Що таке енергія активації або Еа в хімії
Енергія активації - це мінімальна кількість енергії, необхідна для ініціювання реакції. Це висота бар’єру потенційної енергії між мінімумами потенційної енергії реагентів та продуктів. Енергія активації позначається Е і, як правило, має одиниці кілоджоулей на моль (кДж/моль) або кілокалорій на моль (ккал/моль). Термін "енергія активації" був введений шведським ученим Сванте Арреніусом в 1889 році. Рівняння Арреніуса відноситься до енергії до швидкості активації, при якій відбувається хімічна реакція:
де k - коефіцієнт швидкості реакції, A - коефіцієнт частоти реакції, e - ірраціональне число (приблизно дорівнює 2,718), E a - енергія активації, R - універсальна газова постійна і T - абсолютна температура (Кельвін).
З рівняння Арреніуса видно, що швидкість реакції змінюється залежно від температури. Зазвичай це означає, що хімічна реакція відбувається швидше при більш високій температурі. Однак існують випадки “негативної енергії активації”, коли швидкість реакції зменшується із збільшенням температури.
Навіщо потрібна енергія активації?
При змішуванні двох хімічних речовин між молекулами реагенту природним чином виникає лише невелика кількість зіткнень, що створюють продукти. Це особливо актуально, коли молекули мають меншу кінетичну енергію. Отже, перед тим, як будь-яка значна частка реагентів перетвориться на продукти, вільна енергія системи повинна бути подолана. Енергія активації дає реакцію, що щось потребує більшої тяги, щоб почати рухатися. Екзотермічні реакції також потребують енергії активації для початку. Наприклад, жодна купа деревини не почне горіти сама по собі. Запалена сірник може забезпечити енергію активації для початку горіння. Після початку хімічної реакції тепло, що виділяється в результаті реакції, забезпечує енергію активації для перетворення більшої частини реагенту в продукті.
Іноді відбувається хімічна реакція без додавання додаткової енергії. У цьому випадку енергія активації реакції зазвичай забезпечується теплом від температури навколишнього середовища. Тепло збільшує рух молекул реагенту, покращуючи швидкість їх зіткнення один з одним і збільшуючи силу зіткнення. Ця комбінація робить більш імовірним розрив зв’язків між реагентами, дозволяючи утворювати продукти.
Каталізатори та енергія активації
Речовина, яка знижує енергію активації хімічної реакції, називається каталізатором. В основному каталізатор діє через перехідний стан модифікованої реакції. Хімічна реакція не споживає каталізаторів, і їм не потрібно змінювати константу рівноваги реакції.
Зв'язок між енергією активації та енергією Гіббса
Енергія активації - термін у рівнянні Арреніуса, який використовується для обчислення енергії, необхідної для подолання перехідного стану від реагентів до продуктів. Рівняння Айрінга - це ще одне співвідношення, яке описує швидкість реакції, за винятком того, що замість використання енергії активації воно містить перехідний стан енергії Гіббса. Вільна енергія перехідного стану впливає як на ентальпію, так і на ентропію реакції. Енергія активації та енергія Гіббса пов'язані, але не взаємозамінні.