Aktivierungsenergie ist der Mindestbetrag von Energie erforderlich, um a zu initiieren Reaktion. Dies ist die Höhe der potentiellen Energiebarriere zwischen den potentiellen Energieminima der Reaktanten und Produkte. Aktivierungsenergie wird mit E bezeichnetein und hat typischerweise Einheiten von Kilojoule pro Mol (kJ / mol) oder Kilokalorien pro Mol (kcal / mol). Der Begriff "Aktivierungsenergie" wurde 1889 vom schwedischen Wissenschaftler Svante Arrhenius eingeführt. Die Arrhenius-Gleichung bezieht die Aktivierungsenergie auf die Bewertung bei dem eine chemische Reaktion abläuft:
k = Ae-Ea / (RT)
wobei k der Reaktionsgeschwindigkeitskoeffizient ist, A der Frequenzfaktor für die Reaktion ist, e die irrationale Zahl ist (ungefähr gleich 2,718), E.ein ist die Aktivierungsenergie, R ist die universelle Gaskonstante und T ist die absolute Temperatur (Kelvin).
Aus der Arrhenius-Gleichung ist ersichtlich, dass sich die Reaktionsgeschwindigkeit mit der Temperatur ändert. Normalerweise bedeutet dies, dass eine chemische Reaktion bei einer höheren Temperatur schneller abläuft. Es gibt jedoch einige Fälle von "negativer Aktivierungsenergie", bei denen die Reaktionsgeschwindigkeit mit der Temperatur abnimmt.
Warum wird Aktivierungsenergie benötigt?
Wenn Sie zwei Chemikalien miteinander mischen, tritt natürlich nur eine geringe Anzahl von Kollisionen zwischen den Reaktantenmolekülen auf, um Produkte herzustellen. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Moleküle haben niedrige kinetische Energie. Bevor also ein erheblicher Teil der Reaktanten in Produkte umgewandelt werden kann, muss die freie Energie des Systems überwunden werden. Die Aktivierungsenergie gibt der Reaktion den kleinen zusätzlichen Schub, der benötigt wird, um loszulegen. Sogar exotherme Reaktionen benötigen Aktivierungsenergie, um loszulegen. Zum Beispiel beginnt ein Holzstapel nicht von alleine zu brennen. Ein brennendes Streichholz kann die Aktivierungsenergie liefern, um die Verbrennung zu starten. Sobald die chemische Reaktion beginnt, liefert die durch die Reaktion freigesetzte Wärme die Aktivierungsenergie, um mehr Reaktanten in Produkt umzuwandeln.
Manchmal läuft eine chemische Reaktion ab, ohne dass zusätzliche Energie hinzugefügt wird. In diesem Fall wird die Aktivierungsenergie der Reaktion üblicherweise durch Wärme von der Umgebungstemperatur geliefert. Wärme erhöht die Bewegung der Reaktantenmoleküle, verbessert ihre Kollisionswahrscheinlichkeit und erhöht die Kraft der Kollisionen. Die Kombination macht es wahrscheinlicher, dass Bindungen zwischen Reaktanten brechen, was die Bildung von Produkten ermöglicht.
Katalysatoren und Aktivierungsenergie
Eine Substanz, die die Aktivierungsenergie einer chemischen Reaktion senkt, heißt a Katalysator. Grundsätzlich wirkt ein Katalysator durch Modifizieren des Übergangszustands einer Reaktion. Katalysatoren werden von der chemischen Reaktion nicht verbraucht und verändern die Gleichgewichtskonstante der Reaktion nicht.
Beziehung zwischen Aktivierungsenergie und Gibbs-Energie
Aktivierungsenergie ist ein Begriff in der Arrhenius-Gleichung, der zur Berechnung der Energie verwendet wird, die zur Überwindung des Übergangszustands von Reaktanten zu Produkten benötigt wird. Die Eyring-Gleichung ist eine weitere Beziehung, die die Reaktionsgeschwindigkeit beschreibt, außer dass anstelle der Aktivierungsenergie die Gibbs-Energie des Übergangszustands enthalten ist. Die Gibbs-Energie des Übergangszustands beeinflusst sowohl die Enthalpie als auch die Entropie einer Reaktion. Aktivierungsenergie und Gibbs-Energie sind verwandt, aber nicht austauschbar.