Čo je aktivačná energia alebo Ea v chémii
Aktivačná energia je minimálne množstvo energie potrebnej na zahájenie reakcie. Je to výška potenciálnej energetickej bariéry medzi minimami potenciálnej energie reaktantov a produktov. Aktivačná energia je označená E a má typicky jednotky kilojoulov na mol (kJ/mol) alebo kilokalórií na mol (kcal/mol). Termín „aktivačná energia“ zaviedol švédsky vedec Svante Arrhenius v roku 1889. Arrheniova rovnica súvisí s energiou s rýchlosťou aktivácie, pri ktorej dochádza k chemickej reakcii:
kde k je koeficient reakčnej rýchlosti, A je frekvenčný faktor pre reakciu, e je iracionálne číslo (približne rovné 2,718), E a je aktivačná energia, R je univerzálna plynová konštanta a T je absolútna teplota (Kelvin).
Z Arrheniovej rovnice vidno, že rýchlosť reakcie sa mení podľa teploty. Zvyčajne to znamená, že chemická reakcia prebieha rýchlejšie pri vyššej teplote. Existujú však prípady „negatívnej aktivačnej energie“, pri ktorých rýchlosť reakcie klesá s teplotou.
Prečo je potrebná aktivačná energia?
Ak zmiešate dve chemikálie dohromady, dôjde medzi molekulami reaktantov k vzniku produktov prirodzene len k malému počtu kolízií. Platí to najmä vtedy, keď majú molekuly nižšiu kinetickú energiu. Takže skôr, ako sa značná časť reaktantov prevedie na produkty, musí sa prekonať voľná energia systému. Aktivačná energia dáva reakcii, že na spustenie niečoho treba viac ťahu. Exotermické reakcie tiež vyžadujú na začiatok aktivačnú energiu. Napríklad žiadna hromada dreva nezačne horieť sama od seba. Zapálená zápalka môže poskytnúť aktivačnú energiu na spustenie spaľovania. Akonáhle začne chemická reakcia, teplo uvoľnené reakciou dodáva aktivačnú energiu na premenu väčšej časti reaktantu v produkte.
Niekedy prebehne chemická reakcia bez pridania ďalšej energie. V tomto prípade je aktivačná energia reakcie zvyčajne dodávaná teplom z teploty okolia. Teplo zvyšuje pohyb molekúl reaktantov, zlepšuje ich rýchlosť vzájomných zrážok a zvyšuje silu zrážky. Táto kombinácia zvyšuje pravdepodobnosť rozbitia väzieb medzi reaktantmi, čo umožňuje tvorbu produktov.
Katalyzátory a aktivačná energia
Látka, ktorá znižuje aktivačnú energiu chemickej reakcie, sa nazýva katalyzátor. Katalyzátor v zásade účinkuje prostredníctvom prechodného stavu modifikovanej reakcie. Katalyzátory nie sú spotrebované chemickou reakciou a nemusia meniť rovnovážnu konštantu reakcie.
Vzťah medzi aktivačnou energiou a Gibbsovou energiou
Aktivačná energia je pojem v Arrheniovej rovnici, ktorý sa používa na výpočet energie potrebnej na prekonanie stavu prechodu z reaktantov na produkty. Eyringova rovnica je ďalší vzťah, ktorý popisuje rýchlosť reakcie okrem toho, že namiesto použitia aktivačnej energie obsahuje Gibbsovu energiu v prechodnom stave. Voľná energia faktorov prechodného stavu je v entalpii aj entropii reakcie. Aktivačná energia a Gibbsova energia spolu súvisia, ale nie sú zameniteľné.