Ενεργειακό διάγραμμα πολύπλοκης αντίδρασης

Πολλές χημικές αντιδράσεις έχουν μηχανισμούς που αποτελούνται από πολλά στοιχειώδη στάδια. Το ενεργειακό διάγραμμα μιας πολύπλοκης αντίδραση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για σύγκριση των ενεργειών ενεργοποίησης των διαφόρων σταδίων και να καθοριστεί το στάδιο που καθορίζει την ταχύτητα. Το ενεργειακό διάγραμμα μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για τον καθορισμό της συνολικής ενεργειακής μεταβολής της αντίδρασης.

Ας θεωρήσουμε την αντίδραση

με τον επόμενο μηχανισμό.

Στο πρώτο βήμα, το Α αντιδρά
με το BC για να δώσει ΑC και Β.

Στο δεύτερο βήμα, το AC αντιδρά
με το D για να δώσει CD.

Αν προσθέσουμε τα 2 στάδια του μηχανισμού

θα βρούμε την
ισοσταθμισμένη εξίσωση

για αυτήν την υποθετική αντίδραση.

Θα βάλουμε όλα τα αντιδρώντα

στην αριστερή μεριά,
και θα έχουμε

τα προϊόντα στη δεξιά μεριά.

Βλέπουμε ότι το AC είναι στα αριστερά

και στα δεξιά, οπότε διαγράφονται.

Το Α είναι στα δεξιά και στα αριστερά,

οπότε διαγράφεται και αυτό.

Η συνολική εξίσωση θα είναι
BC και D

μας δίνει B και CD.

Είδαμε ότι το BC και το D είναι
τα αντιδρώντα

και το B και CD τα προϊόντα

για την αντίδραση αυτή.

Αν δούμε το μηχανισμό,
το Α είναι από την αρχή

και το Α είναι και στο τέλος.

Αλλά το Α δεν είναι αντιδρών ή προϊόν,

άρα το Α θα είναι καταλύτης.

Κάτι ακόμα που δεν είναι αντιδρών
ή προϊόν είναι το AC.

Βλέπουμε ότι το AC αναγεννάται

στο πρώτο στάδιο του μηχανισμού,

και το AC χρησιμοποιείται στο
δεύτερο στάδιο του μηχανισμού.

Άρα το AC θα είναι ενδιάμεση ουσία
για την αντίδραση.

Ας δούμε το ενεργειακό διάγραμμα

για αυτή την πολύπλοκη αντίδραση.

Τα ενεργειακά διαγράμματα έχουν συνήθως
την ενέργεια στον y - άξονα

και την πορεία της αντίδρασης στο x-άξονα.

Καθώς πάμε προς τα δεξιά στον x-άξονα,

η αντίδραση προχωρά.

Η πρώτη γραμμή στο ενεργειακό διάγραμμα

είναι η ενέργεια των αντιδρώντων,

δηλαδή BC και D.

Ας δείξουμε τον δεσμό μεταξύ B και C.

Και μετά έχουμε και το D παρών.

Ο καταλύτης μας υπάρχει επίσης

από την αρχή της αντίδρασης.

Θα σχεδιάσω το Α πάνω από τα 2 αντιδρώντα.

Βλέπουμε στο ενεργειακό διάγραμμα
δυο κορυφές.

Η πρώτη αντιστοιχεί στο πρώτο στάδιο

του μηχανισμού και η δεύτερη

στο δεύτερο στάδιο του μηχανισμού.

Η πρώτη κορυφή είναι η μεταβατική
κατάσταση

για το πρώτο στάδιο του μηχανισμού.

Βλέπουμε ότι στο πρώτο στάδιο
ο καταλύτης που είναι το Α,

συγκρούεται με το BC ή αντιδρά με το BC

για να σχηματίσει το ενδιάμεσο AC.

Το Α πρέπει να συγκρουστεί με το BC
και στη μεταβατική κατάσταση,

ο δεσμός μεταξύ B και C σπάει,

ενώ ταυτόχρονα σχηματίζεται δεσμός
μεταξύ A και C.

Έχουμε ακόμα το αντιδρών D παρών

στην κορυφή.

Θα σχεδιάσω το D εκεί.

Όταν το Α συγκρουστεί με το BC,
η σύγκρουση πρέπει να έχει

κατάλληλη ενέργεια για να ξεπεράσει
την ενέργεια ενεργοποίησης

που απαιτείται για να γίνει η αντίδραση.

Σε αυτό το ενεργειακό διάγραμμα,

η ενέργεια ενεργοποίησης είναι
η διαφορά ενέργειας

μεταξύ αντιδρώντων και της μεταβατικής
κατάστασης,

την κορυφή του λόφου.

Αυτή η διαφορά στην ενέργεια,

αντιστοιχεί στην ενέργεια ενεργοποίησης

για το πρώτο στάδιο του μηχανισμού
που θα πούμε Εα1.

Αν υποθέσουμε ότι η σύγκρουση έχει
αρκετή κινητική ενέργεια

πιο πολύ από την ενέργεια ενεργοποίησης,

θα σχηματιστεί το ενδιάμεσο AC
και το B.

Ας δείξω το δεσμό

μεταξύ A και C που σχηματίστηκε.

Η κοιλάδα ανάμεσα στα δυο όρη

αναπαριστά την ενέργεια του ενδιαμέσου.

Θα έχουμε και το Β παρών,

θα γράψω Β εδώ.

Και θα έχουμε και D παρών,

το D δεν έχει αντιδράσει ακόμα.

Θα γράψω D εδώ.

Τώρα είμαστε έτοιμοι για το δέυτερο λόφο

ή το δεύτερο στάδιο του μηχανισμού.

Στο δεύτερο στάδιο το ενδιάμεσο AC
αντιδρά με το D

και δίνει A και CD.

Η κορυφή του λόφου θα είναι η
μεταβατική κατάσταση

για το δεύτερο στάδιο.

Θα δείξουμε το δεσμό μεταξύ
A και C να σπάει,

και συγχρόνως το δεσμό μεταξύ
C και D να σχηματίζεται.

Η διαφορά στην ενέργεια μεταξύ
της ενέργειας

του ενδιαμέσου και της
μεταβατικής κατάστασης

είναι η ενέργεια ενεργοποίησης

για το δεύτερο στάδιο του μηχανισμού,

που θα πούμε Εα2.

To ΑC και το D πρέπει να συγκρουστούν με
κατάλληλη κινητική ενέργεια

για να ξεπεράσουν την ενέργεια
ενεργοποίησης του δευτέρου σταδίου.

Αν το AC και το D συγκρουστούν με αρκετή
ενέργεια,

θα παραχθεί A και CD.

Αυτή η γραμμή στο τέλος αναπαριστά
το ενεργειακό επίπεδο

των προϊόντων.

Το CD είναι ένα από τα προϊόντα,
θα το γράψουμε εδώ.

Θυμηθείτε ότι το Β είναι το
άλλο προϊόν,

που σχηματίστηκε στο πρώτο στάδιο
του μηχανισμού.

Ας γράψω εδώ B και CD.

Σχηματίστηκε πάλι και ο καταλύτης μας,

άρα το Α θα είναι και αυτό παρών.

Ας συγκρίνουμε την πρώτη
ενέργεια ενεργοποίησης Εα1

με την δεύτερη την Εα2 .

Κοιτώντας το ενεργειακό διάγραμμα
βλέπουμε ότι η Εα1

έχει μικρότερη ενέργεια ενεργοποίησης
από την Εα2.

Ας γράψω Εα1 μεγαλύτερη της Εα2.

Όσο πιο μικρή η ενέργεια ενεργοποίησης
τόσο ταχύτερη η αντίδραση,

και αφού υπάρχει μικρότερη
ενέργεια ενεργοποίησης

για το δεύτερο στάδιο,

το δεύτερο στάδιο θα είναι το πιο γρήγορο.

Αφού το πρώτο στάδιο έχει
υψηλότερη ενέργεια ενεργοποίησης,

θα είναι πιο αργό σε σχέση με το δεύτερο.

Αφού το πρώτο στάδιο είναι
το αργό του μηχανισμού,

θα καθορίσει την ταχύτητα της αντίδρασης.

Τέλος, ας βρούμε τη συνολική μεταβολή
της ενέργειας

της αντίδρασης.

Η συνολική μεταβολή της ενέργεια
θα είναι ΔΕ,

που είναι τελική μείον την αρχική.

Την ενέργεια των προϊόντων

μείον την ενέργεια των αντιδρώντων.

Η ενέργεια των προϊόντων είναι εδώ

και η ενέργεια των αντιδρώντων

είναι στην αρχή.

Ας προεκτείνω την γραμμή εδώ

για καλύτερη σύγκριση των δύο.

Η ΔΕ στο γράφημα,

θα είναι η διαφορά ενέργειας

μεταξύ των δύο γραμμών.

Αφού η ενέργεια των προϊόντων

είναι μεγαλύτερη από αυτή
των αντιδρώντων,

θα αφαιρούμε ένα μικρότερο αριθμό

από έναν μεγαλύτερο

άρα το ΔΕ θα είναι θετικό

για αυτή την αντίδραση.

Αφού το ΔΕ είναι θετικό,

η αντίδραση θα είναι ενδόθερμη αντίδραση.