活性化エネルギーとは、化学反応が進行するために必要なエネルギーの量です。以下の問題例は、異なる温度での反応速度定数から反応の活性化エネルギーを決定する方法を示しています。
活性化エネルギーの問題
二次反応が観察された。摂氏 3 度での反応速度定数は、摂氏 35 度で 8.9 x 10 L/mol および 7.1 x 10 L/mol であることがわかりました。この反応の活性化エネルギーは?
ソリューション
活性化エネルギーは、次の式を使用して決定できます。
ln(k2 /k1 ) =Ea /R x (1/T1 - 1/T2 )
どこ
Ea =J/mol 単位の反応の活性化エネルギー
R =理想気体定数 =8.3145 J/K·mol
T1 と T2 =絶対温度 (ケルビン単位)
k1 そして k2 =T1 での反応速度定数 と T2
ステップ 1: 温度を摂氏からケルビンに変換します
T =摂氏 + 273.15
T1 =3 + 273.15
T1 =276.15 K
T2 =35 + 273.15
T2 =308.15 ケルビン
ステップ 2 - Ea を探す
ln(k2 /k1 ) =Ea /R x (1/T1 - 1/T2 )
ln(7.1 x 10/8.9 x 10) =Ea /8.3145 J/K·mol x (1/276.15 K - 1/308.15 K)
ln(7.98) =Ea /8.3145 J/K·mol x 3.76 x 10 K
2.077 =Ea (4.52 x 10 mol/J)
Ea =4.59 x 10 J/mol
または kJ/mol、(1000 で割る)
Ea =45.9 kJ/mol
答え: この反応の活性化エネルギーは 4.59 x 10 J/mol または 45.9 kJ/mol です。
グラフを使用して活性化エネルギーを見つける方法
反応の活性化エネルギーを計算するもう 1 つの方法は、ln k (速度定数) 対 1/T (温度のケルビンの逆数) をグラフ化することです。プロットは次の式で表される直線を形成します:
m =- Ea /R
ここで、m は直線の傾き、Ea は活性化エネルギー、R は 8.314 J/mol-K の理想気体定数です。摂氏または華氏で温度測定を行った場合は、1/T を計算してグラフをプロットする前に、それらをケルビンに変換することを忘れないでください。
反応座標に対する反応エネルギーのプロットを作成する場合、反応物と生成物のエネルギーの差は ΔH になり、過剰エネルギー (生成物のエネルギーより上の曲線の部分) は次のようになります。活性化エネルギーになります。
ほとんどの反応速度は温度とともに増加しますが、温度によって反応速度が低下する場合があることに注意してください。これらの反応は負の活性化エネルギーを持っています。そのため、活性化エネルギーは正の数であると予想する必要がありますが、負の数になる可能性があることに注意してください。
活性化エネルギーを発見したのは誰?
スウェーデンの科学者 Svante Arrhenius は、1880 年に「活性化エネルギー」という用語を提案し、一連の化学反応物が相互作用して生成物を形成するために必要な最小エネルギーを定義しました。図では、活性化エネルギーは、ポテンシャル エネルギーの 2 つの最小点の間のエネルギー障壁の高さとしてグラフ化されます。最小点は、安定した反応物と生成物のエネルギーです。
ろうそくを燃やすなどの発熱反応でさえ、エネルギーの投入が必要です。燃焼の場合、火のついたマッチまたは極度の熱が反応を開始します。そこから、反応から発生した熱がエネルギーを供給して、それを自立させます。
