活性化エネルギーの例
ハイキングをしていて、丘を登って反対側に行く必要があるとします。坂道を上るには、多少の努力が必要です。勾配が高いほど、反対側に到達するために必要なエネルギーが多くなります。
生物学的プロセスの分子も、反応を開始するためにエネルギーを必要とします。たとえば、分子が他の分子と衝突して反応を引き起こすには、ある程度の運動エネルギーまたは速度が必要です。衝撃が頻繁に発生しないか、運動エネルギーが不十分な場合、反応はありません。
活性化エネルギーは、反応を開始するために必要なエネルギーの量です。トレッキングの斜面が低いほど反対側に速く到達するのと同じように、活性化エネルギーが小さいほど反応が速くなります。
反応物と生成物のエネルギーは異なります。製品に変換するには、反応物は遷移状態を通過する必要があり、一般にエネルギーが大きくなります。
システムは、この遷移状態に到達するために活性化エネルギーを必要とします。最後に、製品の最終状態に到達するために、製品はエネルギーを最小化します。
反応物のエネルギーは生成物よりも大きくなります。反応物のエネルギーは増加し、最終的には最終生成物のエネルギーまで減少します。最高点は中間状態のエネルギーを表します。活性化エネルギーは、中間状態に到達するためのエネルギー量です。
化学では、活性化エネルギーはどのように機能しますか?
化学プロセスを開始するには、一定量のエネルギーが必要です。活性化エネルギーは、反応を開始するために必要な最小のエネルギーです。
活性化エネルギーを理解するには、まず化学反応がどのように起こるかを考えなければなりません.
火をつけたことのある人なら誰でも、それを化学と関連付けていなくても、プロセスを本能的に認識しています。
私たちの多くは、炎を起こすのに必要な広範囲の熱を感じています。巨大な木材に火をつけるには、1 本のマッチでは不十分であり、火炎放射器はやり過ぎになることはわかっています。
また、湿ったまたは厚い材料は、乾燥した材料よりも多くの熱を必要とすることもわかっています。活性化エネルギーは、火を起こすのに必要だとわかっている不十分な量のエネルギーによって表されます。
反応が起こるには、既存のつながりを断ち切り、新しいつながりを形成する必要があります。
反応は、生成物が反応物よりも安定している場合にのみ進行します。たとえば、火事では、木材に含まれる炭素を、木材よりも安定した形態の炭素である CO2 に変換します。
したがって、反応は継続し、その過程で熱が発生します。この場合の活性化エネルギーは、火を起こすのに必要な初期熱です。私たちの努力と試合がその証拠です。
化学プロセスでは、活性化エネルギーは、反応物と生成物の最小値 (必要な最小値) の間の障壁になる場合があります。
活性化された複雑な例
ヨウ化水素などの分子を作成すると、遷移状態における活性化錯体の概念をよりよく理解するのに役立ちます。水素原子がハロゲン分子と接触して活性化合物を生成すると仮定します。
両方がかなり離れている場合、システムのエネルギーは個々のエネルギーの合計に等しくなります。水素原子がヨウ素分子に近づくにつれて、水素原子とヨウ素原子の軌道が重なり始めます。
その結果、ヨウ素-ヨウ素化学結合が長くなり始めます。複合体の発達により、システムのエネルギーが活性化または増加しています。
活性化エネルギー式
ここで、A は、反応で機能する先行要素であることが判明しました。また、反応はほぼ一定です。さらに、反応は温度に依存します。 Ea は活性化エネルギーであることが判明し、気体定数は R です。
さらに、T は温度を意味し、k は反応速度定数を意味します。最も重要なことは、アレニウスによってヒューズが発生した 3 つの重要な変数に注目できることです。
主な要因は、粒子がポテンシャルを備えていることであり、これは反応にとって重要です。さらに、粒子間で衝突が起こります。したがって、最終的には、影響の量は一般的に適切な方向の要素を持つようになります。
活性化エネルギーはどこにありますか?
活性化エネルギーを計算するには、アレニウスの式を使用します。アレニウスの式を書き直して、温度変化に伴う反応速度の変化に注目するのが 1 つの方法です。
log K =log A – Ea/2.303 RT
log (k2/ k1 ) =Ea/2.303 R x (1/T1 − 1/T2 )
たとえば、温度が 310 K から 330 K に上昇すると、一次反応の速度定数は 3×10-2 から 8×10-2 に増加します。活性化エネルギー (Ea) を決定する:
log (8 × 10 – 2/3 × 10 – 2) =Ea/2.303 R (1/310 – 1/330)
log 2.66 =Ea/2.303 R (1.95503 x 10 – 4)
0.4249 Ea/2.303 × 8.314 × (1.95503 × 10 – 4)
0.4249 =Ea/19.147 x (1.95503 x 10 – 4)
0.4249 =1.02106 x 10 – 5 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計算できます。
ここで、m は直線の傾きを表し、Ea は活性化エネルギーを表し、R は 8.314 J/mol.K の理想気体定数を表します。 1/T を計算してグラフをプロットする前に、摂氏または華氏で取得した温度測定値をケルビンに変換することを忘れないでください。
結論
活性化エネルギーは一般に Ea として表され、アレニウスの数式 k =Ae – Ea/RT を使用して計算できます。ここで、A =定数です。アレニウス方程式の Ea がエネルギー単位を含まなければならないことは自明です。通常、1 モルあたりのジュール (J/mol)、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) で測定されます。
生物学における酵素触媒プロセスでは、化学触媒は活性化エネルギーを低下させることができ、中間活性化複合体の生成を通じて、一定期間により多くの反応を可能にします.
