रासायनिक सक्रियण ऊर्जा: इसमें क्या होता है, गणना - रसायन विज्ञान - 2025

रासायनिक सक्रियण की ऊर्जा (गतिज अध्ययन के दृष्टिकोण से) रासायनिक प्रतिक्रिया शुरू करने के लिए आवश्यक ऊर्जा की कम से कम मात्रा को संदर्भित करती है। रासायनिक कैनेटीक्स में टकराव के सिद्धांत के अनुसार, सभी अणु जो गति में हैं, उन्हें निश्चित मात्रा में गतिज ऊर्जा कहा जाता है।

इसका अर्थ है कि इसकी गति जितनी अधिक होगी, इसकी गतिज ऊर्जा का परिमाण भी उतना ही अधिक होगा। इस अर्थ में, एक अणु जो तेजी से गति करता है उसे अपने आप ही टुकड़ों में नहीं विभाजित किया जा सकता है, इसलिए इसके बीच एक टक्कर और रासायनिक प्रतिक्रिया के लिए एक अन्य अणु होना चाहिए।

जब ऐसा होता है - जब अणुओं के बीच टकराव होता है - उनकी गतिज ऊर्जा का एक हिस्सा कंपन ऊर्जा में बदल जाता है। इसी तरह, अगर इस प्रक्रिया की शुरुआत में गतिज ऊर्जा अधिक होती है, तो जो अणु टकराव में भाग लेते हैं, उनमें इतना बड़ा कंपन होगा कि मौजूद कुछ रासायनिक बंधन टूट जाएंगे।

बॉन्ड के इस ब्रेकिंग से उत्पादों में अभिकारकों के परिवर्तन में पहला कदम बनता है; यह कहना है, इन के गठन में। इसके विपरीत, यदि इस प्रक्रिया की शुरुआत में गतिज ऊर्जा छोटे परिमाण की होती है, तो अणुओं के "पुनर्जन्म" की घटना होगी, जिसके माध्यम से वे व्यावहारिक रूप से बरकरार रहेंगे।

इसमें क्या शामिल होता है?

पहले वर्णित रासायनिक प्रतिक्रियाओं को शुरू करने के लिए अणुओं के बीच टकराव की अवधारणा से शुरू, यह कहा जा सकता है कि टक्कर होने के लिए न्यूनतम ऊर्जा की आवश्यकता होती है।

इसलिए, यदि ऊर्जा मूल्य इस आवश्यक न्यूनतम से कम है, तो टक्कर होने के बाद अणुओं के बीच बस कोई फेरबदल नहीं होगा, जिसका अर्थ है कि जब यह ऊर्जा अनुपस्थित होती है, तो शामिल प्रजातियां व्यावहारिक रूप से बरकरार रहती हैं और ऐसा नहीं होगा। इस दुर्घटना के कारण कोई भी परिवर्तन।

विचारों के इस क्रम में, अणुओं के बीच टकराव के बाद होने वाले परिवर्तन के लिए आवश्यक न्यूनतम ऊर्जा को सक्रियण ऊर्जा कहा जाता है।

दूसरे शब्दों में, एक टकराव में शामिल अणुओं में रासायनिक प्रतिक्रिया होने के लिए सक्रियण ऊर्जा के बराबर या उससे अधिक गतिज ऊर्जा होती है।

इसी तरह, कई मामलों में अणु टकराते हैं और सक्रिय परिसर नामक एक नई प्रजाति को जन्म देते हैं, एक संरचना जिसे "संक्रमण राज्य" भी कहा जाता है क्योंकि यह केवल अस्थायी रूप से मौजूद है।

यह टक्कर के कारण प्रतिक्रियाशील प्रजातियों के कारण होता है और प्रतिक्रिया उत्पादों के गठन से पहले होता है।

सक्रिय जटिल

पूर्वोक्त सक्रिय कॉम्प्लेक्स एक ऐसी प्रजाति बनाता है, जिसमें बहुत कम स्थिरता होती है, लेकिन जो बदले में, संभावित ऊर्जा का एक बड़ा परिमाण है।

निम्नलिखित आरेख ऊर्जा के संदर्भ में व्यक्त किए गए उत्पादों के प्रति अभिकारकों के परिवर्तन को दर्शाता है और यह देखते हुए कि सक्रिय परिसर की ऊर्जा का परिमाण प्रतिक्रियाशील और उत्पादों की तुलना में काफी अधिक है।

यदि प्रतिक्रिया के अंत में उत्पादों में प्रतिक्रियाशील पदार्थों की तुलना में अधिक स्थिरता होती है, तो ऊष्मा के रूप में ऊर्जा की रिहाई होती है, जिससे एक एक्ज़ोथिर्मिक प्रतिक्रिया होती है।

इसके विपरीत, यदि अभिकारकों का परिणाम उत्पादों की तुलना में अधिक परिमाण की स्थिरता के साथ होता है, तो इसका मतलब है कि प्रतिक्रिया मिश्रण अपने आसपास से गर्मी के रूप में ऊर्जा के अवशोषण को प्रकट करता है, जिसके परिणामस्वरूप एक एंडोथर्मिक प्रतिक्रिया होती है।

इसी तरह, अगर एक मामला या दूसरा होता है, तो पहले दिखाया गया एक चित्र जैसा निर्माण किया जाना चाहिए, जहां सिस्टम की संभावित ऊर्जा जो प्रतिक्रिया की प्रगति या प्रगति के खिलाफ प्रतिक्रिया करती है, उसे प्लॉट किया जाता है।

इस प्रकार, संभावित ऊर्जा परिवर्तन जो प्रतिक्रिया के रूप में होते हैं और अभिकारकों को उत्पादों में बदल दिया जाता है।

इसकी गणना कैसे की जाती है?

एक रासायनिक प्रतिक्रिया की सक्रियता ऊर्जा उक्त प्रतिक्रिया की दर स्थिर रूप से संबंधित होती है, और तापमान के संबंध में इस स्थिरांक की निर्भरता Arrhenius समीकरण द्वारा दर्शायी जाती है:

k = Ae ^{-Ea / RT}

इस अभिव्यक्ति में k प्रतिक्रिया की स्थिर गति (जो तापमान पर निर्भर करता है) और पैरामीटर A को आवृत्ति कारक कहा जाता है, और अणुओं के बीच टकराव की आवृत्ति का एक माप है।

इसके भाग के लिए, ई प्राकृतिक लघुगणक की श्रृंखला का आधार व्यक्त करता है। यह माना जाने वाला गैस स्थिरांक (R) और निरपेक्ष तापमान (T) के परिणामी उत्पाद के बीच सक्रियण ऊर्जा (Ea) के ऋणात्मक भागफल के बराबर शक्ति के लिए उठाया जाता है।

यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि एक व्यापक तापमान सीमा पर कुछ प्रतिक्रिया प्रणालियों में आवृत्ति कारक को स्थिर माना जा सकता है।

यह गणितीय अभिव्यक्ति मूल रूप से 1884 में डच रसायनज्ञ जैकबस हेनरिकस वैन हॉफ द्वारा ग्रहण की गई थी, लेकिन जिसने इसे वैज्ञानिक वैधता दी और इसके आधार की व्याख्या की, वह 1889 में स्वीडिश रसायनज्ञ स्वेतेन अर्न्हियस था।

एक रासायनिक प्रतिक्रिया की सक्रियण ऊर्जा की गणना

अरहेनियस समीकरण प्रत्यक्ष आनुपातिकता को निर्दिष्ट करता है जो एक प्रतिक्रिया की दर स्थिर और अणुओं के बीच टकराव की आवृत्ति के बीच मौजूद है।

इसी तरह, समीकरण के प्रत्येक पक्ष के लिए प्राकृतिक लघुगणक की संपत्ति को लागू करके इस समीकरण को अधिक सुविधाजनक तरीके से दर्शाया जा सकता है:

ln k = ln A - Ea / RT

जब किसी पंक्ति (y = mx + b) का समीकरण प्राप्त करने के संदर्भ में शर्तों को फिर से व्यवस्थित किया जाता है, तो निम्नलिखित अभिव्यक्ति प्राप्त की जाती है:

ln k = (- Ea / R) (1 / T) + ln A

इसलिए, जब 1 / T के खिलाफ ln k का ग्राफ बनाते हैं, तो एक सीधी रेखा प्राप्त होती है, जहाँ ln k निर्देशांक का प्रतिनिधित्व करता है और, (-Ea / R) लाइन के ढलान (m), (1 / T) का प्रतिनिधित्व करता है। x निर्देशांक का प्रतिनिधित्व करता है, और ln A, निर्देशांक अक्ष (b) के साथ अवरोधन का प्रतिनिधित्व करता है।

जैसा कि देखा जा सकता है, इस गणना से उत्पन्न ढलान -Ea / R के मान के बराबर है। इसका तात्पर्य यह है कि, यदि आप इस अभिव्यक्ति के माध्यम से सक्रियण ऊर्जा का मूल्य प्राप्त करना चाहते हैं, तो आपको एक सरल स्पष्टीकरण करना होगा, जिसके परिणामस्वरूप:

ईए = -एमआर

यहाँ हम जानते हैं कि m और R का मान 8.314 J / K · mol के बराबर है।

सक्रियण ऊर्जा प्रतिक्रिया की दर को कैसे प्रभावित करती है?

सक्रियण ऊर्जा की एक तस्वीर प्राप्त करने की कोशिश करते समय, इसे एक बाधा के रूप में देखा जा सकता है जो निम्न ऊर्जा अणुओं के बीच प्रतिक्रिया की अनुमति नहीं देता है।

जैसा कि एक आम प्रतिक्रिया में होता है कि अणुओं की संख्या जो प्रतिक्रिया कर सकती है वह काफी बड़ी है, गति - और इसके विपरीत, इन अणुओं की गतिज ऊर्जा - बहुत परिवर्तनशील हो सकती है।

यह आमतौर पर होता है कि अणुओं की समग्रता की थोड़ी सी मात्रा जो टकराव का अनुभव करती है - जिनके पास गति की अधिक गति होती है - सक्रिय ऊर्जा के परिमाण को पार करने में सक्षम होने के लिए पर्याप्त गतिज ऊर्जा होती है। तो ये अणु फिट हैं और प्रतिक्रिया का हिस्सा बनने में सक्षम हैं।

Arrhenius समीकरण के अनुसार, नकारात्मक संकेत-जो सक्रिय ऊर्जा और गैस के उत्पाद के बीच भागफल को पूर्ण करता है और निरपेक्ष तापमान- से तात्पर्य है कि सक्रियता ऊर्जा में वृद्धि होने पर दर स्थिर घटती है, जब तापमान बढ़ता है तो विकास होता है।

सक्रियण ऊर्जा गणना उदाहरण

एक ग्राफ का निर्माण करके सक्रियण ऊर्जा की गणना करने के लिए, अरहेनियस समीकरण के अनुसार, एसीटैल्डिहाइड की अपघटन प्रतिक्रिया के लिए दर स्थिरांक को पांच अलग-अलग तापमानों पर मापा गया है और यह सक्रियण ऊर्जा निर्धारित करने के लिए वांछित है। प्रतिक्रिया के लिए, जिसे निम्न रूप में व्यक्त किया गया है:

CH ₃ CHO (g) → CH ₄ (g) + CO (g)

पांच मापों के लिए डेटा निम्नानुसार हैं:

k (1 / M ^1/2 s): 0.011 - 0.035 - 0.105 - 0.343 - 0.789

टी (के): 700 - 730 - 760 - 790 - 810

सबसे पहले, इस अज्ञात को हल करने के लिए और सक्रियण ऊर्जा को निर्धारित करने के लिए, ln k बनाम 1 / T (y बनाम x) का एक ग्राफ बनाना होगा, एक सीधी रेखा प्राप्त करने के लिए और यहाँ से ढलान को ले और Ea का मान ज्ञात करें, यथा व्याख्यायित।

Arrhenius समीकरण के अनुसार, माप डेटा को बदलना, क्रमशः y और x के लिए निम्न मान पाए जाते हैं:

ln k: (-4.51) - (-3.35) - (-2.254) - (-1.070) - (-0.237)

1 / टी (के ^-1): 1.43 * 10 ^-3 - 1.37 * 10 ^-3 - 1.32 * 10 ^-3 - 1.27 * 10 ^-3 - 1.23 * 10 ^-3

इन मूल्यों से और ढलान की गणितीय गणना के माध्यम से -एक कंप्यूटर या एक कैलकुलेटर पर, अभिव्यक्ति m = (Y ₂ -Y ₁) / (X ₂ -X ₁) का उपयोग करके या रैखिक प्रतिगमन विधि का उपयोग करके- हम उस m = -Ea / R = -2.09 * 10 ⁴ K को प्राप्त करते हैं।

Ea = (8.314 J / K मोल) (2.09 * 10 ⁴ K)

= 1.74 * 10 ⁵ = 1.74 * 10 ² kJ / मोल

ग्राफिक रूप से अन्य सक्रियण ऊर्जा निर्धारित करने के लिए, एक समान प्रक्रिया की जाती है।

संदर्भ

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