Energia de ativação (Ea)

Em química, a quantidade mínima de energia necessária para ativar átomos ou moléculas a uma condição na qual uma transformação química ou transporte físico pode ser gerado é chamada de energia de ativação , Ea . Na teoria do estado de transição, a energia de ativação é a diferença no conteúdo de energia entre átomos ou moléculas em uma configuração de estado ativo ou de transição e átomos ou moléculas em uma configuração inicial. Quase sempre, o estado de uma reação ocorre em um nível de energia mais alto do que os produtos da reação (reagentes). Portanto, a energia de ativação sempre tem um valor positivo. Este valor positivo ocorre independentemente de a reação absorver energia ( endergônica ouendotérmica ) ou produz ( exergônica ou exotérmica ).

A energia de ativação é uma abreviação de Ea. As unidades mais comuns de unidades Ea são quilojoules por mole (kJ/mol) e quilocalorias por mole (kcal/mol).

A equação de Arrhenius Ea

Svante Arrhenius foi um cientista sueco que em 1889 demonstrou a existência da energia de ativação, desenvolvendo a equação que leva seu nome. A equação de Arrhenius descreve a correlação entre temperatura e velocidade de reação. Essa relação é essencial para calcular a velocidade das reações químicas e, principalmente, a quantidade de energia necessária para que essas reações ocorram.

Na equação de Arrhenius, K é o coeficiente de taxa de reação (a taxa de reação), A é o fator de quantas vezes as moléculas colidem e e é uma constante (aproximadamente igual a 2,718). Por outro lado, Ea é a energia de ativação e R é a constante universal dos gases (unidades de energia por aumento de temperatura por mol). Finalmente, T representa a temperatura absoluta, medida em graus Kelvin.

Assim, a equação de Arrhenius é representada como k= Ae^(-Ea/RT). No entanto, como muitas equações, ela pode ser reorganizada para calcular valores diferentes. Entretanto, não é necessário saber o valor de A para calcular a energia de ativação (Ea), pois esta pode ser determinada a partir da variação dos coeficientes de velocidade da reação em função da temperatura.

Significado químico de Ea

Todas as moléculas possuem uma pequena quantidade de energia, que pode estar na forma de energia cinética ou energia potencial. Quando as moléculas colidem, sua energia cinética pode interromper e até mesmo destruir as ligações, que é o que acontece quando ocorrem reações químicas.

Se as moléculas se movem lentamente, ou seja, com pouca energia cinética, ou não colidem com outras moléculas ou os impactos não geram nenhuma reação porque são fracas. O mesmo acontece se as moléculas colidirem com a orientação errada ou imprópria. No entanto, se as moléculas estiverem se movendo rápido o suficiente e na orientação correta, ocorrerá uma colisão bem-sucedida. Assim, a energia cinética ao colidir será maior que a energia mínima e, após essa colisão, ocorrerá uma reação. Mesmo as reações exotérmicas requerem uma quantidade mínima de energia para começar. Esse requisito mínimo de energia, como explicamos antes, é chamado de energia de ativação.

O conhecimento dos dados sobre a energia de ativação das substâncias implica na possibilidade de cuidar do nosso meio ambiente. Ou seja, se tivéssemos consciência de que, dependendo das características das moléculas, pode ocorrer uma reação química, não poderíamos realizar ações que, por exemplo, pudessem provocar um incêndio. Por exemplo, sabendo que um livro pode pegar fogo se uma vela for colocada em cima dele (cuja chama forneceria a energia de ativação), teremos cuidado para que a chama da vela não se espalhe para o papel do livro.

Catalisadores e Energia de Ativação

Um catalisador aumenta a taxa de reação de uma maneira ligeiramente diferente de outros métodos usados ​​para o mesmo propósito. A função de um catalisador é diminuir a energia de ativação , de modo que uma proporção maior de partículas tenha energia suficiente para reagir. Os catalisadores podem diminuir a energia de ativação de duas maneiras:

1. Orientando as partículas reativas de modo que as colisões sejam mais prováveis ​​de ocorrer ou alterando a velocidade de seus movimentos.
2. Reagir com os reagentes para formar uma substância intermediária que requer menos energia para formar o produto.

Alguns metais, como platina, cobre e ferro, podem atuar como catalisadores em certas reações. Em nosso próprio corpo existem enzimas que são catalisadores biológicos (biocatalisadores) que ajudam a acelerar as reações bioquímicas. Os catalisadores geralmente reagem com um ou mais dos reagentes para formar um intermediário, que então reage para se tornar o produto final. Essa substância intermediária é frequentemente chamada de “complexo ativado “.

Exemplo de uma reação envolvendo um catalisador

O seguinte é um exemplo teórico de como uma reação envolvendo um catalisador pode ocorrer. A e B são reagentes, C é o catalisador e D é o produto da reação entre A e B.

Primeira etapa (reação 1): A+C → AC
Segunda etapa (reação 2): B+AC → ACB
Terceira etapa (reação 3): ACB → C+D

ACB significa Chemical Intermediate. Embora o catalisador (C) seja consumido na reação 1, ele é liberado novamente na reação 3, então a reação geral com um catalisador é: A+B+C → D+C

A partir disso, o catalisador é liberado no final da reação, completamente inalterado. Sem levar em conta o catalisador, a reação geral seria escrita: A+B → D

Neste exemplo, o catalisador forneceu um conjunto de etapas de reação que podemos chamar de “via de reação alternativa”. Essa via na qual o catalisador intervém requer menos energia de ativação e, portanto, é mais rápida e eficiente.

A equação de Arrhenius e a equação de Eyring

Duas equações podem ser usadas para descrever como a velocidade das reações aumenta com a temperatura. Primeiro, a equação de Arrhenius descreve a dependência das taxas de reação com a temperatura. Por outro lado, existe a equação de Eyring, proposta pelo referido pesquisador em 1935; Esta equação é baseada na teoria do estado de transição e é usada para descrever a relação entre a taxa de reação e a temperatura. A equação é:

k= (kB _T /h) exp(-ΔG ^‡ /RT).

No entanto, enquanto a equação de Arrhenius explica a dependência entre temperatura e taxa de reação fenomenologicamente, a equação de Eyring informa sobre as etapas elementares individuais de uma reação.

Por outro lado, a equação de Arrhenius só pode ser aplicada à energia cinética na fase gasosa, enquanto a equação de Eyring é útil no estudo de reações tanto na fase gasosa quanto nas fases condensada e mista (fases que não têm relevância na fase gasosa). o modelo de colisão). Da mesma forma, a equação de Arrhenius é baseada na observação empírica de que a velocidade das reações aumenta com a temperatura. Em vez disso, a equação de Eyring é uma construção teórica baseada no modelo do estado de transição.

Princípios da teoria do estado de transição:

• Existe um equilíbrio termodinâmico entre o estado de transição e o estado dos reagentes no topo da barreira de energia.
• A taxa de reação química é proporcional à concentração das partículas no estado de transição de alta energia.

Relação entre a energia de ativação e a energia de Gibbs

Embora a taxa de reação também seja descrita na equação de Eyring, nesta equação ao invés de usar a energia de ativação, a energia de Gibbs (ΔG ‡ ⁾ do estado de transição é incluída.

Uma vez que a energia cinética das moléculas em colisão (ou seja, aquelas com energia suficiente e orientação adequada) é transformada em energia potencial, o estado energético do complexo ativado é caracterizado por uma energia de Gibbs molar positiva. A energia de Gibbs, originalmente chamada de “energia disponível”, foi descoberta em 1870 por Josiah Willard Gibbs. Essa energia também é chamada de energia livre padrão de ativação .

A energia livre de Gibbs de um sistema em qualquer momento é definida como a entalpia do sistema menos o produto da temperatura vezes a entropia do sistema:

G=H-TS.

H é a entalpia, T é a temperatura e S é a entropia. Essa equação que define a energia livre de um sistema é capaz de determinar a importância relativa da entalpia e da entropia como forças motrizes de uma reação específica. Agora, o equilíbrio entre as contribuições dos termos de entalpia e entropia para a energia livre de uma reação depende da temperatura na qual a reação ocorre. A equação usada para definir a energia livre sugere que o termo entropia se tornará mais importante à medida que a temperatura aumenta : ΔG° = ΔH° – TΔS°.

Fontes

• Brainard, J. (2014). Energia de ativação. Em https://www.ck12.org/
• lei arrheniana. (2020). Energias de ativação.
• Mitchell, N. (2018). Análise de Energia de Ativação de Eyring da Hidrólise de Anidrido Acético em Sistemas de Cosolvente Acetonitrila.