การเร่งปฏิกิริยาและการขึ้นกับอุณหภูมิ

อัตราการเกิดปฏิกิริยาเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วตามอุณหภูมิในลักษณะที่อธิบายได้ด้วยสมการอาร์เรเนียส และตัวเร่งปฏิกิริยาจะเร่งปฏิกิริยาโดยการจัดหาเส้นทางทางเลือกที่มีพลังงานกระตุ้นต่ำกว่า

Definition

การเร่งปฏิกิริยาคือการเร่งปฏิกิริยาโดยสารที่ให้เส้นทางพลังงานที่ต่ำกว่าและถูกสร้างขึ้นใหม่โดยไม่เปลี่ยนแปลง และการขึ้นกับอุณหภูมิหมายถึงความสัมพันธ์แบบอาร์เรเนียสระหว่างค่าคงที่อัตรา พลังงานกระตุ้น และอุณหภูมิ

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมการขึ้นกับอุณหภูมิของค่าคงที่อัตราผ่านสมการอาร์เรเนียส พลังงานกระตุ้นและปัจจัยก่อนการชี้กำลัง และการตีความระดับโมเลกุลโดยทฤษฎีการชนและทฤษฎีสถานะเปลี่ยนผ่าน นอกจากนี้ยังครอบคลุมจลนพลศาสตร์ของการเร่งปฏิกิริยา: ตัวเร่งปฏิกิริยาลดพลังงานกระตุ้นได้อย่างไรโดยไม่ถูกใช้ไป การเร่งปฏิกิริยาแบบเอกพันธ์และวิวิธพันธ์ กลไกพื้นผิวแบบแลงเมียร์-ฮินเชลวูดและอีเลย์-ไรเดิล และการเร่งปฏิกิริยาด้วยเอนไซม์ผ่านแผนภาพมิคาเอลิส-เมนเทน ทฤษฎีโดยละเอียดของสารเชิงซ้อนกัมมันต์และกฎอัตราพื้นฐานจะกล่าวถึงในหัวข้อที่เกี่ยวข้อง

Core questions

• สมการอาร์เรเนียสเชื่อมโยงค่าคงที่อัตรากับอุณหภูมิและพลังงานกระตุ้นได้อย่างไร?
• ตัวเร่งปฏิกิริยาเพิ่มอัตราได้อย่างไรโดยไม่ถูกใช้ไปหรือเปลี่ยนสมดุล?
• กลไกแลงเมียร์-ฮินเชลวูดและอีเลย์-ไรเดิลอธิบายการเร่งปฏิกิริยาบนพื้นผิวได้อย่างไร?
• แผนภาพมิคาเอลิส-เมนเทนอธิบายจลนพลศาสตร์ของเอนไซม์และความอิ่มตัวได้อย่างไร?

Key concepts

• สมการอาร์เรเนียสและปัจจัยก่อนการชี้กำลัง
• พลังงานกระตุ้น
• การเร่งปฏิกิริยาแบบเอกพันธ์และวิวิธพันธ์
• กลไกแลงเมียร์-ฮินเชลวูดและอีเลย์-ไรเดิล
• จลนพลศาสตร์ของเอนไซม์แบบมิคาเอลิส-เมนเทน

Key theories

สมการอาร์เรเนียส

ค่าคงที่อัตราขึ้นอยู่กับอัตราส่วนเชิงลบของพลังงานกระตุ้นต่อพลังงานความร้อนแบบเอกซ์โพเนนเชียล ดังนั้นการพล็อตค่าลอการิทึมของค่าคงที่อัตราเทียบกับส่วนกลับของอุณหภูมิจะให้พลังงานกระตุ้นจากความชัน

จลนพลศาสตร์ของเอนไซม์แบบมิคาเอลิส-เมนเทน

เอนไซม์จับกับสารตั้งต้นในภาวะสมดุลก่อนหน้าอย่างรวดเร็วเพื่อสร้างสารเชิงซ้อนที่เปลี่ยนไปเป็นผลิตภัณฑ์ ทำให้เกิดอัตราที่เพิ่มขึ้นตามความเข้มข้นของสารตั้งต้นและอิ่มตัวที่ความเร็วสูงสุด ซึ่งมีลักษณะเฉพาะด้วยค่าคงที่มิคาเอลิส

Clinical relevance

แนวคิดเหล่านี้เป็นพื้นฐานของการเร่งปฏิกิริยาแบบวิวิธพันธ์ทางอุตสาหกรรม เช่น การสังเคราะห์แอมโมเนียและเครื่องฟอกไอเสียเชิงเร่งปฏิกิริยา การควบคุมอุณหภูมิและความเสถียรของกระบวนการทางเคมีและวัสดุที่เก็บไว้ และการวิเคราะห์เชิงปริมาณของเอนไซม์ที่ทำให้การเร่งปฏิกิริยาเป็นหัวใจสำคัญของชีวเคมีและการออกฤทธิ์ของยา

History

แบร์เซลิอุสตั้งชื่อการเร่งปฏิกิริยาในปี 1835 อาร์เรเนียสให้กฎอุณหภูมิของอัตราในปี 1889 และช่วงต้นศตวรรษที่ยี่สิบได้เห็นจลนพลศาสตร์พื้นผิวของแลงเมียร์และการบำบัดเอนไซม์ของมิคาเอลิส-เมนเทนในปี 1913 ซึ่งเป็นการสร้างการเร่งปฏิกิริยาให้เป็นสาขาเชิงปริมาณของจลนพลศาสตร์

Key figures

• Svante Arrhenius
• Jons Jacob Berzelius
• Leonor Michaelis

Seminal works

• atkins2018
• laidler1987

Frequently asked questions

ตัวเร่งปฏิกิริยาถูกใช้หมดไปในปฏิกิริยาหรือไม่?

ไม่ ตัวเร่งปฏิกิริยามีส่วนร่วมในกลไกแต่จะถูกสร้างขึ้นใหม่เมื่อสิ้นสุดวัฏจักรการเร่งปฏิกิริยา ดังนั้นโดยหลักการแล้วปริมาณเล็กน้อยสามารถเปลี่ยนสารตั้งต้นจำนวนมากได้ แม้ว่าตัวเร่งปฏิกิริยาจริงอาจเสื่อมสภาพหรือถูกทำลายได้เมื่อเวลาผ่านไป

เหตุใดการเพิ่มอุณหภูมิจึงมักเร่งปฏิกิริยาให้เร็วขึ้นอย่างมาก?

สัดส่วนของโมเลกุลที่มีพลังงานเพียงพอที่จะข้ามกำแพงพลังงานกระตุ้นจะเพิ่มขึ้นแบบเอกซ์โพเนนเชียลตามอุณหภูมิ ดังนั้นแม้การเพิ่มอุณหภูมิเพียงเล็กน้อยก็สามารถเพิ่มอัตราได้หลายเท่า ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมปฏิกิริยาหลายอย่างจึงมีอัตราเพิ่มขึ้นประมาณสองเท่าสำหรับการเพิ่มขึ้นทุกสิบองศา