Aktivační energie

Aktivační energie popisuje bariéru spojenou s dosažením vysokoenergetické oblasti reakční dráhy. Reakce může být termodynamicky výhodná, a přesto velmi pomalá, pokud jen malá část molekulárních konfigurací dokáže přes tuto bariéru projít.

Eₐxi

Energetický profil ukazuje bariéru, ne jen bilanci

V grafu energie proti reakční souřadnici mohou reaktanty a produkty ležet na různých úrovních, ale rychlost závisí hlavně na cestě k maximu. Rozdíl mezi počátečním stavem a přechodovou oblastí představuje aktivační bariéru.

ΔH nebo ΔG reakce porovnává počáteční a konečný stav. Samo neříká, jak vysoká je bariéra mezi nimi, takže silně exergonická reakce nemusí být rychlá.

Arrheniova rovnice propojuje bariéru s rychlostí

V jednoduchém popisu k = A exp(−Eₐ/RT). Vyšší T zmenšuje Eₐ/RT, takže k může prudce růst. Faktor A zahrnuje četnost a geometrii účinných molekulárních setkání.

Tvar ln k = ln A − Eₐ/(RT) dává v vhodném rozsahu přímku ln k proti 1/T se směrnicí −Eₐ/R. Teplota musí být vždy v kelvinech.

Změna k s teplotou

Katalyzátor vytváří jinou reakční cestu

Katalyzátor může stabilizovat jiné meziprodukty a přechodové konfigurace, takže nejvyšší bariéra nové cesty je nižší. Často tedy nemění jen jeden vrchol, ale celý sled elementárních kroků.

Počáteční a konečný stav zůstávají stejné, takže katalyzátor nemění ΔG reakce ani K. Urychluje dopředný i zpětný směr a pomáhá rychleji dosáhnout stejné rovnováhy.

Samotná energie bez správné orientace nestačí

Srážka dvou částic se nestane automaticky reaktivní pouze překročením energetického prahu. Vazby se musí přeskupit ve vhodné geometrii a přechodový stav není běžná izolovatelná molekula.

Ve vícestupňové reakci má každý elementární krok vlastní bariéru. Největší bariéra často silně ovlivňuje rychlost, ale při spřažených krocích a předrovnováhách je pojem jediného rychlost určujícího kroku pouze aproximací.

Měření poskytuje efektivní bariéru

Mezi dvěma teplotami lze použít ln(k₂/k₁) = −Eₐ/R(1/T₂ − 1/T₁), čímž se odstraní neznámý faktor A. Při neměnném mechanismu jde o praktický odhad Eₐ.

Podrobnější teorie používá aktivační volnou energii ΔG‡, takže záleží také na entropii přechodové konfigurace. Změní-li se mechanismus s teplotou, jediná aktivační energie celý rozsah nevystihne.

Bariéra je důležitá i pro bezpečnost

U exotermické reakce může růst teploty zvýšit k, tím zvýšit rychlost vývinu tepla a teplotu dále zvedat. Tato kladná zpětná vazba stojí za tepelným únikem v nedostatečně chlazených systémech.

Návrh reaktoru proto vyžaduje kinetická data, přenos tepla a hmoty i znalost možných změn mechanismu. Samotné ΔH < 0 neříká, zda bude proces bezpečný nebo rychlý.

Řešené příklady

1. Zvýšení o 10 K

Řešení

Pro Eₐ = 80 kJ/mol může zvýšení 298 → 308 K zvětšit k asi 2,9krát.

2. Katalyzátor

Řešení

Nižší bariéra znamená větší k, ale ΔG reakce a K se nemění.

3. Arrheniův graf

Řešení

Směrnice grafu ln k proti 1/T je −Eₐ/R, pokud se mechanismus v rozsahu nemění.