- En què consisteix?
- complex activat
- Com es calcula?
- Càlcul de l'energia d'activació d'una reacció química
- Com afecta l'energia d'activació a la velocitat d'una reacció?
- Exemples de càlcul d'energia d'activació
- referències
La energia d'activació química (des del punt de vista dels estudis cinètics) es refereix a la menor quantitat possible d'energia requerida per començar una reacció química. Segons la teoria de col·lisions en la cinètica química, es diu que totes les molècules que estan en moviment tenen certa quantitat d'energia cinètica.
Això vol dir que mentre més gran sigui la velocitat del seu moviment, més gran serà la magnitud de la seva energia cinètica. En aquest sentit, una molècula que porta un moviment ràpid no pot dividir-se en fragments per si sola, de manera que ha d'ocórrer una col·lisió entre aquesta i una altra molècula perquè pugui produir-se alguna reacció química.
Quan això succeeix -quan es dóna una col·lisió entre les moléculas-, una fracció del seu energia cinètica es transforma en energia de tipus vibracional. Així mateix, si a l'inici de l'procés l'energia cinètica és alta, les molècules que participen en la col·lisió presentaran una vibració tan gran que es trencaran Alguns dels químics presents.
Aquesta ruptura d'enllaços constitueix el primer pas en la transformació de les substàncies reactants en productes; és a dir, en la formació d'aquests. Per contra, si a l'inici d'aquest procés l'energia cinètica és de petita magnitud, es donarà un fenomen de "rebot" de les molècules, mitjançant el qual aquestes es separessin pràcticament intactes.
En què consisteix?
Partint del concepte de les col·lisions entre molècules per iniciar les reaccions químiques descrit prèviament, es pot dir que hi ha una quantitat mínima d'energia requerida perquè passi una col·lisió.
De manera que, si el valor de l'energia és menor a aquest mínim necessari, simplement no existirà cap alteració entre les molècules després de presentar-se la col·lisió, la qual cosa vol dir que quan aquesta energia està absent, les espècies involucrades continuen pràcticament intactes i no succeirà cap canvi a causa d'aquest xoc.
En aquest ordre d'idees, l'energia mínima que es necessita perquè ocorri un canvi després d'una col·lisió entre molècules s'anomena energia d'activació.
Dit d'una altra manera, les molècules implicades en un xoc han de posseir una quantitat d'energia cinètica total amb una magnitud igual o més gran que l'energia d'activació perquè pugui ocórrer una reacció química.
Així mateix, en molts casos les molècules xoquen i originen una nova espècie denominada complex activat, estructura a la qual també se l'anomena "estat de transició" perquè només existeix de manera temporal.
És originada per les espècies reactants a causa de la col·lisió i previ a la formació dels productes de la reacció.
complex activat
El complex activat esmentat anteriorment forma una espècie que posseeix molt baixa estabilitat però que, al seu torn, posseeix una magnitud gran d'energia potencial.
En el següent diagrama s'observa la transformació de reactius a productes, expressada en termes d'energia i fent notar que la magnitud de l'energia de l'complex activat que es forma és considerablement més gran que la dels reactius i productes.
Si a l'acabar la reacció s'ha de els productes presenten una estabilitat més gran que les substàncies reactants, ocorre l'alliberament d'energia en forma de calor, donant-se una reacció de tipus exotèrmic.
Per contra, si els reactants resulten amb una estabilitat de major magnitud que els productes, vol dir que la barreja de reacció manifesta una absorció d'energia en forma de calor dels seus voltants, resultant una reacció de tipus endotèrmic.
Igualment, si succeeix un cas o l'altre ha de construir-se un diagrama com el que es va mostrar prèviament, on es grafiï l'energia potencial de sistema que reacciona contra l'avanç o progrés de la reacció.
Així s'obtenen els canvis d'energia potencial que succeeixen a mesura que transcorre la reacció i els reactius es van transformant en productes.
Com es calcula?
L'energia d'activació d'una reacció química està íntimament relacionada amb la constant de velocitat d'aquesta reacció, i la dependència d'aquesta constant respecte a la temperatura es representa a través de l'equació d'Arrhenius:
k = Ae -Ea / RT
En aquesta expressió k representa la constant de velocitat de la reacció (la qual depèn de la temperatura) i el paràmetre A s'anomena factor freqüència, i és una mesura de la freqüència dels xocs entre molècules.
Per la seva banda, i expressa la base de la sèrie de logaritmes naturals. Està elevat a una potència igual a el quocient negatiu de l'energia d'activació (Ea) entre el producte resultant de la constant dels gasos (R) i la temperatura absoluta (T) de sistema a considerar.
Cal destacar que el factor freqüència pot ser considerat com una constant en certs sistemes de reacció en un ampli rang de temperatura.
Aquesta expressió matemàtica va ser suposada en un principi pel químic d'origen holandès Jacobus Henricus van't Hoff en l'any 1884, però qui li va atorgar validesa científica i va interpretar la seva premissa va ser el químic d'origen suec Svante Arrhenius, l'any 1889.
Càlcul de l'energia d'activació d'una reacció química
L'equació d'Arrhenius puntualitza la proporcionalitat directa que hi ha entre la constant de velocitat d'una reacció i la freqüència dels xocs entre molècules.
Així mateix, es pot representar aquesta equació d'una manera més convenient a l'aplicar la propietat de logaritmes naturals a cada costat de l'equació, obtenint:
ln k = ln A - Ea / RT
A l'reordenar els termes en funció d'obtenir l'equació d'una recta (i = mx + b), s'aconsegueix la següent expressió:
ln k = (- Ea / R) (1 / T) + ln A
De manera que, a l'construir una gràfica de ln k contra 1 / T s'obté una línia recta, on ln k representa la coordenada i, (-Ea / R) representa el pendent de la recta (m), (1 / T) representa la coordenada x, i ln A representa la intersecció amb l'eix de les ordenades (b).
Com es pot observar, el pendent resultant d'aquest càlcul és igual a la valor de -Ea / R. Això implica que, si es vol obtenir el valor de l'energia d'activació mitjançant aquesta expressió, s'ha de fer un refús senzill aquesta, resultant:
Ea = -Mr
Aquí es coneix el valor de mi R és una constant igual a 8,314 J / K · mol.
Com afecta l'energia d'activació a la velocitat d'una reacció?
A l'intentar fer-se una imatge de l'energia d'activació, pot considerar-se a aquesta com una barrera que no permet que passi una reacció entre les molècules de menor energia.
Com en una reacció comuna passa que la quantitat de molècules que poden reaccionar és bastant gran, la velocitat -i de manera equivalent, l'energia cinètica d'aquestes moléculas- pot ser molt variable.
Generalment passa que només una quantitat reduïda de la totalitat de les molècules que experimenten una col·lisió -les que tenen una major rapidesa de moviment, presenten suficient energia cinètica per poder superar la magnitud de l'energia d'activació. Llavors, aquestes molècules són aptes i capaços de ser part de la reacció.
Segons l'equació d'Arrhenius, el signe negatiu -que precedeix el quocient entre l'energia d'activació i el producte de la constant de gasos per la temperatura absoluta- implica que la constant de velocitat presenta decreixement a l'haver-hi un increment en l'energia d'activació, així com un creixement quan augmenta la temperatura.
Exemples de càlcul d'energia d'activació
Per calcular l'energia d'activació mitjançant la construcció d'una gràfica, d'acord amb l'equació d'Arrhenius, s'ha de les constants de velocitat per a la reacció de descomposició de l'acetaldehid s'han mesurat a cinc temperatures diferents i es vol determinar l'energia d'activació per a la reacció, la qual s'expressa com:
CH 3 CHO (g) → CH 4 (g) + CO (g)
Les dades de les cinc mesuraments són els següents:
k (1 / M 1/2 · s): 0,011 - 0,035-0,105 -,343-,789
T (K): 700 - 730-760 - 790-810
En primer lloc, per resoldre aquesta incògnita i determinar l'energia d'activació s'ha de construir un gràfic de ln k vs 1 / T (i vs x), per obtenir una línia recta i d'aquí prendre la pendent i trobar el valor de Ea, com s'ha explicat.
Transformant les dades dels mesuraments, segons l'equació d'Arrhenius es troben els següents valors per yyx, respectivament:
ln k: (-4,51) - (-3,35) - (-2,254) - (-1,070) - (-0,237)
1 / T (K -1): 1,43 * 10 -3 - 1,37 * 10 -3 - 1,32 * 10 -3 - 1,27 * 10 -3 - 1,23 * 10 -3
D'aquests valors i mitjançant el càlcul matemàtic del pendent -ja sigui en un ordinador o en una calculadora, mitjançant l'expressió m = (I 2 -I 1) / (X 2 -X 1) o utilitzant el mètode de regressió lineal- s'obté que m = -Ea / R = -2,09 * 10 4 K. Així:
Ea = (8,314 J / K · mol) (2,09 * 10 4 K)
= * 1,74 10 5 = 1,74 * 10 2 kJ / mol
Per determinar altres energies d'activació a través de la manera gràfica, es realitza un procediment similar.
referències
- Wikipedia. (Sf). Activation Energy. Recuperat de en.wikipedia.org
- Chang, R. (2007). Chemistry, Ninth edition. Mèxic: McGraw-Hill.
- Britannica, I. (sf). Activation energy. Obtingut de britannica.com
- Moore, JW i Pearson, RG (1961). Kinetics and Mechanism. Recuperat de books.google.co.ve
- Kaesche, H. (2003). Corrosion of Metals: Physicochemical Principles and Current Problems. Obtingut de books.google.co.ve