CHEMISCHE AKTIVIERUNGSENERGIE: WORAUS SIE BESTEHT, BERECHNUNG - CHEMIE - 2025

Die Energie der chemischen Aktivierung (aus Sicht kinetischer Studien) bezieht sich auf die geringste Energiemenge, die zum Starten einer chemischen Reaktion erforderlich ist. Nach der Theorie der Kollisionen in der chemischen Kinetik sollen alle in Bewegung befindlichen Moleküle eine bestimmte Menge an kinetischer Energie haben.

Dies bedeutet, dass je größer die Geschwindigkeit seiner Bewegung ist, desto größer ist die Größe seiner kinetischen Energie. In diesem Sinne kann ein Molekül, das eine schnelle Bewegung trägt, nicht selbst in Fragmente unterteilt werden, sodass eine Kollision zwischen ihm und einem anderen Molekül auftreten muss, damit eine chemische Reaktion stattfinden kann.

Wenn dies geschieht - wenn es eine Kollision zwischen den Molekülen gibt - wird ein Bruchteil ihrer kinetischen Energie in Schwingungsenergie umgewandelt. Wenn zu Beginn des Prozesses die kinetische Energie hoch ist, zeigen die an der Kollision beteiligten Moleküle ebenfalls eine so große Schwingung, dass einige der vorhandenen chemischen Bindungen aufgebrochen werden.

Dieses Aufbrechen von Bindungen ist der erste Schritt bei der Umwandlung von Reaktanten in Produkte; das heißt, bei der Bildung dieser. Im Gegenteil, wenn zu Beginn dieses Prozesses die kinetische Energie von geringer Größe ist, gibt es ein Phänomen des "Rückpralls" der Moleküle, durch das sie sich praktisch intakt trennen.

Woraus besteht es?

Ausgehend von dem zuvor beschriebenen Konzept von Kollisionen zwischen Molekülen zur Auslösung chemischer Reaktionen kann gesagt werden, dass eine minimale Energiemenge erforderlich ist, damit eine Kollision auftritt.

Wenn also der Energiewert unter diesem notwendigen Minimum liegt, gibt es nach der Kollision einfach keine Veränderung zwischen den Molekülen, was bedeutet, dass die beteiligten Spezies praktisch intakt bleiben und es nicht passieren wird, wenn diese Energie fehlt. jede Änderung aufgrund dieses Absturzes.

In dieser Reihenfolge von Ideen wird die minimale Energie, die für eine Änderung nach einer Kollision zwischen Molekülen benötigt wird, Aktivierungsenergie genannt.

Mit anderen Worten, die an einer Kollision beteiligten Moleküle müssen eine Gesamtmenge an kinetischer Energie besitzen, die gleich oder größer als die Aktivierungsenergie ist, damit eine chemische Reaktion stattfinden kann.

Ebenso kollidieren die Moleküle in vielen Fällen und führen zu einer neuen Spezies, die als aktivierter Komplex bezeichnet wird. Diese Struktur wird auch als "Übergangszustand" bezeichnet, da sie nur vorübergehend existiert.

Es wird durch die reagierende Spezies aufgrund der Kollision und vor der Bildung der Reaktionsprodukte verursacht.

Aktivierter Komplex

Der vorgenannte aktivierte Komplex bildet eine Spezies, die eine sehr geringe Stabilität aufweist, die jedoch wiederum eine große Menge an potentieller Energie aufweist.

Das folgende Diagramm zeigt die Umwandlung von Reaktanten in Produkte, ausgedrückt als Energie, und stellt fest, dass die Größe der Energie des gebildeten aktivierten Komplexes erheblich größer ist als die der Reaktanten und Produkte.

Wenn die Produkte am Ende der Reaktion eine größere Stabilität aufweisen als die Reaktantensubstanzen, erfolgt die Freisetzung von Energie in Form von Wärme, was zu einer exothermen Reaktion führt.

Im Gegenteil, wenn die Reaktanten eine größere Stabilität aufweisen als die Produkte, bedeutet dies, dass das Reaktionsgemisch eine Energieabsorption in Form von Wärme aus seiner Umgebung zeigt, was zu einer endothermen Reaktion führt.

Wenn der eine oder andere Fall eintritt, muss ebenfalls ein Diagramm wie das zuvor gezeigte erstellt werden, in dem die potentielle Energie des Systems, das gegen den Fortschritt oder Fortschritt der Reaktion reagiert, aufgezeichnet wird.

Somit werden die potentiellen Energieänderungen erhalten, die auftreten, wenn die Reaktion fortschreitet und die Reaktanten in Produkte umgewandelt werden.

Wie wird es berechnet?

Die Aktivierungsenergie einer chemischen Reaktion hängt eng mit der Geschwindigkeitskonstante dieser Reaktion zusammen, und die Abhängigkeit dieser Konstante von der Temperatur wird durch die Arrhenius-Gleichung dargestellt:

k = Ae- ^{Ea / RT}

In diesem Ausdruck repräsentiert k die Geschwindigkeitskonstante der Reaktion (die von der Temperatur abhängt) und der Parameter A wird als Frequenzfaktor bezeichnet und ist ein Maß für die Häufigkeit der Kollisionen zwischen Molekülen.

E drückt seinerseits die Basis der Reihe natürlicher Logarithmen aus. Sie wird auf eine Leistung angehoben, die dem negativen Quotienten der Aktivierungsenergie (Ea) zwischen dem resultierenden Produkt der Gaskonstante (R) und der absoluten Temperatur (T) des zu berücksichtigenden Systems entspricht.

Es ist zu beachten, dass der Frequenzfaktor in bestimmten Reaktionssystemen über einen weiten Temperaturbereich als Konstante angesehen werden kann.

Dieser mathematische Ausdruck wurde ursprünglich 1884 vom niederländischen Chemiker Jacobus Henricus van't Hoff angenommen, aber derjenige, der ihm wissenschaftliche Gültigkeit verlieh und seine Prämisse interpretierte, war der schwedische Chemiker Svante Arrhenius im Jahr 1889.

Berechnung der Aktivierungsenergie einer chemischen Reaktion

Die Arrhenius-Gleichung gibt die direkte Proportionalität an, die zwischen der Geschwindigkeitskonstante einer Reaktion und der Häufigkeit von Kollisionen zwischen Molekülen besteht.

Ebenso kann diese Gleichung auf bequemere Weise dargestellt werden, indem die Eigenschaft natürlicher Logarithmen auf jede Seite der Gleichung angewendet wird, wobei erhalten wird:

ln k = ln A - Ea / RT

Wenn die Terme neu angeordnet werden, um die Gleichung einer Linie zu erhalten (y = mx + b), wird der folgende Ausdruck erhalten:

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

Wenn also ein Graph von ln k gegen 1 / T konstruiert wird, wird eine gerade Linie erhalten, wobei ln k die Koordinate darstellt und (-Ea / R) die Steigung der Linie (m) darstellt, (1 / T) stellt die x-Koordinate dar und ln A stellt den Schnittpunkt mit der Ordinatenachse (b) dar.

Wie zu sehen ist, ist die aus dieser Berechnung resultierende Steigung gleich dem Wert von –Ea / R. Dies bedeutet, dass Sie, wenn Sie den Wert der Aktivierungsenergie mithilfe dieses Ausdrucks erhalten möchten, eine einfache Klarstellung durchführen müssen, die Folgendes ergibt:

Ea = –mR

Hier wissen wir, dass der Wert von m und R eine Konstante von 8,314 J / K · mol ist.

Wie wirkt sich Aktivierungsenergie auf die Reaktionsgeschwindigkeit aus?

Wenn versucht wird, ein Bild der Aktivierungsenergie zu erhalten, kann dies als Barriere angesehen werden, die keine Reaktion zwischen den Molekülen mit niedrigerer Energie zulässt.

Wie bei einer üblichen Reaktion ist die Anzahl der Moleküle, die reagieren können, ziemlich groß. Die Geschwindigkeit - und entsprechend die kinetische Energie dieser Moleküle - kann sehr unterschiedlich sein.

Es kommt im Allgemeinen vor, dass nur ein kleiner Teil der Gesamtheit der Moleküle, die eine Kollision erfahren - diejenigen mit einer höheren Bewegungsgeschwindigkeit - über genügend kinetische Energie verfügen, um die Größe der Aktivierungsenergie überschreiten zu können. Diese Moleküle sind also fit und können Teil der Reaktion sein.

Nach der Arrhenius-Gleichung impliziert das negative Vorzeichen, das dem Quotienten zwischen der Aktivierungsenergie und dem Produkt der Gaskonstante und der absoluten Temperatur vorangeht, dass die Geschwindigkeitskonstante mit zunehmender Aktivierungsenergie abnimmt. sowie ein Wachstum, wenn die Temperatur steigt.

Beispiele für die Berechnung der Aktivierungsenergie

Um die Aktivierungsenergie durch Erstellen eines Graphen gemäß der Arrhenius-Gleichung zu berechnen, wurden die Geschwindigkeitskonstanten für die Zersetzungsreaktion von Acetaldehyd bei fünf verschiedenen Temperaturen gemessen, und es ist erwünscht, die Aktivierungsenergie zu bestimmen für die Reaktion, die ausgedrückt wird als:

CH ₃ CHO (g) → CH ₄ (g) + CO (g)

Die Daten für die fünf Messungen sind wie folgt:

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

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

Um dieses Unbekannte zu lösen und die Aktivierungsenergie zu bestimmen, muss zunächst ein Graph von ln k gegen 1 / T (y gegen x) erstellt werden, um eine gerade Linie zu erhalten und von hier aus die Steigung zu nehmen und den Wert von Ea zu finden. wie erklärt.

Bei der Transformation der Messdaten gemäß der Arrhenius-Gleichung werden die folgenden Werte für y bzw. x gefunden:

In k: (-4,51) - (-3,35) - (-2,254) - (-1,070) - (-0,237)

1 / T (K & supmin ; ^¹ ): 1,43 ^· 10 & supmin; ³ - 1,37 ^· 10 & supmin; ³ - 1,32 ^· 10 & supmin; ^³ - 1,27 ^· 10 & supmin; ^³ - 1,23 ^· 10 & supmin; ^³

Aus diesen Werten und durch die mathematische Berechnung der Steigung -entweder auf einem Computer oder einem Rechner, mit dem Ausdruck m = (Y ₂ -Y ₁ ) / (X ₂ -X ₁ ) oder unter Verwendung der linearen Regression method- wir erhalten, dass m = -Ea / R = -2,09 * 10 ⁴ K. Also:

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

= 1,74 × 10 ⁵ = 1,74 × 10 ² kJ / mol

Um andere Aktivierungsenergien grafisch zu bestimmen, wird ein ähnliches Verfahren durchgeführt.

Verweise

1. Wikipedia. (sf). Aktivierungsenergie. Von en.wikipedia.org wiederhergestellt
2. Chang, R. (2007). Chemie, 9. Auflage. Mexiko: McGraw-Hill.
3. Britannica, E. (nd). Aktivierungsenergie. Von britannica.com abgerufen
4. Moore, JW und Pearson, RG (1961). Kinetik und Mechanismus. Von books.google.co.ve wiederhergestellt
5. Kaesche, H. (2003). Korrosion von Metallen: Physikochemische Prinzipien und aktuelle Probleme. Erhalten von books.google.co.ve