พลังงานกระตุ้นทางเคมี: ประกอบด้วยอะไรบ้างการคำนวณ - เคมี - 2025

การใช้พลังงานของการกระตุ้นทางเคมี (จากมุมมองของการศึกษาการเคลื่อนไหว) หมายถึงจำนวนเงินที่น้อยที่สุดของพลังงานที่จำเป็นในการเริ่มต้นปฏิกิริยาทางเคมี ตามทฤษฎีการชนกันในจลนพลศาสตร์เคมีกล่าวว่าโมเลกุลทั้งหมดที่กำลังเคลื่อนที่มีพลังงานจลน์จำนวนหนึ่ง

ซึ่งหมายความว่ายิ่งความเร็วของการเคลื่อนที่มากขึ้นเท่าใดขนาดของพลังงานจลน์ก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ในแง่นี้โมเลกุลที่มีการเคลื่อนที่อย่างรวดเร็วไม่สามารถแบ่งออกเป็นชิ้นส่วนได้ด้วยตัวมันเองดังนั้นจึงต้องเกิดการชนกันระหว่างโมเลกุลกับโมเลกุลอื่นเพื่อให้เกิดปฏิกิริยาทางเคมี

เมื่อสิ่งนี้เกิดขึ้น - เมื่อมีการชนกันระหว่างโมเลกุล - ส่วนหนึ่งของพลังงานจลน์ของมันจะถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานสั่นสะเทือน ในทำนองเดียวกันหากในช่วงเริ่มต้นของกระบวนการพลังงานจลน์สูงโมเลกุลที่มีส่วนร่วมในการชนจะทำให้เกิดการสั่นสะเทือนอย่างมากจนพันธะเคมีบางส่วนที่มีอยู่จะหัก

การทำลายพันธะนี้ถือเป็นขั้นตอนแรกในการเปลี่ยนสารตั้งต้นเป็นผลิตภัณฑ์ กล่าวคือในรูปแบบของสิ่งเหล่านี้ ในทางตรงกันข้ามหากในช่วงเริ่มต้นของกระบวนการนี้พลังงานจลน์มีขนาดเล็กจะเกิดปรากฏการณ์ "การดีดกลับ" ของโมเลกุลซึ่งจะแยกออกจากกันในทางปฏิบัติ

ประกอบด้วยอะไรบ้าง?

เริ่มต้นจากแนวคิดของการชนกันระหว่างโมเลกุลเพื่อเริ่มปฏิกิริยาเคมีที่อธิบายไว้ก่อนหน้านี้อาจกล่าวได้ว่ามีพลังงานขั้นต่ำที่จำเป็นสำหรับการชนกัน

ดังนั้นหากค่าพลังงานน้อยกว่าค่าต่ำสุดที่จำเป็นจะไม่มีการเปลี่ยนแปลงระหว่างโมเลกุลหลังจากการชนกันซึ่งหมายความว่าเมื่อไม่มีพลังงานนี้สิ่งมีชีวิตที่เกี่ยวข้องจะยังคงอยู่ในสภาพสมบูรณ์และจะไม่เกิดขึ้น การเปลี่ยนแปลงใด ๆ เนื่องจากข้อขัดข้องนี้

ตามลำดับความคิดนี้พลังงานขั้นต่ำที่จำเป็นสำหรับการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นหลังจากการชนกันระหว่างโมเลกุลเรียกว่าพลังงานกระตุ้น

กล่าวอีกนัยหนึ่งโมเลกุลที่เกี่ยวข้องกับการชนต้องมีพลังงานจลน์รวมเท่ากับหรือมากกว่าพลังงานกระตุ้นเพื่อให้ปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้น

ในทำนองเดียวกันในหลายกรณีโมเลกุลจะชนกันและก่อให้เกิดสิ่งมีชีวิตชนิดใหม่ที่เรียกว่าคอมเพล็กซ์ที่เปิดใช้งานซึ่งเป็นโครงสร้างที่เรียกว่า "สถานะการเปลี่ยนผ่าน" เนื่องจากมีอยู่เพียงชั่วคราว

มันเกิดจากสิ่งมีชีวิตที่ทำปฏิกิริยาเนื่องจากการชนกันและก่อนการก่อตัวของผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยา

เปิดใช้งานที่ซับซ้อน

สารประกอบเชิงซ้อนกัมมันต์ดังกล่าวก่อตัวเป็นสปีชีส์ที่มีความเสถียรต่ำมาก แต่กลับมีพลังงานศักย์ขนาดใหญ่

แผนภาพต่อไปนี้แสดงการเปลี่ยนแปลงของสารตั้งต้นเป็นผลิตภัณฑ์ซึ่งแสดงในรูปของพลังงานและสังเกตว่าขนาดของพลังงานของสารกระตุ้นที่ก่อตัวขึ้นนั้นมากกว่าของสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์อย่างมาก

หากในตอนท้ายของปฏิกิริยาผลิตภัณฑ์มีความเสถียรมากกว่าสารตั้งต้นการปลดปล่อยพลังงานในรูปแบบของความร้อนจะเกิดขึ้นทำให้เกิดปฏิกิริยาคายความร้อน

ในทางตรงกันข้ามหากสารตั้งต้นมีความเสถียรมากกว่าผลิตภัณฑ์หมายความว่าส่วนผสมของปฏิกิริยาจะแสดงการดูดซึมพลังงานในรูปแบบของความร้อนจากสิ่งรอบตัวทำให้เกิดปฏิกิริยาดูดความร้อน

ในทำนองเดียวกันหากเกิดกรณีใดกรณีหนึ่งขึ้นต้องมีการสร้างแผนภาพเช่นที่แสดงไว้ก่อนหน้านี้ซึ่งพลังงานศักย์ของระบบที่ทำปฏิกิริยากับความก้าวหน้าหรือความคืบหน้าของปฏิกิริยาจะถูกพล็อต

ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงพลังงานศักย์ที่เกิดขึ้นเมื่อปฏิกิริยาดำเนินไปและสารตั้งต้นจะถูกเปลี่ยนเป็นผลิตภัณฑ์

คำนวณอย่างไร?

พลังงานกระตุ้นของปฏิกิริยาเคมีมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับอัตราคงที่ของปฏิกิริยาดังกล่าวและการพึ่งพาค่าคงที่นี้เมื่อเทียบกับอุณหภูมิแสดงโดยสมการ Arrhenius:

k = เอ - เอ^{/ อาร์ที}

ในนิพจน์นี้ k แสดงถึงอัตราคงที่ของปฏิกิริยา (ซึ่งขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ) และพารามิเตอร์ A เรียกว่าปัจจัยความถี่และเป็นการวัดความถี่ของการชนกันระหว่างโมเลกุล

ในส่วนของมัน e เป็นการแสดงฐานของอนุกรมของลอการิทึมธรรมชาติ มันถูกยกให้เป็นกำลังเท่ากับผลหารลบของพลังงานกระตุ้น (Ea) ระหว่างผลคูณของค่าคงที่ของก๊าซ (R) และอุณหภูมิสัมบูรณ์ (T) ของระบบที่จะพิจารณา

ควรสังเกตว่าปัจจัยความถี่ถือได้ว่าเป็นค่าคงที่ในระบบปฏิกิริยาบางระบบในช่วงอุณหภูมิกว้าง

การแสดงออกทางคณิตศาสตร์นี้เดิมสันนิษฐานโดยนักเคมีชาวดัตช์ Jacobus Henricus van't Hoff ในปีพ. ศ. 2427 แต่ผู้ที่ให้ความถูกต้องทางวิทยาศาสตร์และตีความหลักฐานคือ Svante Arrhenius นักเคมีชาวสวีเดนในปีพ. ศ. 2432

การคำนวณพลังงานกระตุ้นของปฏิกิริยาเคมี

สมการ Arrhenius ระบุสัดส่วนโดยตรงที่มีอยู่ระหว่างค่าคงที่อัตราของปฏิกิริยาและความถี่ของการชนกันระหว่างโมเลกุล

ในทำนองเดียวกันสมการนี้สามารถแสดงได้สะดวกกว่าโดยใช้คุณสมบัติของลอการิทึมธรรมชาติกับแต่ละด้านของสมการโดยได้รับ:

ln k = ln A - Ea / RT

เมื่อเงื่อนไขถูกจัดเรียงใหม่ในแง่ของการได้รับสมการของเส้น (y = mx + b) จะได้รับนิพจน์ต่อไปนี้:

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

ดังนั้นเมื่อสร้างกราฟของ ln k เทียบกับ 1 / T จะได้เส้นตรงโดยที่ ln k แทนพิกัดและ (-Ea / R) แทนความชันของเส้น (m), (1 / T) แทนพิกัด x และ ln A แทนการสกัดกั้นด้วยแกนกำหนด (b)

ดังจะเห็นได้ว่าความชันที่เกิดจากการคำนวณนี้จะเท่ากับค่าของ –Ea / R นี่หมายความว่าหากคุณต้องการได้รับค่าของพลังงานกระตุ้นโดยใช้นิพจน์นี้คุณต้องทำการชี้แจงอย่างง่ายซึ่งส่งผลให้:

Ea = –mR

ที่นี่เรารู้ค่าของ m และ R เป็นค่าคงที่เท่ากับ 8.314 J / K · mol

พลังงานกระตุ้นมีผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาอย่างไร?

เมื่อพยายามที่จะได้ภาพของพลังงานกระตุ้นจะเห็นได้ว่าเป็นอุปสรรคที่ไม่อนุญาตให้เกิดปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุลพลังงานที่ต่ำกว่า

เช่นเดียวกับปฏิกิริยาทั่วไปที่เกิดขึ้นคือจำนวนโมเลกุลที่สามารถทำปฏิกิริยาได้ค่อนข้างมากความเร็วและพลังงานจลน์ของโมเลกุลเหล่านี้ในทางเดียวกันอาจแปรปรวนได้มาก

โดยทั่วไปเกิดขึ้นเพียงเล็กน้อยของจำนวนทั้งหมดของโมเลกุลที่เกิดการชนกันซึ่งเป็นโมเลกุลที่มีความเร็วในการเคลื่อนที่มากขึ้น - มีพลังงานจลน์เพียงพอที่จะสามารถเกินขนาดของพลังงานกระตุ้นได้ ดังนั้นโมเลกุลเหล่านี้จึงพอดีและสามารถเป็นส่วนหนึ่งของปฏิกิริยาได้

ตามสมการ Arrhenius เครื่องหมายลบ - ซึ่งนำหน้าผลหารระหว่างพลังงานกระตุ้นและผลคูณของค่าคงที่ของก๊าซและอุณหภูมิสัมบูรณ์ - หมายความว่าค่าคงที่ของอัตราจะลดลงเนื่องจากมีการเพิ่มขึ้นของพลังงานกระตุ้น เช่นเดียวกับการเติบโตเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น

ตัวอย่างการคำนวณพลังงานการกระตุ้น

ในการคำนวณพลังงานกระตุ้นโดยการสร้างกราฟตามสมการ Arrhenius ค่าคงที่ของอัตราสำหรับปฏิกิริยาการสลายตัวของอะซิทัลดีไฮด์ได้รับการวัดที่อุณหภูมิต่างกันห้าอุณหภูมิและต้องการกำหนดพลังงานกระตุ้น สำหรับปฏิกิริยาซึ่งแสดงเป็น:

CH ₃ CHO (g) → CH ₄ (g) + CO (g)

ข้อมูลสำหรับการวัดทั้งห้ามีดังนี้:

k (1 / M ^1/2วินาที): 0.011 - 0.035 - 0.105 - 0.343 - 0.789

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

ก่อนอื่นในการแก้ปัญหาที่ไม่รู้จักนี้และกำหนดพลังงานกระตุ้นจะต้องสร้างกราฟของ ln k vs 1 / T (y vs x) เพื่อให้ได้เส้นตรงจากนั้นให้ใช้ความชันและหาค่า Ea ตามที่อธิบาย

การแปลงข้อมูลการวัดตามสมการ Arrhenius พบค่าต่อไปนี้สำหรับ y และ x ตามลำดับ:

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

จากค่าเหล่านี้และผ่านการคำนวณทางคณิตศาสตร์ของความชัน - บนคอมพิวเตอร์หรือเครื่องคิดเลขโดยใช้นิพจน์ m = (Y ₂ -Y ₁ ) / (X ₂ -X ₁ ) หรือใช้วิธีการถดถอยเชิงเส้น - เราได้มาซึ่ง m = -Ea / R = -2.09 * 10 ⁴ K ดังนั้น:

Ea = (8.314 J / K โมล) (2.09 * 10 ⁴ K)

= 1.74 * 10 ⁵ = 1.74 * 10 ²กิโลจูล / โมล

ในการกำหนดพลังงานกระตุ้นอื่น ๆ แบบกราฟิกจะมีการดำเนินการตามขั้นตอนที่คล้ายคลึงกัน

อ้างอิง

1. วิกิพีเดีย (เอสเอฟ) พลังงานกระตุ้น. สืบค้นจาก en.wikipedia.org
2. ช้าง, ร. (2550). เคมีรุ่นที่เก้า. เม็กซิโก: McGraw-Hill
3. บริแทนนิกา, E. (nd). พลังงานกระตุ้น. สืบค้นจาก britannica.com
4. Moore, JW และ Pearson, RG (1961) จลนศาสตร์และกลไก. กู้คืนจาก books.google.co.th
5. Kaesche, H. (2003). การกัดกร่อนของโลหะ: หลักการทางเคมีกายภาพและปัญหาปัจจุบัน ได้มาจาก books.google.co.ve