ÉNERGIE D'ACTIVATION CHIMIQUE: EN QUOI ELLE CONSISTE, CALCUL - CHIMIE - 2024

L' énergie d'activation chimique (du point de vue des études cinétiques) fait référence à la moindre quantité d'énergie nécessaire pour démarrer une réaction chimique. Selon la théorie des collisions en cinétique chimique, toutes les molécules en mouvement sont dites avoir une certaine quantité d'énergie cinétique.

Cela signifie que plus la vitesse de son mouvement est grande, plus la magnitude de son énergie cinétique est grande. En ce sens, une molécule qui porte un mouvement rapide ne peut pas être divisée en fragments par elle-même, donc une collision doit se produire entre elle et une autre molécule pour qu'une réaction chimique ait lieu.

Lorsque cela se produit - lors d'une collision entre les molécules - une fraction de leur énergie cinétique est transformée en énergie vibrationnelle. De même, si au début du processus l'énergie cinétique est élevée, les molécules qui participent à la collision présenteront une telle vibration que certaines des liaisons chimiques présentes seront rompues.

Cette rupture des liaisons constitue la première étape de la transformation des réactifs en produits; c'est-à-dire dans la formation de ceux-ci. Au contraire, si au début de ce processus l'énergie cinétique est de faible ampleur, il y aura un phénomène de «rebond» des molécules, à travers lequel elles se sépareront pratiquement intactes.

En quoi consiste?

En partant du concept de collisions entre molécules pour initier des réactions chimiques précédemment décrites, on peut dire qu'il y a une quantité minimale d'énergie requise pour qu'une collision se produise.

Ainsi, si la valeur d'énergie est inférieure à ce minimum nécessaire, il n'y aura simplement aucune altération entre les molécules après la collision, ce qui signifie que lorsque cette énergie est absente, les espèces impliquées restent pratiquement intactes et cela ne se produira pas. tout changement dû à ce crash.

Dans cet ordre d'idées, l'énergie minimale nécessaire pour qu'un changement se produise après une collision entre molécules est appelée énergie d'activation.

En d'autres termes, les molécules impliquées dans une collision doivent posséder une quantité totale d'énergie cinétique égale ou supérieure à l'énergie d'activation pour qu'une réaction chimique se produise.

De même, dans de nombreux cas, les molécules entrent en collision et donnent naissance à une nouvelle espèce appelée complexe activé, une structure également appelée «état de transition» car elle n'existe que temporairement.

Elle est causée par les espèces en réaction en raison de la collision et avant la formation des produits de réaction.

Complexe activé

Le complexe activé susmentionné forme une espèce qui a une très faible stabilité mais qui, à son tour, a une grande amplitude d'énergie potentielle.

Le diagramme suivant montre la transformation des réactifs en produits, exprimée en termes d'énergie et en notant que la grandeur de l'énergie du complexe activé qui se forme est considérablement supérieure à celle des réactifs et des produits.

Si à la fin de la réaction les produits ont une plus grande stabilité que les substances réactives, la libération d'énergie sous forme de chaleur se produit, donnant une réaction exothermique.

Au contraire, si les réactifs résultent avec une stabilité de plus grande ampleur que les produits, cela signifie que le mélange réactionnel manifeste une absorption d'énergie sous forme de chaleur de son environnement, entraînant une réaction endothermique.

De même, si un cas ou l'autre se produit, un diagramme comme celui montré précédemment doit être construit, où l'énergie potentielle du système qui réagit contre l'avance ou la progression de la réaction est tracée.

Ainsi, les changements d'énergie potentielle qui se produisent au fur et à mesure que la réaction se déroule et que les réactifs sont transformés en produits sont obtenus.

Comment est-il calculé?

L'énergie d'activation d'une réaction chimique est étroitement liée à la constante de vitesse de ladite réaction, et la dépendance de cette constante par rapport à la température est représentée par l'équation d'Arrhenius:

k = Ae ^{-Ea / RT}

Dans cette expression, k représente la constante de vitesse de la réaction (qui dépend de la température) et le paramètre A est appelé le facteur de fréquence, et est une mesure de la fréquence des collisions entre molécules.

Pour sa part, e exprime la base de la série des logarithmes naturels. Il est porté à une puissance égale au quotient négatif de l'énergie d'activation (Ea) entre le produit résultant de la constante de gaz (R) et la température absolue (T) du système à considérer.

Il convient de noter que le facteur de fréquence peut être considéré comme une constante dans certains systèmes réactionnels sur une large plage de températures.

Cette expression mathématique a été initialement assumée par le chimiste néerlandais Jacobus Henricus van't Hoff en 1884, mais celui qui lui a donné une validité scientifique et en a interprété les prémisses était le chimiste suédois Svante Arrhenius, en 1889.

Calcul de l'énergie d'activation d'une réaction chimique

L'équation d'Arrhenius spécifie la proportionnalité directe qui existe entre la constante de vitesse d'une réaction et la fréquence des collisions entre molécules.

De même, cette équation peut être représentée de manière plus pratique en appliquant la propriété des logarithmes naturels à chaque côté de l'équation, obtenant:

ln k = ln A - Ea / RT

Lorsque les termes sont réarrangés en termes d'obtention de l'équation d'une droite (y = mx + b), l'expression suivante est obtenue:

ln k = (- Ea / R) (1 / T) + ln A

Ainsi, lors de la construction d'un graphique de ln k contre 1 / T, une ligne droite est obtenue, où ln k représente la coordonnée et, (-Ea / R) représente la pente de la droite (m), (1 / T) représente la coordonnée x et ln A représente l'intersection avec l'axe des ordonnées (b).

Comme on peut le voir, la pente résultant de ce calcul est égale à la valeur de –Ea / R. Cela implique que, si vous souhaitez obtenir la valeur de l'énergie d'activation au moyen de cette expression, vous devez effectuer une clarification simple, aboutissant à:

Ea = –mR

Ici, nous connaissons la valeur de m et R est une constante égale à 8,314 J / K · mol.

Comment l'énergie d'activation affecte-t-elle la vitesse d'une réaction?

Lorsque vous essayez d'obtenir une image de l'énergie d'activation, cela peut être considéré comme une barrière qui ne permet pas à une réaction de se produire entre les molécules d'énergie inférieure.

Comme dans une réaction courante, il arrive que le nombre de molécules capables de réagir soit assez grand, la vitesse - et de manière équivalente, l'énergie cinétique de ces molécules - peut être très variable.

Généralement, il arrive que seul un petit nombre de toutes les molécules qui subissent une collision - celles qui ont une plus grande vitesse de mouvement - ont suffisamment d'énergie cinétique pour pouvoir dépasser la magnitude de l'énergie d'activation. Donc, ces molécules sont aptes et capables de faire partie de la réaction.

Selon l'équation d'Arrhenius, le signe négatif - qui précède le quotient entre l'énergie d'activation et le produit de la constante de gaz et de la température absolue - implique que la constante de vitesse montre une diminution car il y a une augmentation de l'énergie d'activation, ainsi qu'une croissance lorsque la température augmente.

Exemples de calcul d'énergie d'activation

Pour calculer l'énergie d'activation en construisant un graphique, selon l'équation d'Arrhenius, les constantes de vitesse de la réaction de décomposition de l'acétaldéhyde ont été mesurées à cinq températures différentes et on souhaite déterminer l'énergie d'activation pour la réaction, qui s'exprime par:

CH ₃ CHO (g) → CH ₄ (g) + CO (g)

Les données pour les cinq mesures sont les suivantes:

k (1 / M ^1/2 s): 0,011 - 0,035 - 0,105 - 0,343 - 0,789

T (K): 700 - 730 - 760 - 790 - 810

Tout d'abord, pour résoudre cette inconnue et déterminer l'énergie d'activation, il faut construire un graphe de ln k vs 1 / T (y vs x), pour obtenir une droite et à partir de là prendre la pente et trouver la valeur de Ea, comme expliqué.

En transformant les données de mesure, selon l'équation d'Arrhenius, les valeurs suivantes sont trouvées pour y et x, respectivement:

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

A partir de ces valeurs et par le calcul mathématique de la pente - soit sur un ordinateur ou une calculatrice, en utilisant l'expression m = (Y ₂ -Y ₁) / (X ₂ -X ₁) ou en utilisant la méthode de régression linéaire- on obtient que m = -Ea / R = -2,09 * 10 ⁴ K. Ainsi:

Ea = (8,314 J / K mol) (2,09 * 10 ⁴ K)

= 1,74 * 10 ⁵ = 1,74 * 10 ² kJ / mol

Pour déterminer graphiquement d'autres énergies d'activation, une procédure similaire est effectuée.

Références

1. Wikipédia. (sf). Énergie d'activation. Récupéré de en.wikipedia.org
2. Chang, R. (2007). Chimie, neuvième édition. Mexique: McGraw-Hill.
3. Britannica, E. (nd). Énergie d'activation. Récupéré de britannica.com
4. Moore, JW et Pearson, RG (1961). Cinétique et mécanisme. Récupéré de books.google.co.ve
5. Kaesche, H. (2003). Corrosion des métaux: principes physicochimiques et problèmes actuels. Obtenu sur books.google.co.ve