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, для взаємодії частинок необхідно, щоб їх енергія була більшою за енергію відштовхування (енергетичний бар'єр) між їхніми електронними оболонками.

Частина молекул у системі внаслідок перерозподілу енергії завжди має певний надмір енергії порівняно з середньою енергією молекул. Тому вони можуть подолати енергетичний бар'єр і вступити в хімічну взаємодію. Такі реакційнодатні молекули дістали назву активних молекул. Різниця між середньою енергією системи і енергією, необхідною для перебігу реакції, називається енергією активації реакції. Вона потрібна для подолання енергетичного бap'єру.

Наявність енергетичного бар'єру призводить до того, що багато які реакції, перебіг яких цілком можливий, самовільно не починаються. Наприклад, вугілля, дерево, нафта, які здатні окислюватись і горіти на повітрі, за звичайних умов не займаються. Це пов’язано з великою енергією активації відповідних реакцій окислення. Підвищення температури збільшує кількість активних молекул і тому дедалі більша кількість молекул кисню, вугілля, дерева і нафти має необхідний запас енергії для початку реакції. При певній темпера­турі швидкість реакції досягає певної величини і починається реак­ція горіння. Отже, під час хімічного процесу перехід системи вихідних речовин з енергетичним станом Е_вих у енергетичний стан продуктів реакції Е_пр здійснюється через енергетичний бар'єр, який дорівнює енергії активації системи ΔЕ_акт. При цьому тепловий ефект реакції дорівнює

∆H = E_пр - Е_вих

На рис.6.2 наведено енергетичну схему взаємодії водню і йоду. Характерною особливістю цієї реакції є те, що під час взаємодії актив­них молекул водню і йоду спочатку утворюється проміжна сполука

Н₂ • • • І₂, яка називається активним комплексом. Саме в цьому комплексі відбувається розрив зв'язків Н—Н і І—І і утворення нових зв'язків Н—І.

Я

Рис.6.2. Енергетична схема взаємодії водню і йоду

к видно з рис.6.2, енергія активації реакції ∆Е_акт менша за енергію дисоціації ∆Е_дис вихідних молекул на вільні атоми. Таким чином, перебіг реакції через проміжний ак­тивний комплекс енергетично вигідніший, ніж перебіг реак­ції через повний розрив зв'яз­ків вихідних молекул і утво­рення вільних атомів. Біль­шість хімічних реакцій відбу­вається через стадію утво­рення проміжних активних комплексів, а енергія їх утворення є енергією активації реакції.

Енергія активації ∆Е_акт — важлива характеристика хі­мічних перетворень. Саме енергія активації затримує або робить немож­ливими багато які реакції, які з погляду термодинаміки можуть відбу­ватися самовільно. Якби енергія активації для всіх реакцій дорівнювала нулю (∆Е_акт = 0), то в природі відбувалося б безліч хаотичних хімічних реакцій, для яких величина ∆G від'ємна. Так, вугілля і наф­та при контакті з повітрям загорілися б, азот повітря і вода утворили б розчин азотної кислоти, живі клітини зруйнувалися б внаслідок гідролізу.

Отже, існування багатьох молекул, кристалічних речовин і навіть живих клітин можливе лише тому, що їхні перетворення і руйнуван­ня пов'язані з подоланням значного енергетичного бар'єру.