محتويات
العلاقة بين طاقة التنشيط وسرعة التفاعل الكيميائي هي
علاقة عكسية .
إن العلاقة بين طاقة التنشيط وسرعة التفاعل الكيميائي هي علاقة عكسية حيث ترتبط طاقة التنشيط بالتفاعل الكيميائي ارتباط كبير وبمعدلات كبيرة، وتتضح العلاقة بينهم في كيفية التفاعل فكلما زادت طاقة التنشيط كان التفاعل الكيميائي أبطأ، ويرجع ذلك إلى أن الجزيئات الموجودة يمكنها إكمال التفاعل بمجرد وصولها إلى قمة حاجز طاقة التنشيط، وعلى أساس ذلك كلما ارتفع الحاجز قل عدد الجزيئات التي سوف تكون لديها الطاقة الكافية المُتجاوزة في أي لحظة.
وعلى تلك المسألة يأتي سؤال آخر وهو لماذا تمتلك الجزيئات طاقة أكثر من غيرها؟ والإجابة هي أن الكثير من التفاعلات تحتوي على طاقة تنشيط عالية جدًا بحيث تستمر في الأصل على الإطلاق بدون أي إدخال، فعلى سبيل المثال يؤدي احتراق وقود وليكن البروبان إلى إطلاق طاقة، ولكن تنطلق بمعدل التفاعل الصفري أي يكون التفاعل فعليًا صفر في درجة حرارة الغرفة العادية. [1]
العلاقة بين طاقة التنشيط ودرجة الحرارة
علاقة مباشرة.
عادًة ما يكون مصدر طاقة التنشيط هو درجة الحرارة ويرجع ذلك إلى امتصاص الجزيئات المتفاعلة للطاقة الحرارية من محيطها الأصلي، حيث تعمل الطاقة الحرارية على تسريع حركة الجزيئات المتفاعلة بشكل مباشر، وبالتالي يزداد التواتر والقوة المتصادمة، كما يمكن أن تعمل أيضًا على تحريك الذرات والروابط داخل الجزيئات الفردية، مما يعمل على زيادة احتمالية كسر تلك الروابط، فبمجرد ما يتم امتصاص الجزيء المتفاعل الطاقة الكافية للوصول إلى الحالة الانتقالية.
يمكن حينها بكل بساطة أن يستمر من خلال ما تبقى من التفاعل الكلي، ولذلك نجد أن تسخين النظام سوف يؤدي إلى تفاعل المواد الكيميائية داخل النظام بشكل مستمر ومتكرر، مما يؤدي إلى زيادة الضغط على النظام الكلي الذي يمتلك نفس التأثير، وبمجرد ما يتم امتصاص المواد المتفاعلة للطاقة الحرارية الكافية للوصول للمحيط في حالة الانتقال يستمر التفاعل. [2]
تعريف طاقة التنشيط
هي الحد الأدنى من الطاقة المطلوبة لتنشيط الذرات أو الجزيئات.
يحدث التفاعل في حالات يمكن أن يخضع فيها إلى التحول الكيميائي أو النقل الفيزيائي وذلك وفقًا لنظرية الحالة الانتقالية التي تنص على أن طاقة التنشيط عبارة عن الاختلاف الناتج في محتوى الطاقة بين الذرات أو الجزيئات وذلك في تكوين الحالة المنشطة أو الحالة الانتقالية للذرات والجزيئات المقابلة.
يتم تحديد طاقة التنشيط لتفاعل معين من خلال المعدل الذي سوف يستمر به التفاعل، وبالتالي نلاحظ أنه كلما زادت طاقة التنشيط كان التفاعل الكيميائي أبطأ ومن أكثر الأمثلة وضوحًا مثال صدأ الحديد الذي يُمثل التفاعلات البطيئة، حيث يحدث التفاعل ببطء شديد بمرور الوقت بسبب ارتفاع مستوى الـ EA، وذلك إضافًة على حرق الكثير من أنواع الوقود الذي يحتوي على طاقة هائلة.
كل تلك التفاعلات في الأصل تحدث بمعدل ضئيل في حالة ما لم يتم التغلب على طاقة التنشيط بالحرارة الكافية من الشرارة، وذلك بمجرد أن تبدأ في الاحتراق مباشرًة، حيث تطلق التفاعلات الكيميائية الحرارة الكافية من أجل مواصلة عملية الاحتراق، مما يعمل على توفير طاقة التنشيط لجزيئات الوقود المحيطة. [2]
قانون طاقة التنشيط
k = A exp (- E a / RT )
في عام 1889 قام العالم السويدي أرهينيوس باقتراح معادلة تربط بين ثوابت طاقة التنشيط والتفاعلات الأخرى، حيث تمثل k ثابت المعدل ، و E a هي طاقة التنشيط ، و R هي ثابت الغاز المُقدر بـ 8.3145، و T هي درجة الحرارة بينما يُعرف A بعامل التردد الذي يحتوي على وحدات L mol 1 s −1، وعليه يُأخذ في الاعتبار تواتر التفاعلات الأخرى واحتماليات الاتجاه الجزئي الصحيح.
تُتيح لنا معادلة أرهينيوس حساب طاقة التنشيط في حالة إذا كان ثابت المعدل متعارف عليه بالإضافة إلى قدرتة على التعبير رياضيًا عن العلاقات التي قام بها سابقًا مع التفاعلات المختلفة، وبالتالي مع زيادة مصطلح طاقة التنشيط E a، ينخفض معدل ثابت k وبالتالي ينخفض معدل التفاعل، وبتلك الطريقة نكون قد أجبنا على سؤال ما العلاقة بين طاقة التنشيط وسرعة التفاعل الكيميائي. [3]
العامل الذي يقلل من طاقة التنشيط للتفاعل هو
المحفزات.
المحفزات هي المادة الوحيدة التي يمكن أن تقلل من طاقة تنشيط التفاعلات وذلك من خلال توفير مسارات بديلة من أجل استكمال التفاعلات الأخرى مما يؤدي في النهاية إلى زيادة معدل التفاعل، وغالبًا ما تحدث تلك التفاعلات خارج الخلايا حيث تكون طاقة التنشيط لمعظم التفاعلات الخلوية عالية جدًا ولا يمكن حينها للطاقة الحرارية التغلب عليها بمعدلات فعالة أخرى .
وذلك يكون من أجل حدوث التفاعلات الخلوية التي تحدث بشكل كبير وتحتاج إلى محفزات مما يقلل من طاقة التنشيط الكلية، وبتلك الطريقة يتم الإشارة إلى خفض طاقات التنشيط باسم التحفيز ويحدث ذلك في حالة الخلايا الحية، حيث تقوم الجزيئات الكبيرة مثل البروتينات والأحماض النووية الريبية ذات الطاقة الكبيرة بالتفكك وطرد الطاقة في حالة توفر درجات الحرارة الخلوية وحدها للطاقة الكافية للتفاعلات. [4]
العوامل المؤثرة على طاقة التنشيط
- درجة الحرارة.
- المحفزات.
هناك الكثير من العوامل المؤثرة على طاقة التنشيط الخاصة بالتفاعلات الكيميائية والتي ترتبط بمعدل تفاعلها بشكل كبير، أي يكون بمدى سرعة وبطء المواد المنتجة، فمع ارتفاع طاقة التنشيط يكون التفاعل الكيميائي أبطأ وبالتالي تكون العلاقة بين طاقة التنشيط وسرعة التفاعل الكيميائي علاقة عكسية.
ويرجع ذلك إلى الجزيئات التي يمكن أن تُكمل التفاعل بمجرد عبور حاجز التنشيط، حيث أنه كلما زاد الحاجز كلما قلت كمية الجزيئات التي يمكنها أن تتجاوز في نفس اللحظة، وعلى الرغم من ذلك نجد أن هناك بعض الجزيئات التي تكون أكثر نشاطًا من الجزيئات الأخرى، حيث تحتوي بعض التفاعلات على طاقة تنشيط عالية ولا يكون هناك تأثير بغياب الطاقة، ولذلك يكون هناك عوامل مؤثرة رافعة لطاقة التنشيط وأخرى خافضة وفيما يلي سوف نتعرف عليهم:
درجة الحرارة: يؤدي ارتفاع درجة الحرارة إلى تعزيز الاستجابة بشكل كبير مما يُزيد متوسط الطاقة الحركية للجزيئات المتفاعلة مع ارتفاع درجة الحرارة، وعلى ذلك يكون هناك جزء كبير أكبر من الحد الأدنى من الطاقة اللازمة للتصادم الفعلي للمواد المتفاعلة.
المحفزات: المحفزات عبارة عن مواد كيميائية تقوم بالمشاركة في العمليات الحيوية المختلفة دون أي استهلاك لها، حيث تعطي المحفزات مسارات مختلفة للتفاعلات من أجل الحصول على المنتجات، وبالتالي يلعبون دور مهم جدًا في الكثير من الأحداث البيولوجية والتي منها تقليل طاقة التنشيط للتفاعل. [5]
حل مسائل طاقة التنشيط
السؤال: إذا كان معدل التفاعل يتضاعف أربع مرات عندما تتغير درجة الحرارة من 290 إلى 330 كلفن، جد طاقة تنشيط التفاعل مع افتراض أن درجة الحرارة ثابتة ولا تتغير.
الحل:
T1 = 290 ك
T2 = 330 ألف
K2 = 4K1
من خلال كتابة معادلة معادلة أرهينيوس k = A exp (- E a / RT )، ووضع القيم المطلوبة نجد أن الناتج هو Ea = 1،103276.8 / 40 = 27،581.9 جول / مول Ea = 27.5819 كيلوجول / مول. [6]
