Năng lượng hoạt hóa

Năng lượng hoạt hóa là năng lượng tối thiểu cần thiết để một bước phản ứng đạt tới trạng thái chuyển tiếp. Trong hóa học, nó được ký hiệu là $E_a$. Nếu $E_a$ cao, sẽ có ít va chạm có đủ năng lượng để phản ứng ở cùng một nhiệt độ, nên phản ứng thường diễn ra chậm hơn.

Ý chính rất đơn giản: năng lượng hoạt hóa liên quan đến việc khởi động phản ứng, chứ không quyết định phản ứng tổng thể giải phóng hay hấp thụ năng lượng. Một phản ứng có thể tỏa nhiệt mạnh nhưng vẫn chậm nếu rào cản năng lượng lớn.

Định nghĩa năng lượng hoạt hóa

Chất phản ứng thường không chuyển thành sản phẩm trong một bước trơn tru duy nhất. Trước hết, chúng phải đi qua một cấu hình có năng lượng cao hơn gọi là trạng thái chuyển tiếp.

Năng lượng hoạt hóa là độ chênh năng lượng giữa chất phản ứng và đỉnh rào cản đó đối với bước phản ứng đang xét. Vì vậy nó chi phối tốc độ: một va chạm phải có đủ năng lượng và đúng định hướng để đạt tới trạng thái đó.

Với một cơ chế nhiều bước, mỗi bước có năng lượng hoạt hóa riêng. Khi các nhà hóa học nói về “năng lượng hoạt hóa” của một phản ứng, họ thường muốn nói đến bước kiểm soát tốc độ mạnh nhất trong những điều kiện đó.

Vì sao nhiệt độ làm tăng tốc độ phản ứng

Ở nhiệt độ cao hơn, năng lượng của các hạt phân bố rộng hơn, và một phần lớn hơn các phân tử có thể đạt tới hoặc vượt qua $E_a$. Đó là lý do nhiều phản ứng diễn ra nhanh hơn khi được đun nóng.

Mô hình chuẩn để mô tả ảnh hưởng của nhiệt độ này là phương trình Arrhenius:

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

Ở đây $k$ là hằng số tốc độ, $A$ là thừa số tiền hàm mũ, $R$ là hằng số khí, và $T$ là nhiệt độ tuyệt đối tính theo kelvin.

Điều này không có nghĩa là nhiệt độ là yếu tố duy nhất quan trọng. Thừa số $A$ và cơ chế phản ứng cũng quan trọng. Nhưng phương trình này nêu bật ý chính: một rào cản lớn hơn thường dẫn đến hằng số tốc độ nhỏ hơn ở cùng nhiệt độ.

Ví dụ có lời giải với phương trình Arrhenius

Giả sử một phản ứng có $E_a = 50.0\ \mathrm{kJ/mol}$ và nhiệt độ tăng từ $300\ \mathrm{K}$ lên $310\ \mathrm{K}$. Nếu xem $A$ không đổi trong khoảng nhỏ này, ta có thể so sánh các hằng số tốc độ bằng

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

Thay các giá trị vào, dùng $E_a = 5.00 \times 10^4\ \mathrm{J/mol}$ và $R = 8.314\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}}$:

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

Vậy

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

Do đó phản ứng diễn ra nhanh hơn khoảng $1.9$ lần ở $310\ \mathrm{K}$ so với ở $300\ \mathrm{K}$.

Đó là kết luận thực tế quan trọng: ngay cả khi chỉ tăng $10\ \mathrm{K}$, ảnh hưởng vẫn có thể đáng kể nếu năng lượng hoạt hóa đủ lớn.

Chất xúc tác làm thay đổi điều gì

Chất xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng bằng cách cung cấp một con đường phản ứng thay thế có năng lượng hoạt hóa thấp hơn. Điều đó không có nghĩa là mọi va chạm đột nhiên đều thành công. Nó có nghĩa là rào cản của một con đường khả thi thấp hơn, nên một phần lớn hơn các lần va chạm có thể thành công ở cùng nhiệt độ.

Trong hóa học nhập môn, điểm phân biệt quan trọng là:

• Giảm năng lượng hoạt hóa có thể làm thay đổi tốc độ phản ứng.
• Bản thân điều đó không có nghĩa là độ biến thiên enthalpy tổng thể $\Delta H$ của phản ứng thay đổi.

Sự nhầm lẫn này rất phổ biến vì cả hai ý đều xuất hiện trên cùng một đồ thị năng lượng phản ứng.

Những sai lầm thường gặp về năng lượng hoạt hóa

Nhầm lẫn giữa năng lượng hoạt hóa và độ biến thiên enthalpy

Năng lượng hoạt hóa là chiều cao của rào cản. Độ biến thiên enthalpy so sánh năng lượng của sản phẩm với năng lượng của chất phản ứng. Chúng mô tả hai điều khác nhau.

Nghĩ rằng phản ứng nhanh thì phải có $\Delta H$ âm

Không nhất thiết. Một phản ứng có thể tỏa nhiệt nhưng vẫn chậm nếu năng lượng hoạt hóa của nó lớn. Nó cũng có thể thu nhiệt mà vẫn xảy ra nếu điều kiện và cơ chế cho phép đủ số hạt vượt qua rào cản.

Quên điều kiện nhiệt độ trong các phép tính Arrhenius

Các phương trình Arrhenius dùng nhiệt độ tuyệt đối, nên bạn phải tính bằng kelvin, không phải độ C.

Cho rằng chất xúc tác làm thay đổi cân bằng bằng cách hạ $E_a$

Chất xúc tác thường giúp hệ đạt cân bằng nhanh hơn vì nó hạ rào cản cho cả chiều thuận và chiều nghịch. Bản thân nó không làm thay đổi vị trí cân bằng.

Khi nào năng lượng hoạt hóa được dùng trong hóa học

Năng lượng hoạt hóa quan trọng bất cứ khi nào câu hỏi liên quan đến tốc độ phản ứng hoặc cơ chế phản ứng. Nó xuất hiện trong động học hóa học, xúc tác, hoạt động của enzyme, sự suy thoái vật liệu, sự cháy và thiết kế quy trình công nghiệp.

Nó đặc biệt hữu ích khi bạn muốn giải thích vì sao một phản ứng chậm ở nhiệt độ phòng, vì sao đun nóng lại có ích, hoặc vì sao chất xúc tác tạo ra khác biệt thực tế.

Hãy thử một bài tương tự

Hãy tự làm một phiên bản của riêng bạn với cùng công thức nhưng rào cản khác, chẳng hạn $E_a = 75\ \mathrm{kJ/mol}$, với cùng mức thay đổi nhiệt độ từ $300\ \mathrm{K}$ đến $310\ \mathrm{K}$. Sau đó so sánh tỉ số tốc độ mới với ví dụ ở trên và chú ý xem kết quả phụ thuộc mạnh thế nào vào độ cao của rào cản.

Nếu bạn muốn tìm mối liên hệ tiếp theo, hãy so sánh ý tưởng này với enthalpy and entropy. Sự so sánh đó giúp phân biệt giữa “phản ứng diễn ra nhanh đến mức nào” và “một quá trình có thuận lợi về mặt nhiệt động học hay không”.