化学と物理学では、活性化エネルギー 化学反応を開始するために必要なエネルギーの最小量です。多くの場合、反応物は熱から活性化エネルギーを取得しますが、エネルギーは光や他の化学反応によって放出されるエネルギーから得られる場合もあります。自発的な反応の場合、周囲温度は活性化エネルギーを達成するのに十分なエネルギーを供給します。
スウェーデンの科学者 Svante Arrhenius は、1889 年に活性化エネルギーの概念を提案しました。活性化エネルギーは、記号 Ea で示されます。 ジュール (J)、1 モルあたりのキロジュール (kJ/mol)、または 1 モルあたりのキロカロリー (kcal/mol) の単位があります。
酵素と触媒の効果
触媒は、化学反応の活性化エネルギーを低下させます。酵素は触媒の例です。触媒は化学反応によって消費されず、反応の平衡定数を変更しません。通常、それらは反応の遷移状態を変更することによって機能します。基本的に、彼らは別の方法で反応を進めます。 2 つの場所の間をショートカットするように、2 つの場所の間の実際の距離は変わらず、ルートだけが変わります。
対照的に、阻害剤は化学反応の活性化エネルギーを増加させます。これにより、反応速度が低下します。
活性化エネルギーと反応速度
活性化エネルギーは反応速度に関係しています。活性化エネルギーが高いほど、反応の進行は遅くなります。これは、任意の時点でエネルギー障壁を克服するのに十分なエネルギーを持つ反応物が少なくなるためです。活性化エネルギーが高ければ、エネルギーが供給されないと反応は全く進みません。たとえば、木を燃やすと多くのエネルギーが放出されますが、木のテーブルが突然燃え上がるわけではありません。木材の燃焼には活性化エネルギーが必要であり、これはライターによって供給される場合があります。
アレニウスの式は、反応速度、活性化エネルギー、温度の関係を表しています。
k =Ae
ここで、k は反応速度係数、A は反応の頻度係数、e は無理数 (2.718 にほぼ等しい)、E は活性化エネルギー、R は普遍気体定数、T は絶対温度 (ケルビン) です。
アレニウスの式は、反応速度が温度によって変化することを示しています。ほとんどの場合、化学反応は温度が上昇するにつれて (ある程度まで) 急速に進行します。場合によっては、温度が上昇すると反応速度が低下します。活性化エネルギーを解くと負の値になることがあります。
負の活性化エネルギーは可能ですか?
素反応の活性化エネルギーはゼロまたは正です。ただし、いくつかのステップからなる反応機構は、負の活性化エネルギーを持つ場合があります。さらに、アレニウスの式では、温度が上昇するにつれて反応速度が低下する場合に、負の活性化エネルギー値が考慮されます。負の活性化エネルギーを持つ素反応はバリアレス反応です。これらの場合、温度を上げると、反応物が結合する可能性が低くなります。反応物はエネルギーが多すぎるためです。粘着性のある 2 つのボールを互いに投げ合うようなものと考えることができます。低速ではくっつきますが、動きが速すぎると互いに跳ね返ります。
活性化エネルギーとギブス エネルギー
アイリングの式は、反応速度を表す別の関係です。ただし、式は活性化エネルギーではなく遷移状態のギブス エネルギーを使用します。遷移状態のギブズ エネルギーは、反応のエンタルピーとエントロピーを説明します。活性化エネルギーとギブス エネルギーは関連していますが、化学式では交換できません。
活性化エネルギーを見つける方法
アレニウスの式を使用して、活性化エネルギーを見つけます。 1 つの方法は、アレニウスの式を書き直し、温度変化に伴う反応速度の変化を記録することです。
ログ K =ログ A – Ea /2.303RT
ログ (k2 /k1 ) =Ea / 2.303R(1/T1 −1/T2 )
例:一次反応の速度定数は、温度が 310K から 330K に上昇すると、3×10 から 8×10 に増加します。活性化エネルギー (Ea ).
log(8×10 / 3×10) =Ea/2.303R (1/310 – 1/330)
log 2.66 =Ea/2.303R (1.95503 x 10)
0.4249Ea/2.303×8.314×(1.95503×10)
0.4249 =Ea/19.147 x (1.95503 x 10)
0.4249 =1.02106 x 10 x Ea
Ea =41613.62 J/mol または 41.614 kJ/mol
ln k (速度定数の自然対数) 対 1/T をグラフ化し、結果の直線の傾きを使用して活性化エネルギーを見つけることができます。
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。 1/T を計算してグラフをプロットする前に、摂氏または華氏で測定した温度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では、反応物のエネルギーと生成物のエネルギーの差は ΔH であり、過剰なエネルギー (生成物のエネルギーより上の曲線の部分) は活性化です。エネルギー。
参考文献
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