Transcript: Energia de activare. Teoria complexului activat.

Vom începe și în lecția aceasta vorbind despre molecule care se ciocnesc.
Haideți să ne imaginăm ce se întâmplă într-un sistem chimic atunci când are loc o reacție.
Acestea sunt molecule sau atomi sau ioni care se află într-o mișcare continuă și care se vor ciocni mai devreme sau mai târziu.
Când moleculele se ciocnesc are loc reacția chimică.
Pare foarte clar, însă lucrurile nu sunt chiar atât de simple.
Desfășurarea unei reacții chimice implică redistribuirea legăturilor dintre anumiți atomi.
Asta înseamnă că se desfac legăturile chimice dintre anumiți atomi.
Proces care are loc cu absorpție de energie, deci este un proces endoterm.
Și apoi între atomii respectivi se vor forma noi legături.
Proces care are loc cu degăjare de energie, deci formarea legăturilor chimice este un proces exoterm.
Avem de exemplu reacția dintre o moleculă de hidrogen și o moleculă de clor.
Pentru ca această reacție să aibă loc mai întâi trebuie să se desfacă legăturile covalente din moleculele de hidrogen și clor.
Deci aceste două legături se desfac și se formează alte două legături covalente în noile molecule de acid clorhidric prin teoria complexului activat.
Încercăm să vedem când și cum are loc această redistribuire a legăturilor.
Această teorie consideră că ruperea și formarea legăturilor chimice are loc în momentul ciocnirii dintre particulele care vor reacționa.
Problema e că nu toate ciocnirile dintre particulele reactante duc la o reacție chimică, deci nu toate ciocnirile sunt eficace.
De exemplu, am reprezentat aici o ciocnire ineficace. Nu se formează nici o legătură nouă.
Pentru ca o ciocnire dintre particule să fie eficace, aceasta trebuie să îndeplinească niște condiții.
Fiecare reacție are nevoie de o cantitate minimă de energie pentru a se putea desfășura.
Prima dintre condițiile care fac ca o ciocnire să fie eficace este să se asigure energia necesară despacerii legăturilor dintre unii atomi.
Aceasta se numește energia de activare.
Moleculele au nevoie de această energie pentru a se ciocni cu alte molecule îndeajuns de tare, încât legăturile să se desfacă și să se reformeze în moduri diferite.
Fără această energie nimic nu se va întâmpla.
Și de unde au moleculele chimice această energie?
Ei bine, aceasta este energia cinetică pe care o au toate particulele sau obiectele care sunt în mișcare.
Deci este chiar viteza particulelui.
Cu cât particulele se mișcă mai repede, cu atât mai puternică va fi ciocnirea dintre ele.
Iar în momentul ciocnirii a două particule reactante se formează o asociație moleculară temporală numită tare de tranziție sau complex activat.
În momentul ciocnirii, o parte din energia cinetică a particulelor reactante se transformă în energia potențială a complexului activat.
Complexul activat este o stare de energie maximă a acestui sistem format din cele două particule și are o energie mai mare decât a fiecare particule în parte.
Din această cauză, complexul activat este instabil cu o viață foarte scurtă și se desface spontan fie în particulele inițiale, fie în produs de reacție.
Aici totul depinde de energia potențială a complexului activat, care am văzut că la rândul ei depinde de energia cinetică a particulelor reactante.
Dacă energia potențială a complexului nu e suficient de mare pentru a asigura redistribuirea legăturilor, complexul se va desface în particulele inițiale, deci ciocnirea nu e eficace.
În schimb, dacă energia potențială a complexului activat este suficient de mare și poate să asigură redistribuirea legăturilor, acest proces va avea loc iar complexul se va desface în produs de reacție, deci spunem că ciocnirea a fost eficace.
Aici avem și reprezentarea unei ciocniri eficace.
Așadar, energia de activare, pe care o notăm cu e-A, reprezintă energia cinetică minimă pe care trebuie să o posede particulele pentru a putea da ciocnire eficace.
Energia de activare e ca un deal energetic peste care moleculele trebuie să treacă pentru a ajunge la produsii de reacție.
Și numai particulele care au energii cinetice cel puțin egale cu energia de activare pot trece de acest deal.
Acestea se numesc particule activate și numai ciocnirele dintre ele pot fi ciocnire eficace.
Și vedem de ce am numit deal această bariere energetică, analizând următoarele două grafice.
Primul grafic reprezintă variația energiei potențiale a unui sistem de particule reactante în cazul unei ciocniri eficace într-o reacție exotermă.
Iar al doilea grafic este pentru o reacție endotermă.
Eindice R este energia potențială medie a particulelor reactante.
Când particulele se apropie pentru a forma complexul activat, am zis că o parte din energia lor cinetică se transformă în energie potențială.
Asta pentru a se putea efectua lucrul mecanic care să învingă repulsiile electrostatice dintre norii electronici externe ai particulelor care se ciocnesc.
Astfel, energia potențială a sistemului crește.
E cu asterix fiind energia complexului activat.
Vedem că, după cum am mai zis, complexul activat prezintă o stare de energie maximă a sistemului.
Și fiind instabil, complexul se va descompune în produșii de reacție cu energia potențială medie mai scăzută.
Cu E-P am notat energia potențială medie a produșilor de reacție.
Așadar, energia de activare este tocmai energia consumată pentru învingerea repulsilor electrostatice care apare în timpul apropierii particulelor reactante.
Putem calcula energia de activare cu această relație.
Ea este egală cu E-X minus E-R.
Deci, energia complexului activat minus energia potențială medie a reactanților.
Vedem că pe grafic am mai reprezentat o energie Ea1 și o energie Ea2.
E-A1 este energia de activare a reacției directe, adică a reacției prin care particulele reactante se transformă în produși de reacție.
E-A2 este energia de activare a reacției inverse.
Adică a reacției prin care produșii de reacție se transformă la loc în reactanți.
Știm din lectiile despre echilibrul chimic că, de fapt, puține dintre reacțiile chimice au loc numai în direcția formării produșilor de reacție.
De pe aceste două grafice, observăm și că energia de activare în reacție exotermă este mai mică decât energia de activare necesară în reacția endotermă.
Și mai vedem și că căldura de reacție este independentă de energia de activare.
Așadar, am văzut că, pentru o ciocnire eficace, avem o condiție energetică pe care particulele reactante trebuie să o îndeplinească pentru a ajunge la produșii de reacție.
O altă condiție pentru ca o ciocnire să fie eficace este orientarea favorabilă a particulelor în momentul ciocnirii.
Particulele trebuie să fie orientate în așa fel încât atomii între care se vor forma noile legături să fie apropiați.
Aceasta este condiția geometrică pentru ca o ciocnire să fie eficace.
Oricum, trebuie ca amândouă condițiile să fie îndeplinite.
Degeaba niște particule reactante au orientarea propice pentru o ciocnire eficace, dacă nu au la dispoziție energia cinetică minimă pentru a porni reacție.
Haideți să vedem acum cum se folosește teoria complexului activat de aceste două condiții, energetică și geometrică, a unei ciocniri eficace.
În starea de tranziție, procesele de scindare și de formare a legăturilor au loc simultan.
Teoria complexului activat consideră că procesul exotern de formare a noi legături are un rol determinant în redistribuirea legăturilor.
Pentru că aceste două procese de scindare și de formare au loc simultan, se consideră că energia degăjată în procesul de formare a noi legături este absorbită pentru procesul de desfacere a vechii legături.
Putem reprezenta întreg procesul prin această schemă generală.
Vedem din schemă că A se apropie de B, de atomul care urmează să formeze o nouă legătură.
Deci îndeplinește condiția geometrică de orientare favorabilă.
Haideți să vedem această schemă reprezentată și în acest fel.
Vedem că dacă atomul A s-ar ciocni de C, reacția nu ar mai avea loc.
Asta ținând cont de faptul că scindarea legăturii dintre B și C are loc în același timp cu formarea legăturii dintre A și B.
Privind aceste scheme, e ușor să ne dăm seama că particulele reactante simple, de exemplu, moleculele de tip A2
sau ionii, îndeplinesc această condiție mai ușor decât moleculele cu o structură complexă, cum sunt, de exemplu, moleculele organice.
Așadar, numărul de ciocnire eficace e mai mare dacă particulele reactante au o structură simplă,
dar și dacă energia de activare necesară pentru reacție e mai mică și dacă numărul particulelor activate e mai mare.
Adică, cu cât avem mai multe particule activate într-un sistem, cu atât mai multe ciocnire eficace vor avea loc.
Logic, viteza de reacție depinde de numărul de ciocnire eficace.
Cu cât au loc mai multe ciocnire eficace în unitatea de timp, cu atât reacția are loc cu o viteză mai mare.