6.4 Енергія активації
Як зазначалось, умовою елементарного акту взаємодії є зіткнення частинок реагуючих речовин. Проте не кожне зіткнення може спричинити хімічну взаємодію. Справді, хімічна взаємодія передбачає перерозподіл електронної густини, утворення нових хімічних зв’язків і перегрупування атомів. Отже, крім зіткнення енергія реагуючих частинок має бути більшою за енергію відштовхування (енергетичний бар’єр) між їхніми електронними оболонками.
Внаслідок перерозподілу енергії частина молекул у системі завжди має певний надлишок енергії порівняно з середньою енергією молекул. Тому вони можуть подолати енергетичний бар’єр і вступити в хімічну взаємодію. Такі частинки називають активними. Різниця між середньою енергією системи і енергією, необхідною для перебігу реакції, називається енергією активації реакції. Вона потрібна для подолання енергетичного бар’єру. Її визначають експериментально та виражають у кДж/моль.
З підвищенням температури енергія системи зростає, відповідно зростає і число активних частинок. Угруповання активних частинок (активовані комплекси) приймають участь у перерозподілі хімічних зв’язків.
Вони менш стійкі, ніж вихідні речовини або продукти реакції. Таким чином, при хімічному перетворенні перехід системи з енергетичного стану ΣΔHвих у стан ΣΔHвих здійснюється через енергетичний бар’єр. Енергетичні схеми перебігу реакцій:
H2 + I2 = 2HI, ΔH = –17 кДж,
2HI = H2 + I2, ΔH = +17 кДж
наведені на рисунку 6.2, де по осі ординат відкладена потенціальна енергія системи, а ось абсцис є координатою реакції, яка характеризує зміни у між’ядерних відстанях.
Якщо реакція екзотермічна, то загальний запас енергії продуктів реакції менший, ніж вихідних речовин. Відповідно, внаслідок такої реакції система переходить на нижчий енергетичний рівень. Різниця початкового та кінцевого енергетичних станів системи (ΣΔHвих – ΣΔHвих) складає тепловий ефект реакції.
Рисунок 6.2 – Енергетична схема перебігу
реакції Н2 + І2 ↔ 2НІ при 600–800 К
Рівень К визначає той найменший запас енергії, яким повинні характеризуватися молекули, щоб їх зіткнення могли призводити до хімічної взаємодії. Різниця між цим та вихідним рівнями енергії є енергією активації реакції.
Таким чином, схема перебігу реакції між воднем та йодом, приведена вище, має вигляд: вихідні речовини – проміжна сполука – кінцеві продукти. Активні молекули Н2 та І2 при зіткненні об’єднуються в активований комплекс, в якому водночас з розривом зв’язків Н – Н та І – І утворюються зв’язки Н – І.
Внаслідок утворення активованого комплексу енергія активації реакції (168 кДж/моль) виявляється значно меншою, ніж енергія, яка необхідна для повного розриву зв’язків Н – Н та І – І. Тому для здійснення більшості реакцій кожна пара частинок повинна пройти через конфігурацію, проміжну між вихідною та кінцевою. Таку конфігурацію називають активованим комплексом.
Наявність енергетичного бар’єру призводить до того, що багато реакцій, перебіг яких цілком можливий, самовільно не починаються. Наприклад, вугілля, деревина, нафта, здатні окиснюватись і горіти на повітрі, але за звичайних умов вони не займаються. Це пов’язано з великою енергією активації відповідних реакцій окиснення. Підвищення температури збільшує кількість активних молекул, і тому дедалі більше молекул кисню, вугілля, деревини і нафти набувають необхідного запасу енергії для початку реакції. При певній температурі швидкість реакції досягає певної величини, і починається реакція горіння.