Back to chapter

13.8:

עקומות אהרניוס

JoVE Core
Kimya
Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliği gereklidir.  Oturum açın veya ücretsiz deneme sürümünü başlatın.
JoVE Core Kimya
Arrhenius Plots

Diller

Paylaş

קצב התגובה הכימית רגיש ביותר לשינויים בטמפרטורה. התלות בטמפרטורה מוסברת מתמטית באמצעות משוואת ארניוס המביעה את הקשר בין קבוע הקצב, הטמפרטורה המוחלטת, מקדם התדירות ואנרגיית השפעול. ניתן למצוא את אנרגיית השפעול ואת מקדם התדירות גם באופן גרפי באמצעות המרת משוואת ארניוס לצורה שאינה מעריכית.אם נפעיל את הלוגריתמים הטבעי על שני האגפים, נוצרת משוואה לפונקציה לינארית. ערך השיפוע תואם לערך השלילי של אנרגיית השפעול חלקי קבוע הגזים, והחיתוך עם ציר ה-Y תואם ללוגריתם הטבעי של מקדם התדירות. משוואה זו יכולה לשמש אותנו ביצירת גרף הנקרא גרף ארניוס, בו הלוגריתם הטבעי של קבוע הקצב מוצג כפונקציה של הערך ההופכי לטמפרטורות בקלווין.נתונים קינטים מניסויים ותגובות. ניתנים להצגה ולניתוח באמצעות גרף ארניוס בדוגמה זו, הגרף מניב קו ישר. ערך השיפוע הנתון בקלווין מוצב כשווה לערך השלילי של אנרגיית השפעול חלקי R.אחרי שנציב ערך בקבוע הגזים ונפתור עבור אנרגיית השפעול, נקבל ערך של 93.1 קילוג’ול למול.כמו כן, הערך שלנקודת החיתוך עם ציר ה-Y של 26.8 שווה ללוגריתם הטבעי של מקדם התדירות. וכך, אם נפתור עבור A נקבל ערך של 10¹¹×4.36 ביחידות של אחד חלקי מולריות שניות, אותה יחידה של קבוע הקצב. במקרה של מידע קינטי מוגבל או של קשיים בייצוג גרפי, ישנה גרסת שתי נקודות של משוואת אהרניוס בה ניתן להשתמש כדי לחשב את אנרגיית השפעול באופן שאינו גרפי.במקרים אלה, הצורה הלא-מעריכית של משוואת ארניוס משתנה כך שתכיל את קבועי הקצב בשתי טמפרטורות שונות. צמצום אגפים וסידור מחדש של הביטוי מניב את התצורה הזו של משוואת ארניוס, בה משתמשים כדי לחשב את אנרגיית השפעול מתוך קבועי קצב נסיוניים בשתי טמפרטורות שונות. אם נציב את הערכים במשוואה, אנרגיית השפעול המתקבלת לתגובה זו היא 145 קילוג’ול למול.

13.8:

עקומות אהרניוס

The Arrhenius equation relates the activation energy and the rate constant, k, for chemical reactions. In the Arrhenius equation, k = Ae−Ea/RT, R is the ideal gas constant, which has a value of 8.314 J/mol·K, T is the temperature on the kelvin scale, Ea is the activation energy in J/mole, e is the constant 2.7183, and A is a constant called the frequency factor, which is related to the frequency of collisions and the orientation of the reacting molecules.

The Arrhenius equation can be used to compute the activation energy of a reaction from experimental kinetic data. A convenient approach to determining the Ea for a reaction involves the measurement of k at two or more different temperatures. It uses a modified version of the Arrhenius equation that takes the form of a linear equation:

 Eq1

A plot of the ln k versus 1/T is linear with a slope equal to −Ea/R and y-intercept equal to ln A.

Consider the following reaction:

 Eq2

The activation energy of this reaction can be determined if the variation in the rate constant with temperature is known from the reaction kinetic data, as shown.

Temperature (K) Rate constant (L/mol/s)
555 3.52 × 10–7
575 1.22 × 10–6
645 8.59 × 10–5
700 1.16 × 10–3
781 3.95 × 10–2

The provided data can be used to derive the values of the inverse of temperature (1/T) and the natural log of k (ln k).

1/T (K–1) ln k
   1.80 × 10–3          –14.860     
1.74 × 10–3 –13.617
1.55 × 10–3 –9.362
1.43 × 10–3 –6.759
1.28 × 10–3 –3.231

 Image1

On plotting the derived data points with ln k versus 1/T, a line-graph exhibiting a linear relationship between ln k and 1/T is generated, as shown.

The slope of the line, which corresponds to the activation energy, can be estimated using any two of the experimental data pairs.              

 Eq3

An alternative approach in deriving activation energy involves the utilization of the rate constant at two different temperatures. In this approach, the Arrhenius equation is rearranged to a convenient two-point form:

 Eq4

On rearranging the equation, an expression for the activation energy is generated.

 Eq5

By substituting any two data pairs and further calculation yields the value for the activation energy in joules per mole or kilojoules per mole.

 Eq6

This alternative two-point approach yields the same result as the graphical approach. However, in practice, the graphical approach typically provides more reliable results while working with actual experimental data.

This text is adapted from Openstax, Chemistry 2e, Section 12.5: Collision Theory.