Aktivéierungsenergie

Eng Reaktioun ka thermodynamesch favorabel sinn an awer ganz lues verlafen. D’Aktivéierungsenergie beschreift d’kinetesch Barrière, déi d’Reaktante mussen iwwerwannen, ier si zu Produiten ëmgebaut kënne ginn.

EₐReaktantenProdukterIwwergangszoustandReaktiounskoordinat
Och eng thermodynamesch favorabel Reaktioun muss eng Barrière iwwerwannen. D’Aktivéierungsenergie beaflosst d’Vitesse staark, mee net d’Virzeeche vum ΔG.

Kinetesch Barrière an thermodynamesch Driffkraaft si verschidden

Reaktante mussen eng méi héichenergetesch Konfiguratioun erreechen, ier Bindunge passend gebrach a nei geformt kënne ginn. D’Aktivéierungsenergie Eₐ beschreift dës kinetesch Barrière.

Eng Reaktioun kann ΔG<0 hunn a praktesch net observéierbar sinn, wann d’Barrière grouss ass. Thermodynamik seet, wéi eng Richtung favorabel ass; Kinetik seet, wéi séier de System sech beweegt.

Arrhenius-Gleichung

k = A e−Eₐ/RT

ln k = ln A − Eₐ/(RT)

k ass d’Geschwindegkeetskonstant, A de preexponentielle Faktor, R d’Gaskonstant an T d’absolut Temperatur. Well T am Exponent steet, kann eng kleng Erwiermung k staark veränneren.

Eng Grafik vu ln k géint 1/T huet bei Arrhenius-Verhalen d’Steigung −Eₐ/R.

net katalyséiertkatalyséiert
E Katalysator bitt en anere Wee mat enger méi niddreger Barrière. Hie verännert weder ΔG nach d’Gläichgewiichtskonstant.

Katalysatoren a Reaktiounsmechanismen

E Katalysator hëlt un elementare Schrëtt deel a gëtt am Ganzen erëm regeneréiert. Hie kann aner Tëscheprodukter oder Iwwergangskonfiguratioune stabiliséieren an esou e Wee mat enger méi klenger héchster Barrière schafen.

Hie beschleunegt direkt an ëmgedréint Reaktioun. ΔG° an d’Gläichgewiichtskonstant bleiwen onverännert. Enzyme si selektiv, well si Substrate orientéieren a bestëmmte Ladungsverdeelunge stabiliséieren.

Iwwergangszoustand a molekular Orientatioun

Genuch Energie eleng mécht net all Kollisioun produktiv. D’Moleküle mussen och esou zesummekommen, datt d’Bindungen an déi richteg Richtung reorganiséiert kënne ginn.

Den Iwwergangszoustand ass keng normal isoléierbar Molekül, mee de Beräich mat héchster Energie laanscht eng gewielte Reaktiounskoordinat. Bei engem méistufege Mechanismus huet all Schrëtt seng eege Barrière.

Bei engem Mechanismus mat méi Schrëtt huet all elementare Schrëtt seng eege Barrière. Vun engem eenzege „vitessebestëmmende Schrëtt“ ze schwätzen ass dacks eng nëtzlech Approximatioun, mee gekoppelt Schrëtt kënnen dozou féieren, datt déi observéiert Vitesse vum ganze Mechanismus ofhänkt.

Temperatur-Sensibilitéit a Sécherheet

Bei exotherme Prozesser kann eng Erwiermung k erhéijen, d’Reaktioun beschleunegen an domat nach méi Hëtzt produzéieren. Industrieprozesser brauchen dofir Hëtztentzug, Mëschung a kinetesch Daten.

Eng Eₐ aus engem Arrhenius-Plot ass dacks nëmmen iwwer e bestëmmten Temperaturberäich effektiv. Wann de Mechanismus, d’Phas oder den Transportregime wiesselt, kann d’Linn sech änneren.

Aktivéierungsbarrièren an reale Miessungen

Zwee-Temperaturen-Method

ln(k₂/k₁) = −(Eₐ/R)(1/T₂ − 1/T₁)

Dës Form eliminéiert den onbekannte Faktor A. T muss a Kelvin agesat ginn.

Déi detailléiert Barrière ass eng fräi Energie

D’Iwwergangszoustandstheorie benotzt dacks ΔG‡. D’Vitesse-Skala ass proportional zu exp(−ΔG‡/RT), esou datt och d’Aktivéierungsentropie eng Roll spille kann.

Zwou Reaktiounsweeër mat änleche potenziellen Energiehéichten kënnen ënnerschiddlech séier sinn, wann eng Iwwergangskonfiguratioun d’Orientéierung oder d’Beweegung vill méi staark aschränkt. Dofir kann d’Aktivéierungsentropie e moossbare Bäitrag zu ΔG‡ leeschten.

Katalyse kann déi ganz Sequenz änneren

En heterogene Katalysator adsorbéiert Reaktanten, eng Säure kann Protonen transferéieren an en Enzym Substrate positionéieren. Dobäi kënnen nei Tëscheprodukter a verschidde méi kleng Barrièren entstoen.

Beispill: firwat 10 K vill ausmaache kënnen

Fir Eₐ=80 kJ mol⁻¹ gëtt d’Arrhenius-Verhältnis vu 298 K op 308 K k₂/k₁≈2,85. Eng Erhéijung ëm zéng Kelvin mécht k an dësem Beispill bal dräimol méi grouss.

Übungen

Thermodynamik géint Kinetik

Eng Reaktioun huet ΔG<0, mee et geschitt näischt Siichtbares. Eng méiglech Ursaach?

Léisung

Eng grouss Aktivéierungsbarrière kann d’Vitesse extrem kleng maachen.

Katalysator

Verännert e Katalysator ΔG°?

Léisung

Nee. Hie verännert de Wee an d’Barrière, net den Energieënnerscheed tëscht Ufank an Enn.

Arrhenius-Plot

Wat ass d’Steigung vu ln k géint 1/T?

Léisung

−Eₐ/R.