طاقة التنشيط Energy of activation

لمعرفة ما يحدث فعلاً خلال تفاعل كيميائي، دعونا ننظر بشكل أدق الى مثال محدد هو هجوم ذرات الكلور على الميثان:

إن هذا التفاعل، بسيط نسبياً ويحدث في الطور الغازي، لذلك لا يعقد بوجود المذيب، يتضمن ثائراً بين ذرة مفردة وأبسط جزيء عضوي. ومع ذلك لا يمكن أن نتعلم منه بعض المبادئ التي تطبق على أي تفاعل.

ما الذي يجب أن يحدث ليحصل هذا التفاعل؟ قبل كل شيء يجب على ذرة الكلور وجزيء الميثان أن يتصادما. لما كانت القوى الكيميائية قصيرة المدى جداً، فإن الرابطة هيدروجين – كلور، لا تتشكل إلا عندما تكون الذرتان على تماس مباشر.

ولكي يكون التصادم فعالاً، يجب عليه، أيضاً، أن يقدم كمية معينة دنيا من الطاقة.

إن تشكل الرابطة (H-CI) يحرر كمية من الطاقة مقدارها 103 كيلو سعرة/مول، أما كسر الرابطة (CH₃-H) فيتطلب 104 كيلو سعرة/مول. قد نتوقع أنه يلزم فقط 1 كيلو سعرة/مول من الطاقة الإضافية ليحدث التفاعل؛ ولكن الأمر ليس كذلك.

إن كسر رابطة وتشكل أخرى ليس متواقتاً بشكل تام، وكذلك فإن الطاقة المتحررة ليست متوافرة تماماً للأخرى. فقد أثبتت التجارب أنه يلزم تقديم (4 كيلو سعرة/مول) من الطاقة كي يحدث التفاعل.

تدعى كمية الطاقة الدنيا التي يجب أن تقدم عن طريق التصادم لكي يجري التفاعل (طاقة التنشيط) (Eact).

وتستمد هذه الطاقة من الطاقة الحركية للجسيمات المتحركة. تولد أغلب التصادمات طاقة أقل من هذا الحد الأدنى، ولذا فهي غير مثمرة، وعندها ترتد الجسيمات الأصلية متباعدة ببساطة تامة.

وتؤدي، فقط، التصادمات الصلبة بين الجسيمات الى تحرك أحدهما أو كلاهما بسرعة غير عادية وتكون نشطة وكافية لحدوث التفاعل. وفي مثالنا الحالي، يكون تصادم واحد فقط من أصل (40) ذا طاقة كافية لحدوث التفاعل في درجة حرارة (275˚س).. وأخيراً، بالإضافة الى أن التصادمات ذات طاقة كامنة فإنها يجب أن تحدث عندما تتوجه الجسيمات بشكل مناسب.

إذن، يجب على جزيء الميثان، في لحظة التصادم، أن يدور بحيث يجعل ذرة الهيدروجين تتلقى كامل قوة التصادم. ففي مثالنا الحالي، يكون هنالك، فقط، تصادم واحد من كل ثمانية موجهة بشكل مناسب.

وبشكل عام، يتطلب التفاعل الكيميائي تصادمات ذات طاقة كافية (Eact) وتوجه مناسب. وتوجد طاقة تنشيط، لكل تفاعل تتفكك فيها الروابط، حتى في التفاعلات الناشرة للحرارة، حيث طاقة تشكل الرابطة تريد عن تلك التي يستهلكها في كسر الرابطة.

إن هجوم ذرة البروم على جزيء الميثان أكثر امتصاصاً للطاقة حيث تبلغ 16 – AH كيلو سعرة/مول.

يحتاج كسر الرابطة (CH₃-H) (104 كيلو سعرة/مول)، ويتولد من تشكل الرابطة (H-Br) فقط (88 كيلو سعرة/مول). من المؤكد أنه، حتى لو كانت كمية الطاقة المتحررة متوافرة تماماً من أجل كسر الرابطة، فإنه يلزم، على الأقل تقديم طاقة إضافية مقدارها (16 كيلو سعرة/مول) عن طريق التصادم. وبتعبير آخر، يجب أن تكون طاقة التنشيط (Eact)، لتفاعل ماص للحرارة مساوية على الأقل اكبر من (AH). وكما هو عموماً صحيح، فإنه (Eact) للتفاعل السابق هي 18 كيلو سعرة/ مول وهي أكبر قليلاً من قيمة (AH).

حريرة = سعرة حرارية