If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Ha webszűrőt használsz, győződj meg róla, hogy a *.kastatic.org és a *.kasandbox.org nincsenek blokkolva.

Fő tartalom

Aktiválási energia

Aktiválási energia, átmeneti állapot és reakciósebesség

Bevezetés

Képzeld el, hogy rád virrad egy nap, amire egy csomó szuper dolgot terveztél. Előfordul néha, hogy a rád váró izgalmak dacára valami plusz energia kell ahhoz, hogy kikászálódj az ágyból? Ha már felkeltél, akkor valahogy átvészeled a napot, de ehhez előbb át kell lendülni egyfajta gáton.
A kémiai reakciók aktiválási energiája olyasvalami, mint az a „gát”, amit felkeléskor kell leküzdeni. Még az energiafelszabadulással járó (exoterm) reakciók beindulása is igényel némi energiát, mielőtt sor kerül az energiát felszabadító lépésekre. Ezt a kezdeti energiabefektetést, amelyet a reakció során később visszanyerünk, aktiválási energiának nevezzük (jele EA).

Az aktiválási energia

Ugyan miért is kellene energia ahhoz, hogy végbemenjen egy energiafelszabadulással, azaz negatív szabadenergia-változással (∆G) járó reakció? Ennek a megértéséhez meg kell vizsgálnunk azt, hogy mi is történik valójában a kiindulási anyagok molekuláival a kémiai reakciók során. Ahhoz, hogy a reakció végbemenjen, a kiindulási anyagok kötései közül néhánynak vagy az összesnek fel kell szakadnia, hogy a termékekben kialakuló új kötések létrejöhessenek. Ahhoz, hogy kialakuljon a kötések felszakítására alkalmas állapot, a molekulát el kell torzítani (deformálni, meghajlítani), hogy eljusson egy instabil állapotba, amelyet aktivált komplexnek nevezünk. Az aktivált komplexnek magas az energiaszintje, így a molekula csak némi energia – az aktiválási energia – felvételével kerülhet ebbe az állapotba. Mivel az aktivált állapot instabil, a reaktáns molekulák nem sokáig időznek benne, hanem gyorsan továbblépnek a reakció következő szakaszába.
‌Általánosságban elmondható, hogy az aktivált komplex mindig magasabb energiaszinten van, mint a kiindulási anyagok vagy a termékek, így az EA előjele mindig pozitív – függetlenül attól, hogy a reakció egésze endoterm vagy exoterm. Az alábbi diagramon ábrázolt aktiválási energia az átalakulási reakcióra vonatkozik (kiindulási anyagok termékek), amely exoterm. Ha a reakció fordított irányban (endoterm módon) menne végbe, akkor az aktivált komplex energiaszintje ugyanaz maradna, de az aktiválási energia értéke nagyobb lenne. Ennek az az oka, hogy a termék molekulák energiaszintje alacsonyabb, így több energiát igényelnek ahhoz, hogy elérjék az aktivált komplex szintjét az „energiadomb” csúcsán. (A fordított irányú reakció aktiválási energiáját jelképező nyíl a termékek ‌szintjétől az aktivált komplex szintjéig húzódna.)
‌Exoterm reakció energiadiagramja. Noha a termékek energiaszintje alacsonyabb, mint a kiindulási anyagoké (az átalakulás során energia szabadul fel), az energiaváltozást szemléltető görbén mégis van egy egy „púp”, amely a magas energiaszintű aktivált komplex kialakulását jelzi. A termékképződési reakcióhoz tartozó aktiválási energia az az energiamennyiség, amit be kell fektetni ahhoz, hogy a kiindulási anyagok energiaszintjéről eljussunk az aktivált komplex energiaszintjére.
A kép az OpenStax Biology ábrájának módosított változata.
Az aktiválási energia forrása jellemzően a hő, azaz a kiindulási anyagok molekulái hőenergiát vesznek fel a környezetükből. Ez a hőenergia felgyorsítja a kiindulási anyagok molekuláinak mozgását, fokozva az ütközéseik gyakoriságát és erejét, emellett az egyes molekulákon belül is megmozgatja az atomokat, és fellazítja a kötéseket, így azok könnyebben felszakadnak. Amint a kiindulási anyag valamelyik molekulája elegendő energiára tesz szert ahhoz, hogy eljusson az aktivált komplex szintjére, onnan már továbbléphet a reakció további szakaszába.

Aktiválási energia és reakciósebesség

A kémiai reakciók aktiválási energiája szorosan összefügg a reakció sebességével. Pontosabban fogalmazva, minél nagyobb az aktiválási energia, annál lassúbb lesz a kémiai reakció. Ennek az az oka, hogy a molekulák közt csak akkor megy végbe a reakció, ha elérték az aktiválási energiagát tetejét. Minél magasabb a gát, annál kevesebb molekulának lesz elég energiája ahhoz, hogy egy adott pillanatban átjusson rajta.
Sok reakciónak olyan magas az aktiválási energiája, hogy energiabevitel nélkül egyáltalán nem megy végbe. Az üzemanyagok, mint például a propán elégetése energiát szabadít fel, de a reakció sebessége szobahőmérsékleten gyakorlatilag nulla. (Ez jól is van így – nem volna vidám dolog, ha a gázpalackok maguktól lángra kapnának a raktárban!) Amint egy szikra elég energiát szolgáltat ahhoz, hogy néhány molekula átlépje az aktiválási energiagátat, ezen molekulák közt végbemegy a reakció, ami energiát szabadít fel. A felszabaduló energia segít a többi üzemanyagmolekulának is átlépni az energiagátat, ami láncreakcióhoz vezet.
A sejtekben lejátszódó kémiai reakciók többsége hasonlít a szénhidrogének égéséhez: az aktiválási energia túl magas ahhoz, hogy a reakció jelentősen előrehaladjon az adott környezetre jellemző hőmérsékleten. Ez elsőre komoly problémának tűnik; elvégre egy sejt belsejében nem lehet tüzet csiholni anélkül, hogy kárt okoznánk. Szerencsére lehetséges csökkenteni a reakció aktiválási energiáját, és ezáltal növelni a reakciósebességet. A reakció felgyorsítását az aktiválási energia csökkentésén át katalízisnek nevezzük, az aktiválási energia csökkentésére használt eszközt pedig katalizátornak. A biológiai katalizátorokat enzimeknek nevezzük, és a következő részben részletesen megvizsgáljuk őket.

Szeretnél részt venni a beszélgetésben?

Még nincs hozzászólás.
Tudsz angolul? Kattints ide, ha meg szeretnéd nézni, milyen beszélgetések folynak a Khan Academy angol nyelvű oldalán.