सक्रियण ऊर्जा

फेरोसेरियम के एक टुकड़े के खिलाफ हड़ताली स्टील द्वारा बनाई गई चिंगारी इस लेम्प बर्नर में दहन शुरू करने के लिए सक्रियण ऊर्जा प्रदान करती है। चिंगारियों के रुकने के बाद नीली लौ अपने आप बनी रहती है क्योंकि लौ का निरंतर दहन अब ऊर्जावान रूप से अनुकूल है।

रसायन विज्ञान और भौतिकी में, सक्रियण ऊर्जा ऊर्जा की न्यूनतम मात्रा है जो यौगिकों को रासायनिक अभिक्रिया में परिणाम के लिए प्रदान की जानी चाहिए। सक्रियण ऊर्जा (E_a) अभिक्रिया का माप जूल प्रति मोल (J/mol), या किलोकलरीज प्रति मोल (kcal/mol) में मापा जाता है। सक्रियण ऊर्जा को प्रारंभिक और अंतिम ऊष्मागतिक अवस्था से संबंधित संभावित ऊर्जा पृष्ठ के न्यूनतम को अलग करने वाले संभावित अवरोध (कभी-कभी ऊर्जा अवरोध कहा जाता है) के परिमाण के रूप में माना जा सकता है। एक रासायनिक अभिक्रिया के लिए एक उचित दर पर आगे बढ़ने के लिए, तंत्र का तापमान इतना अधिक होना चाहिए कि सक्रियण ऊर्जा के बराबर या उससे अधिक की स्थानांतरीय ऊर्जा वाले अणुओं की एक पर्याप्त संख्या उपस्थित हो। सक्रियण ऊर्जा शब्द की शुरुआत 1889 में स्वीडिश वैज्ञानिक स्वंते अरहेनियस ने की थी।

अन्य उपयोग

चूँकि यह सामान्यतः कम उपयोग किया जाता है, सक्रियण ऊर्जा परमाणु अभिक्रियाओ पर भी लागू होती है और विभिन्न अन्य भौतिक घटनाओ में भी लागू होती है।

तापमान पर निर्भरता और अरहेनियस समीकरण से संबंध

Main article: अरहेनियस समीकरण

अरहेनियस समीकरण सक्रियण ऊर्जा और उस दर के बीच संबंध का मात्रात्मक आधार देता है जिस पर अभिक्रिया आगे बढ़ती है। समीकरण से, सक्रियण ऊर्जा संबंध के माध्यम से पाई जा सकती है

$$k=Ae^{{-E_{\textrm {a}}}/{(RT)}}$$

जहां A अभिक्रिया के लिए पूर्व-घातीय कारक है, आर सार्वभौमिक गैस स्थिरांक है, T पूर्ण तापमान है (सामान्यतः केल्विन में), और k अभिक्रिया दर स्थिरांक है। A, E_a. को जाने बिना भी तापमान के एक फलन के रूप में अभिक्रिया दर गुणांक में भिन्नता से मूल्यांकन किया जा सकता है (अरहेनियस समीकरण की वैधता के भीतर)।

अधिक विकसित स्तर पर, अरहेनियस समीकरण से शुद्ध अरहेनियस सक्रियण ऊर्जा शब्द को प्रयोगात्मक रूप से निर्धारित पैरामीटर के रूप में सबसे अच्छा माना जाता है जो तापमान के प्रति अभिक्रिया दर की संवेदनशीलता को दर्शाता है। इस सक्रियण ऊर्जा को प्राथमिक अभिक्रिया के लिए प्रारम्भ अवरोध के साथ जोड़ने पर दो आपत्तियां हैं। सबसे पहले, यह अधिकांश स्पष्ट नहीं होता है कि अभिक्रिया एक चरण में आगे बढ़ती है या नहीं; प्रारम्भ अवरोध जो सभी प्रारंभिक चरणों में औसत होते हैं, उनका सैद्धांतिक मूल्य बहुत कम होता है। दूसरा, भले ही अध्ययन की जा रही अभिक्रिया प्राथमिक हो, व्यक्तिगत टकरावों का एक स्पेक्ट्रम अरबों अणुओं से जुड़े थोक ('बल्ब') प्रयोगों से प्राप्त दर स्थिरांक में योगदान देता है, जिसमें कई अलग-अलग अभिक्रिया शील टक्कर ज्यामिति और कोण, अलग-अलग अनुवाद और (संभवतः) कंपन होते हैं। ऊर्जाएँ - जिनमें से सभी विभिन्न सूक्ष्म अभिक्रिया दरों को जन्म दे सकती हैं।

उत्प्रेरक

Main article: उत्प्रेरण

एंजाइम-उत्प्रेरित एक्ज़ोथिर्मिक अभिक्रिया अभिक्रिया का उदाहरण

सक्रियण ऊर्जा के बीच संबंध ($E_{\textrm {a}}$) और एक उत्प्रेरक के साथ और बिना अभिक्रिया के मानक थैलेपी (ΔH), अभिक्रिया समन्वय के खिलाफ प्लॉट किए गए। उच्चतम ऊर्जा स्थिति (शिखर स्थिति) संक्रमण अवस्था का प्रतिनिधित्व करती है। उत्प्रेरक के साथ, संक्रमण अवस्था में प्रवेश करने के लिए आवश्यक ऊर्जा कम हो जाती है, जिससे अभिक्रिया शुरू करने के लिए आवश्यक ऊर्जा कम हो जाती है

एक पदार्थ जो सक्रियण ऊर्जा को कम करने के लिए संक्रमण अवस्था को संशोधित करता है उसे उत्प्रेरक कहा जाता है; एक उत्प्रेरक जो केवल प्रोटीन से बना होता है और (यदि लागू हो) छोटे अणु सहकारकों को एंजाइम कहा जाता है। एक उत्प्रेरक अभिक्रिया में बिना बदले अभिक्रिया की दर को बढ़ाता है। इसके अतिरिक्त, उत्प्रेरक सक्रियण ऊर्जा को कम करता है, लेकिन यह मूल अभिकारकों या उत्पादों की ऊर्जा को नहीं बदलता है, और इसलिए संतुलन नहीं बदलता है। बल्कि, अभिक्रिया शील ऊर्जा और उत्पाद ऊर्जा समान रहती है और केवल सक्रियण ऊर्जा बदल जाती है (कम)।

एक उत्प्रेरक अधिक अनुकूल विधि से एक संक्रमण अवस्था बनाकर सक्रियण ऊर्जा को कम करने में सक्षम है। उत्प्रेरक, स्वभाव से, एक संक्रमण अवस्था में प्रगति की अभिक्रिया के अवस्तर के लिए अधिक आरामदायक के अनुरूप बनाते हैं। यह ऊर्जा के निकलने के कारण संभव है जो तब होता है जब क्रियाधार उत्प्रेरक की सक्रिय स्थान से जुड़ जाता है। इस ऊर्जा को बंधन ऊर्जा के रूप में जाना जाता है। एक उत्प्रेरक के लिए बाध्य होने पर, सक्रिय स्थान (यानी हाइड्रोजन बंध , वैन डेर वाल्स फोर्स ) के भीतर क्रियाधार कई स्थिर बलों में भाग लेते हैं। सक्रिय स्थल के भीतर विशिष्ट और अनुकूल बंधन तब तक होता है जब तक क्रियाधार उच्च ऊर्जा संक्रमण अवस्था बनने के लिए नहीं बनता है। संक्रमण अवस्था का निर्माण उत्प्रेरक के साथ अधिक अनुकूल है क्योंकि सक्रिय स्थल के भीतर अनुकूल स्थिर बातचीत ऊर्जा जारी करती है। एक उत्प्रेरक की सक्रिय स्थान के भीतर एक स्थिर फिट होने पर एक रासायनिक अभिक्रिया एक उच्च-ऊर्जा संक्रमण अवस्था अणु को अधिक आसानी से बनाने में सक्षम होती है। एक अभिक्रिया की बाध्यकारी ऊर्जा वह ऊर्जा है जो तब निकलती है जब क्रियाधार और उत्प्रेरक के बीच अनुकूल बातचीत होती है। जारी की गई बाध्यकारी ऊर्जा अस्थिर संक्रमण अवस्था को प्राप्त करने में सहायता करती है। अन्यथा उत्प्रेरक के बिना अभिक्रियाओ को संक्रमण अवस्था को प्राप्त करने के लिए ऊर्जा के उच्च निवेश की आवश्यकता होती है। गैर-उत्प्रेरित अभिक्रियाओ में सक्रिय स्थल से मुक्त ऊर्जा उपलब्ध नहीं होती है, जैसे कि उत्प्रेरक एंजाइम अभिक्रिया में होती है।

सक्रियण की गिब्स ऊर्जा के साथ संबंध

Main article: संक्रमण अवस्था सिद्धांत

अरहेनियस समीकरण में, सक्रियण ऊर्जा शब्द (E_a) का उपयोग संक्रमण अवस्था तक पहुँचने के लिए आवश्यक ऊर्जा का वर्णन करने के लिए किया जाता है, और घातीय संबंध k = A exp(−E_a/RT) धारण करता है। संक्रमण अवस्था सिद्धांत में, अभिक्रिया दर और संक्रमण राज्य के बीच संबंधों का एक अधिक परिष्कृत मॉडल, एक सतही रूप से समान गणितीय संबंध, आइरिंग समीकरण, का उपयोग अभिक्रिया की दर स्थिरांक का वर्णन करने के लिए किया जाता है: k = (k_BT / h) exp(−ΔG^‡ / RT). लेकिन, घटनात्मक रूप से अभिक्रिया दर की तापमान निर्भरता को नमूना लेने के अतिरिक्त , आइरिंग समीकरण एक अभिक्रिया के व्यक्तिगत प्राथमिक चरणों को नमूना बानाता है। इस प्रकार, एक बहु-चरणीय प्रक्रिया के लिए, दो नमूनों के बीच कोई सीधा संबंध नहीं है। फिर भी, अरहेनियस और आईरिंग समीकरणों के कार्यात्मक रूप समान हैं, और एक-चरणीय प्रक्रिया के लिए, अरहेनियस और आईरिंग मापदंडों के बीच सरल और रासायनिक रूप से सार्थक पत्राचार तैयार किया जा सकता है।

E_a .का उपयोग करने के अतिरिक्त, आईरिंग समीकरण गिब्स ऊर्जा की अवधारणा और प्रतीक ΔG . का उपयोग करता है संक्रमण अवस्था को प्राप्त करने के लिए सक्रियता की गिब्स ऊर्जा को निरूपित करने के लिए। समीकरण में, k_B और H क्रमशः बोल्ट्जमान और प्लैंक स्थिरांक हैं। चूकी समीकरण समान दिखते हैं, यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि गिब्स ऊर्जा में एन्थैल्पिक के अतिरिक्त एक एन्ट्रॉपी शब्द भी होता है। अरहेनियस समीकरण में, इस एन्ट्रापी शब्द का पूर्व-घातीय कारक a द्वारा अनुमान लगाया जाता है। अधिक विशेष रूप से, हम सक्रियण की एन्थैल्पी और एन्ट्रॉपी के संदर्भ में सक्रियता की गिब्स मुक्त ऊर्जा लिख ​​सकते हैं: ΔG^‡ = ΔH^‡ − T ΔS^‡. फिर, एक गैर-आणविक, एक-चरणीय अभिक्रिया के लिए, अनुमानित संबंध E_a = ΔH^‡ + RT तथा A = (k_BT/h) exp(1 + ΔS^‡/R) लिख सकते है। ध्यान दें, क्यूकि, अरहेनियस सिद्धांत में उचित है, a तापमान स्वतंत्र है, जबकि यहां, T पर एक रैखिक निर्भरता है। एक-चरणीय गैर-आणविक प्रक्रिया के लिए जिसका आधा जीवन कमरे के तापमान पर लगभग 2 घंटे है, ΔG^‡ लगभग 23 किलो कैलोरी/मोल है। यह भी मोटे तौर पर E_a का परिमाण है एक अभिक्रिया के लिए जो कमरे के तापमान पर कई घंटों तक चलती है। TΔS^‡ के अपेक्षाकृत छोटे परिमाण के कारण और सामान्य तापमान पर RT अधिकांश अभिक्रियाओ ं के लिए, मैला प्रवचन में, E_a, ΔG^‡, और ΔH^‡ अधिकांश मिश्रित होते हैं और सभी को सक्रियण ऊर्जा के रूप में संदर्भित किया जाता है।

सक्रियण की एन्थैल्पी, एन्ट्रापी और गिब्स ऊर्जा को Δ^‡H^o, Δ^‡S^o and Δ^‡G^o के रूप में अधिक सही विधि से लिखा जाता है, जहां o मानक अवस्थाओ के बीच मूल्यांकन की गई मात्रा को दर्शाता है। लेकिन , कुछ लेखक अंकन को सरल बनाने के लिए o को छोड़ देते हैं।

लेकिन, अभिक्रिया का कुल मुक्त ऊर्जा परिवर्तन सक्रियण ऊर्जा से स्वतंत्र होता है। भौतिक और रासायनिक अभिक्रिया एं या तो एक्सर्जोनिक अभिक्रिया या एंडर्जोनिक अभिक्रिया हो सकती हैं, लेकिन सक्रियण ऊर्जा अभिक्रिया की सहज प्रक्रिया से संबंधित नहीं है। समग्र अभिक्रिया ऊर्जा परिवर्तन सक्रियण ऊर्जा द्वारा परिवर्तित नहीं होता है।

नकारात्मक सक्रियण ऊर्जा

कुछ स्थितियो में, बढ़ते तापमान के साथ अभिक्रिया की दर कम हो जाती है। लगभग घातीय संबंध का पालन करते समय दर स्थिरांक अभी भी एक अरहेनियस अभिव्यक्ति के लिए फिट हो सकता है, इसका परिणाम E_a के नकारात्मक मान होता है.

नकारात्मक सक्रियण ऊर्जाओं को प्रदर्शित करने वाली प्राथमिक अभिक्रिया एं सामान्यतः बाधा रहित अभिक्रिया एं होती हैं, जिसमें अभिक्रिया की प्रक्रिया संभावित कुएं में अणुओं के कब्जे पर निर्भर करती है। तापमान में वृद्धि से टकराने वाले अणुओं की एक दूसरे पर कब्जा करने की संभावना कम हो जाती है (अधिक चमकदार टक्करों के साथ अभिक्रिया नहीं होती है क्योंकि उच्च गति संभावित कुएं से टकराने वाले कणों को बाहर ले जाती है), एक अभिक्रिया क्रॉस सेक्शन (भौतिकी) के रूप में व्यक्त की जाती है बढ़ते तापमान के साथ जो घट जाती है । ऐसी स्थिति अब संभावित अवरोध की ऊंचाई के रूप में प्रत्यक्ष व्याख्या की ओर नहीं ले जाती है।

कुछ बहु-चरणीय अभिक्रियाओ ं में स्पष्ट नकारात्मक सक्रियण ऊर्जाएँ भी हो सकती हैं। उदाहरण के लिए, दो-चरणीय अभिक्रिया A . के लिए समग्र दर स्थिरांक k ⇌ B, B → C k = k₂K₁ . द्वारा दिया गया है, जहां K₂ दर-सीमित धीमी दूसरे चरण की दर स्थिरांक है और K₁ तीव्र प्रथम चरण का संतुलन स्थिरांक है। कुछ अभिक्रियाओ ं में, K₁ बढ़ने की तुलना में तापमान के साथ k₂ से अधिक तेजी से घटता है, जिससे k वास्तव में नकारात्मक प्रेक्षित सक्रियण ऊर्जा के अनुरूप तापमान के साथ घटता है। हो तो समग्र सक्रियण ऊर्जा ऋणात्मक होती है

एक उदाहरण नाइट्रिक ऑक्साइड का ऑक्सीकरण है जो एक टर्मोलेक्यूलर अभिक्रिया है $2NO+O_{2}\rightarrow 2NO_{2}$. दर कानून है $v=k\,\left[{\rm {NO}}\right]^{2}\,\left[{\rm {O_{2}}}\right]$ एक नकारात्मक सक्रियण ऊर्जा के साथ। यह दो-चरणीय तंत्र द्वारा समझाया गया है: $2NO\rightleftarrows N_{2}O_{2}$ तथा $N_{2}O_{2}+O_{2}\rightarrow 2NO_{2}$.

कुछ धनायनी बहुलकीकरण अभिक्रियाओं में ऋणात्मक सक्रियण ऊर्जाएँ होती हैं जिससे तापमान के साथ दर घटती जाती है। श्रृंखला-वृद्धि बहुलकीकरण के लिए, समग्र सक्रियण ऊर्जा है $\textstyle E=E_{i}+E_{p}-E_{t}$, जहां i, p और t क्रमशः दीक्षा, प्रसार और समाप्ति चरणों को संदर्भित करते हैं। प्रसार चरण में सामान्य रूप से एक बहुत छोटी सक्रियण ऊर्जा होती है, जिससे कि समग्र मूल्य नकारात्मक होता है यदि समाप्ति के लिए सक्रियण ऊर्जा दीक्षा के लिए उससे बड़ी है। धनायनी बहुलकीकरण के लिए समग्र सक्रियण ऊर्जा की सामान्य सीमा = 40 से +60 kJ/mol तक भिन्न होती है।

2D संभावित ऊर्जा सतह में सक्रियण ऊर्जा

ये हाइड्रोजन गैस और टंगस्टन की अभिक्रिया के लिए PES प्रोफाइल हैं। बाईं ओर अभिक्रिया प्रोफ़ाइल प्रक्रिया का 2 आयामी मार्ग दिखाती है। दाईं ओर इसे उसी प्रक्षेपवक्र का 1 आयाम वाला परिप्रेक्ष्य दिखाया गया है।

सक्रियण ऊर्जा को 2D संभावित ऊर्जा सतह ((PES) में दर्शाया जा सकता है, जहां अभिकारकों की ज्यामिति और सम्मालित ऊर्जा के बीच संबंध को स्थलाकृतिक मानचित्र के रूप में दर्शाया जाता है।

निम्नलिखित ग्राफिक में गैस चरण और धातु में हाइड्रोजन के बीच एक अभिक्रिया का प्रतिनिधित्व टंगस्टन है। संभावित ऊर्जा PES गणनाओं के साथ प्राप्त की जाती है और ऊर्जा न्यूनीकरण#नज्ड इलास्टिक बैंड गणना से H की स्थिति के अनुरूप होती है। इन पदों पर संभावित ऊर्जा का मूल्यांकन करने के लिए तख़्ता प्रक्षेप के साथ 2-आयामी अंतःक्षेप का उपयोग किया जा सकता है। उत्पादों और अभिकारकों को नीली सतह में पाया जा सकता है, चूकी लाल सतह स्थिर अवस्था (रसायन विज्ञान) | स्थिर-अवस्था सन्निकटन से मेल खाती है।

चित्र प्रक्षेपवक्र के अनुरूप। सतह जितनी नीली होगी, हाइड्रोजन बन्ध उतना ही मजबूत होगा, इसलिए नीले रंग मिनिमा ऊर्जा का प्रतिनिधित्व करते हैं और लाल रंग मैक्सिमा ऊर्जा का प्रतिनिधित्व करता हैं। टंगस्टन का PES एक सा है, और पुल स्थल पर एक डुबकी है, यह डुबकी चित्रण के केंद्र में रंग परिवर्तन से मेल खाती है

ऊर्जा मिनिमा के बीच की सतह जितनी अधिक धुंधली होगी, ऊर्जा अवरोधक उतने ही कम होंगे, और इसलिए अधिक आसानी से हाइड्रोजन सतहों के साथ यात्रा करेगी।

यह भी देखें

• सक्रियण ऊर्जा एसिम्प्टोटिक्स
• रासायनिक गतिकी
• अग्नि बिंदु
• माध्य गतिज तापमान
• क्वांटम टनलिंग
• हाइड्रोजन सुरक्षा
• धूल विस्फोट
• स्पार्क प्लग