Ενέργεια ενεργοποίησης

Η ενέργεια ενεργοποίησης είναι η ελάχιστη ενέργεια που χρειάζεται ένα στάδιο μιας αντίδρασης για να φτάσει στη μεταβατική κατάσταση. Στη χημεία συμβολίζεται ως $E_a$. Αν το $E_a$ είναι μεγάλο, λιγότερες συγκρούσεις έχουν αρκετή ενέργεια για να αντιδράσουν στην ίδια θερμοκρασία, οπότε η αντίδραση είναι συνήθως πιο αργή.

Η βασική ιδέα είναι απλή: η ενέργεια ενεργοποίησης αφορά το ξεκίνημα μιας αντίδρασης, όχι το αν η συνολική αντίδραση εκλύει ή απορροφά ενέργεια. Μια αντίδραση μπορεί να είναι έντονα εξώθερμη και παρ’ όλα αυτά να είναι αργή, αν το ενεργειακό φράγμα είναι μεγάλο.

Ορισμός της ενέργειας ενεργοποίησης

Τα αντιδρώντα συνήθως δεν μετατρέπονται σε προϊόντα σε ένα μόνο ομαλό βήμα. Πρώτα περνούν από μια διάταξη υψηλότερης ενέργειας που ονομάζεται μεταβατική κατάσταση.

Η ενέργεια ενεργοποίησης είναι η διαφορά ενέργειας ανάμεσα στα αντιδρώντα και στην κορυφή αυτού του φράγματος για το στάδιο της αντίδρασης που εξετάζουμε. Γι’ αυτό ελέγχει την ταχύτητα: μια σύγκρουση πρέπει να έχει αρκετή ενέργεια και τον σωστό προσανατολισμό για να φτάσει σε αυτή την κατάσταση.

Σε έναν μηχανισμό πολλών σταδίων, κάθε στάδιο έχει τη δική του ενέργεια ενεργοποίησης. Όταν οι χημικοί μιλούν για «την» ενέργεια ενεργοποίησης μιας αντίδρασης, συνήθως εννοούν το στάδιο που ελέγχει περισσότερο την ταχύτητα σε αυτές τις συνθήκες.

Γιατί η θερμοκρασία αυξάνει την ταχύτητα αντίδρασης

Σε υψηλότερη θερμοκρασία, οι ενέργειες των σωματιδίων κατανέμονται πιο πλατιά και μεγαλύτερο ποσοστό μορίων μπορεί να φτάσει ή να ξεπεράσει το $E_a$. Γι’ αυτό πολλές αντιδράσεις επιταχύνονται όταν τις θερμαίνεις.

Το τυπικό μοντέλο για αυτή την επίδραση της θερμοκρασίας είναι η εξίσωση Arrhenius:

$$k = A e^{-E_a/(RT)}$$

Εδώ το $k$ είναι η σταθερά ταχύτητας, το $A$ είναι ο προεκθετικός παράγοντας, το $R$ είναι η σταθερά των αερίων και το $T$ είναι η απόλυτη θερμοκρασία σε kelvin.

Αυτό δεν σημαίνει ότι μόνο η θερμοκρασία έχει σημασία. Σημασία έχουν επίσης ο παράγοντας $A$ και ο μηχανισμός. Όμως η εξίσωση αποτυπώνει τη βασική ιδέα: ένα μεγαλύτερο φράγμα συνήθως σημαίνει μικρότερη σταθερά ταχύτητας στην ίδια θερμοκρασία.

Λυμένο παράδειγμα με την εξίσωση Arrhenius

Έστω ότι μια αντίδραση έχει $E_a = 50.0\ \mathrm{kJ/mol}$ και η θερμοκρασία αυξάνεται από $300\ \mathrm{K}$ σε $310\ \mathrm{K}$. Αν θεωρήσουμε ότι το $A$ δεν αλλάζει σε αυτό το μικρό εύρος, μπορούμε να συγκρίνουμε τις σταθερές ταχύτητας με

$$\ln\left(\frac{k_2}{k_1}\right) = -\frac{E_a}{R}\left(\frac{1}{T_2} - \frac{1}{T_1}\right)$$

Αντικαθιστούμε τις τιμές, χρησιμοποιώντας $E_a = 5.00 \times 10^4\ \mathrm{J/mol}$ και $R = 8.314\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}}$:

$$\ln\left(\frac{k_2}{k_1}\right) = -\frac{5.00 \times 10^4}{8.314}\left(\frac{1}{310} - \frac{1}{300}\right) \approx 0.646$$

Άρα

$$\frac{k_2}{k_1} \approx e^{0.646} \approx 1.9$$

Επομένως, η αντίδραση είναι περίπου $1.9$ φορές πιο γρήγορη στα $310\ \mathrm{K}$ απ’ ό,τι στα $300\ \mathrm{K}$.

Αυτό είναι το πρακτικό συμπέρασμα: ακόμη και μια αύξηση κατά $10\ \mathrm{K}$ μπορεί να έχει σημασία όταν η ενέργεια ενεργοποίησης είναι σημαντική.

Τι αλλάζει ένας καταλύτης

Ένας καταλύτης αυξάνει την ταχύτητα αντίδρασης παρέχοντας μια εναλλακτική διαδρομή με μικρότερη ενέργεια ενεργοποίησης. Αυτό δεν σημαίνει ότι κάθε σύγκρουση γίνεται ξαφνικά επιτυχής. Σημαίνει ότι το φράγμα για μια εφικτή διαδρομή είναι χαμηλότερο, οπότε μεγαλύτερο ποσοστό συγκρούσεων μπορεί να οδηγήσει σε αντίδραση στην ίδια θερμοκρασία.

Στην εισαγωγική χημεία, η σημαντική διάκριση είναι η εξής:

• Μικρότερη ενέργεια ενεργοποίησης μπορεί να αλλάξει την ταχύτητα.
• Αυτό δεν σημαίνει από μόνο του ότι αλλάζει η συνολική μεταβολή ενθαλπίας $\Delta H$ της αντίδρασης.

Αυτή η σύγχυση είναι συνηθισμένη, επειδή και οι δύο ιδέες εμφανίζονται στο ίδιο διάγραμμα ενέργειας αντίδρασης.

Συνηθισμένα λάθη σχετικά με την ενέργεια ενεργοποίησης

Σύγχυση της ενέργειας ενεργοποίησης με τη μεταβολή ενθαλπίας

Η ενέργεια ενεργοποίησης είναι το ύψος του φράγματος. Η μεταβολή ενθαλπίας συγκρίνει την ενέργεια των προϊόντων με την ενέργεια των αντιδρώντων. Περιγράφουν διαφορετικά πράγματα.

Η ιδέα ότι μια γρήγορη αντίδραση πρέπει να έχει αρνητικό $\Delta H$

Όχι απαραίτητα. Μια αντίδραση μπορεί να είναι εξώθερμη και παρ’ όλα αυτά αργή, αν η ενέργεια ενεργοποίησης είναι μεγάλη. Μπορεί επίσης να είναι ενδόθερμη και να προχωρά, αν οι συνθήκες και ο μηχανισμός επιτρέπουν σε αρκετά σωματίδια να ξεπεράσουν το φράγμα.

Παράλειψη της συνθήκης θερμοκρασίας στους υπολογισμούς Arrhenius

Οι εξισώσεις Arrhenius χρησιμοποιούν απόλυτη θερμοκρασία, επομένως πρέπει να δουλεύεις σε kelvin και όχι σε βαθμούς Κελσίου.

Η υπόθεση ότι ένας καταλύτης αλλάζει τη χημική ισορροπία μειώνοντας το $E_a$

Ένας καταλύτης συνήθως βοηθά το σύστημα να φτάσει πιο γρήγορα στη χημική ισορροπία, επειδή μειώνει τα φράγματα για την ευθεία και την αντίστροφη διαδρομή. Δεν αλλάζει από μόνος του τη θέση της ισορροπίας.

Πότε χρησιμοποιείται η ενέργεια ενεργοποίησης στη χημεία

Η ενέργεια ενεργοποίησης έχει σημασία κάθε φορά που το ερώτημα αφορά την ταχύτητα αντίδρασης ή τον μηχανισμό. Εμφανίζεται στη χημική κινητική, την κατάλυση, τη δράση των ενζύμων, την υποβάθμιση υλικών, την καύση και τον σχεδιασμό βιομηχανικών διεργασιών.

Είναι ιδιαίτερα χρήσιμη όταν θέλεις να εξηγήσεις γιατί μια αντίδραση είναι αργή σε θερμοκρασία δωματίου, γιατί βοηθά η θέρμανση ή γιατί ένας καταλύτης κάνει πρακτική διαφορά.

Δοκίμασε ένα παρόμοιο πρόβλημα

Δοκίμασε τη δική σου εκδοχή με τον ίδιο τύπο αλλά με διαφορετικό φράγμα, όπως $E_a = 75\ \mathrm{kJ/mol}$, για την ίδια μεταβολή θερμοκρασίας από $300\ \mathrm{K}$ σε $310\ \mathrm{K}$. Έπειτα σύγκρινε τον νέο λόγο ταχυτήτων με το παραπάνω παράδειγμα και πρόσεξε πόσο έντονα εξαρτάται το αποτέλεσμα από το ύψος του φράγματος.

Αν θέλεις το επόμενο βήμα, σύγκρινε αυτή την ιδέα με την ενθαλπία και την εντροπία. Αυτή η σύγκριση βοηθά να ξεχωρίσεις το «πόσο γρήγορα προχωρά μια αντίδραση» από το «αν μια διεργασία είναι θερμοδυναμικά ευνοϊκή».