Энергия активации

Уравнение Аррениуса устанавливает связь между энергией активации и скоростью протекания реакции:

${\displaystyle E_{a}=-RT\ln \left({\frac {k}{A}}\right)}$ ,

где k — константа скорости реакции,

${\displaystyle A}$  — предэкспоненциальный множитель (фактор частоты) для реакции,

${\displaystyle R}$  — универсальная газовая постоянная,

${\displaystyle T}$  — температура в кельвинах.

С повышением температуры растёт вероятность преодоления энергетического барьера.

Для количественного описания температурных эффектов в химической кинетике для приближённых вычислений кроме уравнения Аррениуса используют правило Вант-Гоффа: повышение температуры на 10 К увеличивает для большинства реакций скорость в 2—4 раза (для биохимических реакций 7—9 раз). Математически это означает, что скорость реакции зависит от температуры как показательная функция:

${\displaystyle {\frac {w(T_{2})}{w(T_{1})}}=\gamma ^{\frac {T_{2}-T_{1}}{10}}}$ ,

где ${\displaystyle \gamma }$  — температурный коэффициент скорости (его значение лежит в интервале от 2 до 4, для биохимических реакций до 9),

${\displaystyle w(T_{2}),\ w(T_{1})}$  — скорости реакции при температурах ${\displaystyle T_{2},\ T_{1}}$ .

Правило Вант-Гоффа является весьма приближённым и применимо только в очень ограниченном интервале температур: от 10 до 400 °С, а также при энергии активации от 60 до 120 кДж/моль. Правило Вант-Гоффа дает неверные результаты для крупных молекул, например, белков и полимеров.

Переходное состояние — состояние системы, при котором уравновешены разрушенные и созданные связи. В переходном состоянии система находится в течение небольшого (10⁻¹⁵ с) времени. Энергия, которую необходимо затратить, чтобы привести систему в переходное состояние, называется энергией активации. В многоступенчатых реакциях, которые включают в себя несколько переходных состояний, энергия активации соответствует наибольшему значению энергии. После преодоления переходного состояния молекулы вновь разлетаются с разрушением старых связей и образованием новых или с преобразованием исходных связей. Оба варианта возможны, так как происходят с высвобождением энергии (это хорошо видно на рисунке, поскольку оба положения лежат энергетически ниже энергии активации). Существуют вещества, способные уменьшить энергию активации для данной реакции. Такие вещества называют катализаторами. В биологических реакциях в качестве катализаторов выступают ферменты.

Утверждение о том, что катализатор снижает энергию активации, строго говоря, не корректно, так как реакция в присутствии катализатора не идентична исходной реакции^[2]. Это совершенно иная реакция, имеющая более низкий активационный барьер.

• Скорость химической реакции
• Квантовое туннелирование
• Катализаторы

• Activation Energy (англ.)
• Основы биохимии. Физическая химия.