はじめに
私たちの体では、毎秒何千もの化学反応が起こっています。生命が存在するためには、いくつかの化学プロセスが必要です。新しい結合を作るためには、多くの分子が安定状態に達しており、バラバラにする必要があります。しかし、結合を壊したり確立したりするには、「活性化エネルギー」と呼ばれる多くのエネルギーが必要です。所定の活性化エネルギーは、反応物を生成物に変換するために必要な外部エネルギーの最小量です。
つまり、化学反応の際に結合が壊れ、新しい結合が形成されます。これらの結合を切断して製品を生成するために必要なエネルギーは、活性化エネルギーとして知られています。活性化エネルギーの値が高いほど、必要性が高いためにゆっくりと反応が起こることを意味します。一方、活性化エネルギーの値が低いということは、結合が容易に分解される可能性があるため、反応が容易に起こることを意味します.
活性化エネルギーに影響を与える要因を詳しく説明するために、反応速度、つまり化学反応の結果として反応物が生成物を生成する速度を理解します。応答を実行するための時間制限に関する情報を提供します。たとえば、火災の場合、セルロース燃焼の応答速度は非常に速く、プロセスは 1 秒未満で完了します。
活性化エネルギーに影響を与える複数の要因は、多数の化学反応を示しています。したがって、多くの生物学的プロセスは自発的には発生せず、開始するにはエネルギー (活性化エネルギー) の初期入力が必要です。吸エルゴン過程と発エルゴン過程の両方を研究する場合、活性化エネルギーを考慮に入れる必要があります。発エルゴン反応は正味のエネルギー放出を引き起こしますが、エネルギー放出段階を進行するには少量のエネルギーが必要です。活性化エネルギー (または活性化の自由エネルギー) は、すべての化学反応が発生するために必要なエネルギーの最小量であり、略語 「EA」 で表されます。
反応物質の化学的特性
反応のペースは、関与する化学物質の種類によって決まります。同じ状況下で比較できるように見える反応は、反応物のアイデンティティに応じてさまざまな速度を持つ場合があります。金属鉄とナトリウムの微細な粒子が空気にさらされると、ナトリウムは一晩で完全に空気と相互作用しますが、鉄はほとんど効果がありません.カルシウムとナトリウムはどちらも水と反応して水素ガスと塩基を生成する活性金属です。一方、カルシウムはゆっくりと反応します。しかし、ナトリウムは非常に速く反応するため、プロセスはほとんど爆発的です.
活性化エネルギーと反応率に影響する要因
反応速度に関連する化学プロセスの活性化エネルギーに影響を与える要因がいくつかあります。活性化エネルギーの上昇に伴い、化学反応は遅くなります。これは、分子が活性化エネルギーの壁を通過して初めて反応を完了することができるためです。障壁が大きければ大きいほど、同時に通過できる分子の量は少なくなります。
では、一部の分子は他の分子よりもエネルギーが高いのはなぜでしょうか?特定の反応は非常に高い活性化エネルギーを保持しているため、エネルギーがないと発生しません。たとえば、プロパンなどの燃料の燃焼はエネルギーを生成しますが、反応速度は室温ではほぼゼロです。 (ただし、これは良いことです。プロパンのキャニスターが棚の上で爆発した場合を想像してみてください!) 火花が特定の分子を活性化エネルギー障壁を超えて駆動するのに十分なエネルギーを生成すると、反応が完了し、エネルギーが放出されます。この放出されたエネルギーは、他の燃料分子がエネルギー障壁を突破するのを助け、連鎖反応を引き起こします。
気温
温度が上昇すると、反応のペースが速くなることがよくあります。反応物分子の平均運動エネルギーは、温度が上昇するにつれて増加します。その結果、より多くの分子が効果的な衝突に必要な最小限のエネルギーを持ちます (「温度と反応速度」を参照)。
触媒の存在
触媒は、消費されることなくプロセスに関与する化学物質です。触媒は、生成物を得るための第 2 の反応経路を提供します。それらは、多くの生物学的事象において重要な役割を果たしています。それらについては、「触媒作用」のセクションでさらに詳しく説明します。
反応物の物理的状態と表面積
不均一な混合物のように、反応物分子が異なる相に存在する場合、接触する相の表面積が反応のペースを制限します。固体金属反応物とガス反応物が混合された場合、金属表面の分子のみがガス分子と衝突する可能性があります。その結果、金属を平らに叩いたり、複数の部分にスライスしたりして金属の表面積を増やすと、反応速度が向上します。
活性化エネルギー式
与えられた活性化エネルギーは互換性があり、反応の閾値エネルギーと反応種内のすべての反応分子の推定運動エネルギーとの差に等しくなります。
したがって、反応の活性化エネルギーが減少すると、有効な衝突の割合が大きくなり、大量のエネルギーが発生します。さらに、反応のペースが速くなります。活性化エネルギーが大きいと、有効な衝突回数が少なくなり、応答速度が遅くなります。
要約すると:
- 活性化エネルギーが低いと、反応が速くなります。
- 活性化エネルギーが高いため、反応が遅くなります。
- アレニウスの考えによれば、活性化エネルギーはさまざまな要素の影響を受けますが、その中で最も重要なのは温度です。アレニウスの式は、活性化エネルギーと化学プロセスの速度との間のリンクの定量的基盤に関係しています。活性化エネルギーの式は次のとおりです:
上記の式の表記の詳細は次のとおりです:
- A は前指数因子として機能します。
- T は絶対温度 (ケルビン)、k は反応速度係数を表します。
- Ris はユニバーサル ガス定数、Ea は活性化エネルギーです。
アレニウスの式は、温度と活性化エネルギーに対する反応速度の応答性を示す、実験的に得られた最も正確な係数として広く認識されています。
活性化エネルギーは、反応分子が化学反応を継続するために克服しなければならない容量障壁またはエネルギー障壁です。
結論
単一温度でのシミュレーションから、ほぼすべての動的時間スケールで化学系の活性化エネルギーを直接決定するためのアプローチが報告されています。導関数を数値的に計算する標準のアレニウス解析とは対照的に、これらの方法論は温度に関する解析的導関数を即座に計算します。それらは基本的に統計力学のゆらぎ理論の動的応用です。
