Что такое энергия активации

Энергия активации

Энергия активации в химии и биологии — минимальное количество энергии, которое требуется сообщить системе (в химии выражается в джоулях на моль), чтобы произошла реакция. Термин введён Сванте Августом Аррениусом в 1889. Типичное обозначение энергии реакции E_a.

Энергия активации в физике — минимальное количество энергии, которое должны получить электроны донорной примеси, для того чтобы попасть в зону проводимости.

В химической модели, известной как Теория активных соударений (ТАС), есть три условия, необходимых для того, чтобы произошла реакция:

При низкой (для определённой реакции) температуре большинство молекул обладают энергией меньшей, чем энергия активации, и неспособны преодолеть энергетический барьер. Однако в веществе всегда найдутся отдельные молекулы, энергия которых значительно выше средней. Даже при низких температурах большинство реакций продолжают идти. Увеличение температуры позволяет увеличить долю молекул, обладающих достаточной энергией, чтобы преодолеть энергетический барьер. Таким образом повышается скорость реакции.

Содержание

Математическое описание

Уравнение Аррениуса устанавливает связь между энергией активации и скоростью протекания реакции:

k — константа скорости реакции, — фактор частоты для реакции, — универсальная газовая постоянная, — температура в кельвинах.

С повышением температуры растёт вероятность преодоления энергетического барьера.

Для количественного описания температурных эффектов в химической кинетике для приближённых вычислений кроме уравнения Аррениуса используют правило Вант-Гоффа: повышение температуры на 10 К увеличивает для большинства реакций скорость в 2-4 раза. Математически это означает, что скорость реакции зависит от температуры степенным образом:

где — температурный коэффициент скорости (его значение лежит в интервале от 2 до 4). Правило Вант-Гоффа является весьма грубым и применимо только в очень ограниченном интервале температур.

Переходное состояние

Переходное состояние — состояние системы, при котором уравновешены разрушение и создание связи. В переходном состоянии система находится в течение небольшого (10 −15 с) времени. Энергия, которую необходимо затратить, чтобы привести систему в переходное состояние, называется энергией активации. В многоступенчатых реакциях, которые включают в себя несколько переходных состояний, энергия активации соответствует наибольшему значению энергии. После преодоления переходного состояния молекулы вновь разлетаются с разрушением старых связей и образованием новых или с преобразованием исходных связей. Оба варианта возможны, так как происходят с высвобождением энергии (это хорошо видно на рисунке, поскольку оба положения лежат энергетически ниже энергии активации). Существуют вещества, способные уменьшить энергию активации для данной реакции. Такие вещества называют катализаторами. Биологи же такие вещества называют ферментами. Интересно, что катализаторы таким образом ускоряют ход реакции, самостоятельно в ней не участвуя.

См. также

Ссылки

Полезное

Смотреть что такое «Энергия активации» в других словарях:

ЭНЕРГИЯ АКТИВАЦИИ — ЭНЕРГИЯ АКТИВАЦИИ, наименьшее количество энергии, необходимое для начала химической реакции. По мере того, как в ходе реакции химические связи разрываются или формируются, энергия системы увеличивается по сравнению с энергией исходных веществ,… … Научно-технический энциклопедический словарь

ЭНЕРГИЯ АКТИВАЦИИ — в химии наименьшая энергия, которой должна обладать частица (атом, ион, радикал) для того, чтобы произошла химическая реакция. Одна из основных величин, определяющих скорость реакции при данной температуре (см. Аррениуса уравнение) … Большой Энциклопедический словарь

энергия активации — – средняя избыточная энергия, которой должны обладать реагирующие частицы, чтобы преодолеть потенциальный энергетический барьер, разделяющий исходное и конечное состояния системы. Общая химия : учебник / А. В. Жолнин [1] … Химические термины

Энергия активации — кинетический параметр, средняя избыточная энергия, которой должны обладать реагирующие частицы (атомы, элементы) для преодоления потенциального барьера между начальным и исходным состоянием системы. [Ушеров Маршак А. В. Бетоноведение: лексикон. М … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов

ЭНЕРГИЯ АКТИВАЦИИ — энергетический барьер, который необходимо преодолеть реагирующим атомам для осуществления хим. реакции. В частном случае радиогенных газов Э. а. (Е) определяет возможность перемещения газов по кристаллической решетке. Количество газа, остающееся… … Геологическая энциклопедия

энергия активации — Количество энергии в калориях, требуемое для перевода всех молекул, содержащихся в 1 моле реагирующего субстрата, в переходное состояние [http://www.dunwoodypress.com/148/PDF/Biotech Eng Rus.pdf] Тематики биотехнологии EN activation energy … Справочник технического переводчика

энергия активации — [activation energy] разность между средней энергией частиц (молекул, радикалов, ионов и др.), вступающих в элементарный акт химической реакции, и средней энергией всех частиц реагирующей системы. Энергия активации разных химических реакций… … Энциклопедический словарь по металлургии

ЭНЕРГИЯ АКТИВАЦИИ — – в химической кинетике наименьшая избыточная энергия, которой должны обладать частицы (сталкивающиеся или распадающиеся) для осуществления химического превращения. Энергия активации при гетерофазном окислении титаномагнетита, т.е. для… … Палеомагнитология, петромагнитология и геология. Словарь-справочник.

энергия активации — в химии, наименьшая энергия, которой должна обладать частица (атом, ион, радикал) для того, чтобы произошла химическая реакция. Одна из основных величин, определяющих скорость реакции при данной температуре (см. Аррениуса уравнение). * * *… … Энциклопедический словарь

Энергия активации — Activation energy Энергия активации. Энергия, необходимая для начала металлургического процесса, например, пластической деформации, диффузии, химической реакции. (Источник: «Металлы и сплавы. Справочник.» Под редакцией Ю.П. Солнцева; НПО… … Словарь металлургических терминов

Источник

Энергия активации

Аррениус предположил, что реагировать между собой могут только те молекулы, которые находятся в активной форме, образующиеся из обычных молекул. Такие молекулы были названы активными, а энергия, необходимая для перевода обычных молекул в активное состояние, энергией активации.

В самом деле, в ходе химической реакции разрушаются одни и возникают другие молекулы, происходит изменение химических связей, т.е. перераспределение электронной плотности. Если бы старые связи в ходе реакции сразу полностью разрушались, то на это потребовалось бы большое количество энергии, и реакция протекала крайне медленно. Как показали исследования, в ходе реакции система проходит через переходное состояние, через образование активированного комплекса. Например, ход реакции

можно представить схемой

В активированном комплексе старые связи еще не разорваны, но уже ослаблены, новые связи наметились, но еще не образовались. Время существования его не велико (10‾ 14 – 10‾ 11 с). При распаде комплекса образуются либо продукты реакции, либо исходные вещества. Для образования переходного комплекса необходима энергия. Система в переходном состоянии имеет более высокую энергию, чем в исходном и конечном состояниях.

Энергия, необходимая для перехода вещества в состояние активированного комплекса, называется энергией активации.

Образование активированного комплекса определяется энергией молекул. Молекула, энергия ко торой достаточна для образования активированного комплекса, называется активной. Доля таких молекул зависит от температуры. При высоких температурах доля активных молекул, энергия которых равна или выше энергии активации, велика и, соответственно, растет доля молекул способных к активным столкновениям с образованием активированного комплекса, т.е. реакции идут быстро. Чем выше энергия активации, тем меньше доля частиц, способных к активному взаимодействию. Экзотермические реакции протекают с меньшей энергией активации, чем эндотермические (рис.18). Высокая энергия активации (высокий энергетический барьер) является причиной того, что многие химические реакции при невысоких температурах не протекают, хотя термодинамически возможны (ΔG

Источник

Значение словосочетания «энергия активации»

Энергия активации в физике — минимальное количество энергии, которое должны получить электроны донорной примеси, для того чтобы попасть в зону проводимости.

В химической модели, известной как Теория активных соударений (ТАС), есть три условия, необходимых для того, чтобы произошла реакция:

Молекулы должны столкнуться. Это важное условие, однако его не достаточно, так как при столкновении не обязательно произойдёт реакция.

Молекулы должны обладать необходимой энергией (энергией активации). В процессе химической реакции взаимодействующие молекулы должны пройти через промежуточное состояние, которое может обладать большей энергией. То есть молекулы должны преодолеть энергетический барьер; если этого не произойдёт, реакция не начнётся.

Молекулы должны быть правильно ориентированы относительно друг друга.

При низкой (для определённой реакции) температуре большинство молекул обладают энергией меньшей, чем энергия активации, и неспособны преодолеть энергетический барьер. Однако в веществе всегда найдутся отдельные молекулы, энергия которых значительно выше средней. Даже при низких температурах большинство реакций продолжают идти. Увеличение температуры позволяет увеличить долю молекул, обладающих достаточной энергией, чтобы преодолеть энергетический барьер. Таким образом повышается скорость реакции.

Делаем Карту слов лучше вместе

Привет! Меня зовут Лампобот, я компьютерная программа, которая помогает делать Карту слов. Я отлично умею считать, но пока плохо понимаю, как устроен ваш мир. Помоги мне разобраться!

Спасибо! Я стал чуточку лучше понимать мир эмоций.

Вопрос: подсосать — это что-то нейтральное, положительное или отрицательное?

Источник

Что такое энергия активации

Действительно, при обычных условиях свободная энергия графита меньше свободной энергии алмаза. Дело, однако, в том, что превращение кристаллической решетки алмаза в решетку графита обязательно проходит через какие-то промежуточные структуры, отличающиеся от обеих решеток (рис. 7.1).

Рисунок 7.1 ‒ К определению энергии активации

Можно привести много примеров, когда термодинамически возможные процессы практически не совершаются из-за ничтожно малых скоростей. Так реакция взаимодействия водорода и кислорода

Как видно из рис. 7.1, энергии активации прямой (Е_а1) и обратной (Е_а2) реакции различны. Например, для реакции [TEX]H_<2>+I_<2>=2HI[/TEX] Е_а1 = 166,0 кДж/моль, a E_a2 = 185,6 кДж/моль.

7.2. Основные понятия и определения химической кинетики

Скоростью химической реакции W называют изменение количества какого-либо вещества (либо исходного, либо продукта) n_i в единицу времени t и в единице реакционного пространства R:

Это выражение используют со знаком «плюс», когда скорость реакции определяют по изменению количества продукта реакции (которое положительно), или со знаком «минус», когда скорость реакции определяют по изменению количества какого-либо исходного вещества (которое отрицательно). И в том, и в другом случае скорость реакции остается положительной.

Приведенное определение скорости химической реакции является общим, оно справедливо для любых реакций. Если реакция гомогенная и протекает в объеме, то реакционным пространством является объем [TEX](R\equiv)[/TEX]. Если же реакция гетерогенная и протекает на поверхности раздела фаз, то реакционным пространством является эта поверхность [TEX](R\equiv)[/TEX].

Наиболее теоретически описанными с точки зрения химической кинетики являются гомогенные реакции в изолированных или закрытых системах. Основные закономерности химической кинетики, поэтому, рассмотрим на примере таких систем. Это могут быть либо газовые реакции, либо реакции между растворами (при условии, что реагирующая смесь представляет собой одну фазу). В этом случае для скорости реакции можно записать

Решим еще один принципиальный вопрос. Пусть в системе протекает гомогенная реакция с участием веществ А, В, D, F:

И пусть концентрации веществ соответственно равны C_A, С_B, С_D и С_F. Тогда для однозначного определения скорости реакции достаточно следить за изменением концентрации одного какого-либо вещества. Изменения концентраций всех остальных участников реакции можно найти из соотношения

Введем понятие об элементарной реакции. Такой реакцией называется реакция, протекающая в соответствии с ее уравнением, т.е. за счет одновременного столкновения молекул, записанных в левой части уравнения. Следует сказать, что с этих позиций в элементарной реакции могут участвовать одна, две или, что встречается крайне редко, три молекулы. Элементарные реакции поэтому подразделяются на моно-, би- и тримолекулярные.

Математическое уравнение, связывающее скорость реакции с концентрациями реагирующих веществ, называют кинетическим уравнением данной химической реакции. Следует отметить, что по внешнему виду уравнения химической реакции нельзя сделать вывод об ее кинетическом уравнении (напомним, что в химической термодинамике по внешнему виду уравнения можно провести расчет различных величин, например, константы равновесия). Проиллюстрируем сказанное. Реакции водорода с парами йода или брома выражаются одинаковыми стехиометрическими уравнениями. Однако кинетические уравнения для них совершенно различны. Именно:

Это объясняется тем, что первая реакция протекает как элементарная, в то же время образование HBr происходит в результате сложной ценной реакции, механизм которой можно представить так:

Таким образом, кинетическое уравнение химической реакции может быть установлено исключительно экспериментальным путем.

Основным законом химической кинетики является постулат, вытекающий из большого числа экспериментальных данных и выражающий зависимость скорости от концентрации. Этот закон, получивший название закона действующих масс, формулируется следующим образом.

Если эмпирическое уравнение реакции

то математическую формулу основного закона можно представить в виде

В этом уравнении коэффициент пропорциональности k не зависит от концентраций. Он очень различен для разных реакций и сильно зависит от температуры. Называют k константой скорости реакции. Физический смысл k легко найти положив С_A = C_B = С_D = 1 моль/л. Тогда W=k, т.е. k численно равна скорости реакции при концентрациях реагирующих веществ, равных единице. Показатели степеней n_A, n_B, n_D обычно являются положительными целыми числами, но бывают дробные и даже отрицательные показатели. Появление этих усложнений объясняется более или менее сложным механизмом реакции.

7.3. Кинетическая классификация гомогенных химических реакций

С точки зрения химической кинетики все элементарные реакции можно классифицировать на реакции нулевого, первого, второго и третьего порядка. В отличие от молекулярности порядок реакции величина формальная и равная сумме показателей степеней в кинетическом уравнении. Из соотношения (7.5) общий порядок n данной реакции равен

При этом величины n_A, n_B, n_D называются частными порядками реакции по веществам А, В и D. Следовательно, общий порядок реакции равен сумме частных порядков.

Для элементарных реакций n_A = a, n_B = b, n_D = d. Возможны следующие типы кинетических уравнений элементарных реакций:

Реакции нулевого порядка это реакции, которые протекают в избытке реагентов так, что изменение концентрации не влияет на скорость реакции.

Найдем основные кинетические характеристики и уравнения для гомогенных химических реакций различного порядка в закрытых системах при постоянстве объема и температуры.

Решим это уравнение, разделив переменные

После интегрирования [TEX]\int=-\int[/TEX] получим

Следовательно, в реакциях нулевого порядка концентрация линейно уменьшается со временем (рис. 7.2, а).

Рисунок 7.2 ‒ Изменение концентрации со временем в реакциях нулевого (а), первого (б), второго (в) и третьего (г) порядков

Константу скорости реакции нулевого порядка можно вычислить по уравнению

Следовательно, для реакции нулевого порядка время полупревращения пропорционально начальной концентрации исходного вещества.

Чаще всего это реакции разложения. Например, реакция разложения ацетона

Кинетическое уравнение для реакций первого порядка имеет вид

Проинтегрируем его, разделив переменные

Для определения постоянной интегрирования примем, что в начальный момент реакции t=0 концентрация исходного вещества была С₀. Тогда

Следовательно, [TEX]\ln=-kt+\ln> [/TEX] или

Для реакций первого порядка характерна линейная зависимость lnC от t (рис. 7.2, б).

Найдем время полупревращения для реакции первого порядка. Для [TEX]t=\tau<_<1/2>>[/TEX] С = С₀/2.

К истинно мономолекулярным или, лучше сказать, моноатомным процессам первого порядка относятся все многочисленные превращения радиоактивных веществ. В табл. 7.1 приведены некоторые данные для таких реакций.

Классическим примером реакции первого порядка является реакция инверсии тростникового сахара (сахарозы)

Кинетическое уравнение этой реакции имеет вид

то кинетическое уравнение имеет вид

При t = 0 С = C₀. Отсюда [TEX]B=\frac<1>>[/TEX], следовательно

Для реакций второго порядка наблюдается линейная зависимость 1/с от t (рис. 7.2, б).

Для реакции второго порядка

т.е. чем больше начальная концентрация, тем меньше время полупревращения.

Если в элементарной реакции второго порядка реагируют две различные частицы

причем концентрации веществ А₁ и А₂ разные, то

Реакций второго порядка довольно много. Например:

Так как реакции третьего порядка очень редки и не представляют большого практического интереса, рассмотрим их кинетику только для случая равенства концентраций всех реагирующих веществ.

и после интегрирования

Примерами реакций третьего порядка являются

Следует отметить, что реакции первого, второго и третьего порядка являются в то же время моно-, би- и тримолекулярными, соответственно.

Для моделирования химико-технологических процессов полезно ввести понятие формально простых реакций. К формально простым реакциям относятся любые сложные реакции, для которых кинетическое уравнение может быть представлено приближенно в виде степенной зависимости

Например, такой является сложная реакция

Как видно, показатели степеней для формально простой реакции не совпадают со стехиометрическими коэффициентами. В общем случае для таких реакций показатели степеней могут быть дробными и принимать значения большие трех.

При равенстве концентраций реагирующих веществ кинетическое уравнение имеет вид

Решение этого уравнения аналогично предыдущим и приводит к следующим результатам

7.4. Способы определения порядка реакции

Порядок реакции, в котором участвует одно вещество, можно найти, воспользовавшись данными экспериментов для двух различных начальных концентраций С₀₁ и С₀₂. Тогда

Логарифмируем эти уравнения и получаем

Вычитаем уравнения друг из друга и получаем

Для реакций, в которых участвуют два исходных вещества

кинетическое уравнение имеет вид

и задача сводится к определению частных порядков реакции n_A и n_B, n = n_A + n_B.

Для этого проводят две серии экспериментов: один при постоянной (или избыточной) концентрации вещества А, второй при постоянной (или избыточной) концентрации вещества В. В обеих случаях концентрация одного из веществ не будет оказывать влияния на скорость реакции (точнее это влияние будет постоянным). Имеем

Экспериментальные точки наносим на график в координатах lnW – lnС. Получаем две прямые (рис.7.3).

Рисунок 7.3 ‒ К определению порядка реакции

Величины отрезков, отсекаемых прямыми, на оси ординат позволяют найти k.

Описанные способы называются дифференциальными. Кроме того, существуют интегральные способы определения порядка реакции по экспериментальным данным. Они основаны на проверке выполнения кинетических зависимостей для реакций разных порядков. Рассмотрим эти способы.

7.5. Влияние температуры на скорость химической реакции

Как известно, скорость большинства химических реакций, за чрезвычайно редким исключением [TEX](2NO+O_2\rightarrow<2NO_2>)[/TEX], быстро увеличивается с повышением температуры. Именно поэтому нагревание представляет собой приём, широко распространенный в химической практике. Количественно оценить влияние температуры на скорость (а фактически на константу скорости) реакции можно несколькими путями. Для реакций в растворах, протекающих при сравнительно низких температурах, можно использовать полуколичественное эмпирическое правило Вант-Гоффа:

Введя понятие температурного коэффициента скорости реакции [TEX]\gamma[/TEX], можно рассчитать изменение скорости при любом изменении температуры:

Более точно отражает зависимость константы скорости реакции от температуры уравнение, предложенное в 1889 г. шведским ученым С.Аррениусом ( уравнение Аррениуса):

Проиллюстрируем важность этого положения простым расчетом. Константа скорости реакции [TEX]2HI\leftrightarrow[/TEX] при [TEX]100^oC[/TEX] равна [TEX]k=8,83\cdot<10^<-16>>(моль/л)^<-1>\cdot>[/TEX]. Чтобы сделать наглядным это значение м рассчитаем время полупревращения для этой реакции второго порядка (см. 7.3) при С₀ = 1 моль/л:

Таким образом при [TEX]100^oC[/TEX] половина исходного йодистого водорода разложилось бы за 36 миллионов лет. Причина этого в том, что при данной температуре чрезвычайно мала доля активных молекул. Таблица 7.2 иллюстрирует зависимость доли активных молекул от температуры для различных значений энергии активации.

Энергия активации Е_а,Кдж/моль

Источник