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Dans cet article, nous allons parler de l'énergie d'activation, qui est cette colline métaphorique que toutes les réactions doivent escalader.
- Cet article porte sur l'énergie d'activation.
- Tout d'abord, nous verrons pourquoi l'énergie d'activation est importante.
- Ensuite, nous parlerons de l'équation d'Arrhenius.
- Ensuite, nous aborderons les unités des variables de l'équation d'Arrhenius.
- Enfin, nous examinerons les graphiques de l'énergie d'activation et apprendrons à les lire.
Définition de l'énergie d'activation
Avant d'entrer dans le vif du sujet, voyons d'abord la définition de notre sujet : l'énergie d'activation.
L'énergie d'activation est la quantité minimale d'énergie totale nécessaire pour qu'une réaction se produise
La quantité d'énergie nécessaire dépend du caractère endothermique ou exothermique de la réaction.
Une réaction endothermique est toute réaction qui nécessite un ajout d'énergie pour se produire. Il s'agit d'une absorption nette de chaleur.
Une réaction exothermique est une réaction qui libère de la chaleur ; cependant, il faut toujours de la chaleur pour qu'elle se produise.
Pour les réactions endothermiques, tu peux comparer l'énergie d'activation à l'électricité nécessaire pour alimenter un grille-pain. Un grille-pain peut nécessiter une prise de courant d'une capacité de 1200 watts, de la même façon qu'une réaction endothermique peut nécessiter 100 joules d'énergie pour se produire. Le grille-pain ne libère pas d'énergie, il ne fait que l'absorber.Pour une réaction exothermique, la réaction libère plus d'énergie qu'elle n'en demande (c'est-à-dire l'énergie d'activation).
Un bon exemple est l'allumage d'une allumette. Le fait de craquer une allumette donne au système l'énergie initiale dont il a besoin pour s'enflammer, et la chaleur dégagée est beaucoup plus importante que ce qu'il a fallu pour l'allumer.
L'énergie d'activation est l'énergie nécessaire pour briser les liaisons dans les réactifs qui empêchent la réaction d'avoir lieu, certaines liaisons sont plus fortes que d'autres, c'est pourquoi il faut plus d'énergie pour les briser. C'est pourquoi toutes les réactions ont besoin d'une énergie d'activation ! Laformation de liaisons est ce qui libère de l'énergie. Si les liaisons des produits sont plus fortes que celles des réactifs, il y a un dégagement net de chaleur (réaction exothermique). Si ces liaisons sont plus faibles, et donc moins stables, la réaction est un gain net de chaleur (réaction endothermique).
Conseil : Alors que l'énergie d'activation est simplement la quantité d'énergie requise pour compléter une réaction, une réaction peut utiliser une quantité d'énergie excédentaire qui peut aider à accélérer une réaction. Pense à l'eau bouillante : tu ne mets pas ta cuisinière à 100 °C pour amener l'eau à 100 °C, tu utilises une température plus élevée pour amener l'eau à 100 °C plus rapidement.
Importance de l'énergie d'activation
Pourquoi l'énergie d'activation est-elle importante en chimie ? Comme nous l'avons vu dans l'introduction, l'énergie d'activation est la pente que les réactions doivent gravir pour se produire. Il est très important de connaître la quantité d'énergie nécessaire, sinon ta réaction risque de ne jamais se produire !
Prends l'exemple de l'eau bouillante. Si tu mets ta cuisinière à 90 °C, ton eau ne bouillira jamais. Si tu utilises plutôt un bec Bunsen pour chauffer une fiole contenant des réactifs, ta réaction ne se produira pas non plus. Il est essentiel de connaître l'énergie d'activation pour que les réactions puissent se produire.
Formule de l'énergie d'activation
Lorsque nous calculons l'énergie d'activation, nous utilisons l'équation d'Arrhenius:
L'équation d'Arrhenius montre comment la vitesse d'une réaction dépend de son énergie d'activation, de la température et du facteur de fréquence $$k=Ae^{\frac{-E_A}{RT}}$$.
Où : A est le facteur de fréquence (constante) qui représente la fraction des collisions de molécules qui produisent une réaction.
EA est l'énergie d'activation
R est la constante des gaz; elle vaut 8,314 J/mol*K (mais peut avoir des valeurs différentes selon les unités utilisées).
T est la température
k est la constante de vitesse qui mesure la vitesse relative d'une réaction.
Il existe une autre forme de cette équation que nous utilisons : $$ln(k)=\frac{-E_A}{RT}+ln(A)$$.
Ça te dit quelque chose ? Voici l'équation d'une droite : $$y=mx+b$$.
La formule est établie de cette façon, ce qui nous permet de déterminer facilement l'énergie d'activation. Lorsque l'inverse de la température (1/T) est représenté sur un graphique en fonction de ln(k), la pente (m) du graphique sera \(\frac{-E_A}{R}\), nous pouvons donc facilement la résoudre.
Unités d'énergie d'activation
Enfin, examinons brièvement les unités pertinentes :
L'énergie d'activation est généralement mesurée en joules par mole (J/mol)
Latempérature est mesurée en Kelvin (K)
R est notre constante des gaz, et il existe plusieurs constantes avec des unités différentes. Comme la température est généralement mesurée en Kelvin et que l'énergie d'activation est souvent mesurée en Joules/mol, nous utiliserons généralement la constante des gaz de 8,314 \(\frac{J}{molK}\), ce qui annulera nos autres unités.
k est la constante de vitesse et ses unités dépendent de l'ordre de la réaction. Une réaction d'ordre zéro utilise des unités de M/s, une réaction d'ordre 1 utilise des unités de 1/s, une réaction d' ordre 2 utilise des unités de 1/M*s, et ainsi de suite. Les unités utilisées dépendent de la réaction étudiée.
La lettre A dans l'équation d'Arrhenius est également une constante et ses unités sont identiques à celles de la constante de vitesse.
Graphique de l'énergie d'activation
Il y a deux types de graphiques que tu verras généralement lorsque tu discuteras de l'énergie d'activation. Le premier est un diagramme d'énergie.
Un diagramme d'énergie montre le changement d'énergie au cours d'une réaction en passant des réactifs aux produits.
Voici un exemple des deux diagrammes ci-dessous :
Diagrammes énergétiques pour les réactions exothermiques et endothermiques.StudySmarter Original
L'énergie d'activation est mesurée à partir des réactifs jusqu'au sommet du graphique. Si l'énergie d'activation est la "colline" que nous devons gravir pour arriver de l'autre côté, alors le diagramme énergétique est ton "chemin énergétique". L'énergie d'activation d'une réaction endothermique (à droite) est beaucoup plus importante que celle d'une réaction exothermique (à gauche).
Cela s'explique par le fait que les produits ont une énergie plus élevée que les réactifs dans le cas d'une réaction endothermique, et que les systèmes veulent toujours avoir l'énergie la plus basse possible. C'est pourquoi il faut ajouter de l'énergie/de la chaleur au système pour que les réactions endothermiques se produisent.
L'énergie d'activation peut être réduite si l'on ajoute un catalyseur.
Un catalyseur est une espèce qui est utilisée (mais non consommée) par la réaction pour abaisser l'énergie d'activation.
Un diagramme illustrant ce phénomène ressemble à ceci :
Lacourbe du haut (en violet) montre la réaction originale, tandis que la courbe du bas (en vert) montre la réaction avec un catalyseur. Comme tu peux le voir, le catalyseur réduit considérablement l'énergie d'activation. Il le fait en donnant à la réaction un chemin différent à suivre. C'est un peu comme si tu prenais un autre itinéraire pour arriver plus vite à destination.Le deuxième type de graphique est le tracé de 1/T en fonction de ln(k). Voici quelques exemples de données:
Graphique de l'équation d'Arrhenius. StudySmarter Original.
Comme nous l'avons vu précédemment, la pente de ce graphique est égale à \(\frac{-E_A}{R}\), nous pouvons donc facilement calculer l'énergie d'activation à partir de ces données:
Étant donné le graphique ci-dessus, quelle est l'énergie d'activation de la réaction ?
Tout d'abord, nous pouvons utiliser l'équation de la droite pour déterminer la pente :
\N(y=-22333x+25.3\N)
\N(y=mx+b\N)
\(m=-22333\)
Nous pouvons maintenant calculer l'énergie d'activation
\(m=\frac{-E_A}{R}\)
\(-22333 K=\frac{-E_A}{R}\)
\(-22333 K=\frac{-E_A}{\frac{8.314\,J}{molK}}\)
\(E_A=185,677\,\frac{J}{mol}\,\,\text{or}\,\,E_A=186\frac{kJ}{mol}\)
Nous pouvons également calculer l'énergie d'activation en utilisant deux points de données. Voici comment procéder :
Une réaction a été effectuée à deux températures et la constante de vitesse a été enregistrée. Les données suivantes ont été mesurées : ln(k) = -0,693 pour 1/T = 0,00336 K-1, et ln(k) = 0,182 pour 1/T = 0,00251 K-1. Quelle est l'énergie d'activation pour cette réaction ?
Nous pouvons utiliser l'équation de la pente pour calculer l'énergie d'activation : $$m=\frac{y_2-y_1}{x_2-x_1}$$.
Tout ce que nous avons à faire est de substituer nos valeurs et de résoudre pourEA
\((x_1,y_1)=(0.00336\,K^{-1},-0.693)\)
\((x_2,y_2=(0.00251\,K^{-1},0.182)\)
\(\frac{-E_A}{R}=\frac{0.182+0.693}{0.00251\,K^{-1}-0.00336\,K^{-1}}\)
\(\frac{-E_A}{R}=-1,029\,K\)
\(E_A=(-1,029K)(-8.314\frac{J}{molK})\)
\(E_A=8,559\frac{J}{mol}\,\,\text{or}\,\,E_A=8.56\frac{kJ}{mol}\)
Énergie d'activation - Points clés
- L'énergie d'activation est la quantité minimale d'énergie totale requise pour mener à bien une réaction.
- L'équation d'Arrhenius montre comment la vitesse d'une réaction dépend de son énergie d'activation, de la température et du facteur de fréquence $$k=Ae^{\frac{-E_A}{RT}}$$.
- Un diagramme énergétique montre le changement d'énergie au cours d'une réaction lorsqu'elle passe des réactifs aux produits.
- Un catalyseur est une espèce qui est utilisée (mais non consommée) par la réaction pour abaisser l'énergie d'activation.
L'autre forme de l'équation d'Arrhenius est utilisée pour les graphiques, à savoir $$ln(k)=\frac{-E_A}{RT}+ln(A)$$.
Lorsque ln(k) en fonction de 1/T est représenté graphiquement, la pente est égale à \(\frac{-E_A}{R}\)
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Questions fréquemment posées en Énergie d'activation
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