng liên kết. Khi liên kết với chất xúc tác, các chất nền tham gia vào nhiều lực ổn định trong khi ở vị trí hoạt động (tức là liên kết hydro, lực van der Waals). Liên kết cụ thể và thuận lợi xảy ra trong vị trí hoạt động cho đến khi chất nền hình thành trạng thái chuyển đổi năng lượng cao. Hình thành trạng thái chuyển tiếp thuận lợi hơn với chất xúc tác vì các tương tác ổn định thuận lợi trong quá trình phát hành trang hoạt độngnăng lượng. Một phản ứng hóa học có thể tạo ra một phân tử trạng thái chuyển tiếp năng lượng cao dễ dàng hơn khi có sự phù hợp ổn định trong vị trí hoạt động của chất xúc tác. Năng lượng liên kết của một phản ứng là năng lượng này được giải phóng khi xảy ra tương tác thuận lợi giữa chất nền và chất xúc tác. Năng lượng liên kết được giải phóng hỗ trợ trong việc đạt được trạng thái chuyển tiếp không ổn định. Các phản ứng khác không có chất xúc tác cần một nguồn năng lượng đầu vào cao hơn để đạt được trạng thái chuyển tiếp. Phản ứng không xúc tác không có sẵn năng lượng tự do từ các tương tác ổn định vị trí hoạt động, chẳng hạn như phản ứng enzyme xúc tác.

Mối quan hệ với nguồn năng lượng kích hoạt Gibbs.

Trong phương trình Arrhenius, thuật ngữ năng lượng kích hoạt (E a) được sử dụng để mô tả năng lượng cần thiết để đạt đến trạng thái chuyển tiếp và mối quan hệ theo cấp số nhân k = A exp (- E a / RT). Trong lý thuyết trạng thái chuyển tiếp, một mô hình phức tạp hơn về mối quan hệ giữa tốc độ phản ứng và trạng thái chuyển tiếp, một mối quan hệ toán học tương tự bề ngoài, phương trình Eyring, được sử dụng để mô tả tốc độ của phản ứng: k = (k B T / h) exp (C G ‡ /RT). Tuy nhiên, thay vì mô hình hóa sự phụ thuộc nhiệt độ của tốc độ phản ứng theo phương pháp luận, phương trình Eyring mô hình bước cơ bản của từng phản ứng. Do đó, đối với một quá trình nhiều bước, không có mối quan hệ đơn giản giữa hai mô hình. Tuy nhiên, các dạng chức năng của phương trình Arrhenius và Eyring là tương tự nhau, và đối với quy trình một bước, các tương ứng đơn giản và có ý nghĩa hóa học có thể được rút ra giữa các tham số Arrhenius và Eyring.

Thay vì sử dụng E a, phương trình Eyring sử dụng khái niệm năng lượng Gibbs và ký hiệu Δ G ‡ để biểu thị năng lượng Gibbs kích hoạt để đạt được trạng thái chuyển tiếp. Trong phương trình, k B và h lần lượt là các hằng số Boltzmann và Planck. Mặc dù các phương trình trông tương tự nhau, điều quan trọng cần lưu ý là năng lượng Gibbs chứa một thuật ngữ entropic ngoài thuật ngữ entanpi. Trong phương trình Arrhenius, hạn entropy này được chiếm bởi các yếu tố trước mũ Một. Cụ thể hơn, chúng ta có thể viết năng lượng kích hoạt miễn phí Gibbs theo entanpy vàentropy kích hoạt: Δ G ‡ = Δ H ‡ – T Δ S ‡. Sau đó, đối với phản ứng không phân tử, một bước, các mối quan hệ gần đúng E a = H ‡ + RT và A = (k B T / h) exp (1 + Δ S ‡ / R) giữ. Tuy nhiên, lưu ý rằng trong lý thuyết Arrhenius thích hợp, A độc lập với nhiệt độ, trong khi ở đây, có sự phụ thuộc tuyến tính vào T. Đối với quy trình đơn phân tử một bước có chu kỳ bán rã ở nhiệt độ phòng khoảng 2 giờ, Δ G ‡ xấp xỉ 23 kcal / mol. Đây cũng là độ lớn của E a đối với phản ứng xảy ra trong vài giờ ở nhiệt độ phòng. Do tầm quan trọng tương đối nhỏ của T Δ S ‡ và RT ở nhiệt độ bình thường đối với hầu hết các phản ứng, trong bài giảng luộm thuộm, E một, Δ G ‡, và Δ H ‡ thường lồng việc và tất cả được gọi là “năng lượng kích hoạt”.

Tuy nhiên, hàng loạt sự biến hóa nguồn năng lượng tự do của một phản ứng không nhờ vào vào nguồn năng lượng kích hoạt. Phản ứng vật lý và hóa học hoàn toàn có thể là exergonic hoặc endergonic, nhưng nguồn năng lượng kích hoạt không tương quan đến tính tự phát của phản ứng. Sự đổi khác nguồn năng lượng phản ứng tổng thể và toàn diện không bị đổi khác bởi nguồn năng lượng kích hoạt .

Năng lượng kích hoạt xấu đi.

Trong một số trường hợp, tốc độ phản ứng giảm khi nhiệt độ tăng. Khi tuân theo mối quan hệ theo cấp số nhân để hằng số tốc độ vẫn có thể phù hợp với biểu thức Arrhenius, điều này dẫn đến giá trị âm của E a. Các phản ứng cơ bản thể hiện các năng lượng kích hoạt tiêu cực này thường là các phản ứng không có rào cản, trong đó quá trình phản ứng phụ thuộc vào việc bắt giữ các phân tử trong một giếng tiềm năng. Việc tăng nhiệt độ dẫn đến giảm xác suất các phân tử va chạm bắt giữ nhau (với các va chạm liếc mắt nhiều hơn không dẫn đến phản ứng vì động lượng cao hơn mang các hạt va chạm ra khỏi giếng tiềm năng), được biểu thị như một mặt cắt phản ứngmà giảm khi nhiệt độ tăng. Một tình huống như vậy không còn dẫn đến những diễn giải trực tiếp như chiều cao của một rào cản tiềm năng.

Liên kết ngoài.