Activeringsenergie (E_a) — betekenis, energiediagram en katalysator

Eerst: wat is een chemische reactie?

Bij een chemische reactie verdwijnen stoffen en ontstaan er nieuwe stoffen met andere eigenschappen. Op deeltjesniveau worden bindingen tussen atomen verbroken en worden nieuwe bindingen gevormd; de atomen zelf blijven behouden. Je herkent een reactie aan een kleurverandering, gasontwikkeling, een neerslag, of het vrijkomen of opnemen van warmte en licht. Wat er precies reageert, schrijf je op in een kloppende reactievergelijking.

Het verbreken van bindingen kost altijd energie; het vormen van nieuwe bindingen levert energie op. Juist omdat eerst bindingen (deels) los moeten, heeft vrijwel elke reactie een startdrempel nodig. Die drempel is de activeringsenergie.

Wat betekent E_a?

De afkorting E_a komt van energie van activering (Engels: activation energy). De a staat dus voor "activering". Een reactie moet als het ware eerst "geactiveerd" worden voordat hij vanzelf kan doorlopen.

Een bekend voorbeeld: een mengsel van waterstof en zuurstof kan jarenlang in een fles blijven zonder dat er iets gebeurt, hoewel de reactie tot water enorm veel energie oplevert. Eén vonkje is genoeg om het mengsel explosief te laten reageren. De vonk levert de activeringsenergie voor de eerste moleculen; de warmte die daarbij vrijkomt activeert de volgende. Hetzelfde zie je bij een lucifer, een gasfornuis of een houtvuur: hout brandt niet spontaan, maar met een aansteker wel.

Het energiediagram

In een energiediagram zet je de energie (verticaal) uit tegen het reactieverloop (horizontaal). Links staan de beginstoffen, rechts de reactieproducten, en daartussen ligt een bult: het geactiveerd complex of de overgangstoestand. De hoogte van de bult boven het niveau van de beginstoffen is E_a. Het hoogteverschil tussen beginstoffen en producten is de reactiewarmte ΔE (of ΔH).

Drie dingen lees je uit zo'n diagram af:

• Exotherm of endotherm — liggen de producten lager dan de beginstoffen, dan komt er energie vrij (exotherm). Liggen ze hoger, dan neemt de reactie energie op (endotherm).
• De activeringsenergie — hoe hoger de bult, hoe minder botsingen genoeg energie hebben en hoe langzamer de reactie.
• De teruggaande reactie — die heeft een activeringsenergie van E_a + |ΔH|. Een sterk exotherme reactie is daardoor moeilijk terug te draaien.

Het botsende-deeltjesmodel

Waarom bestaat er zo'n drempel? Het botsende-deeltjesmodel geeft het antwoord. Volgens dit model kunnen deeltjes alleen reageren als ze tegen elkaar botsen, en dan nog alleen als de botsing effectief is. Een effectieve botsing voldoet aan twee voorwaarden:

1. De deeltjes hebben samen minstens de activeringsenergie aan bewegingsenergie.
2. Ze botsen in de juiste oriëntatie, zodat de juiste atomen elkaar raken.

In een gas bij kamertemperatuur botst een molecuul miljarden keren per seconde, maar slechts een piepklein deel van die botsingen is effectief. Zou elke botsing tot een reactie leiden, dan zou vrijwel elke gasreactie in een fractie van een seconde voltooid zijn.

Factoren die de reactiesnelheid bepalen

Alles wat het aantal effectieve botsingen per seconde vergroot, verhoogt de reactiesnelheid:

Een vuistregel (van Van 't Hoff): bij veel reacties rond kamertemperatuur verdubbelt tot verdrievoudigt de reactiesnelheid als de temperatuur 10 °C stijgt. Daarom bederft eten in de koelkast langzamer.

Wat doet een katalysator?

Een katalysator is een stof die een reactie versnelt zonder zelf verbruikt te worden. Hij doet dat door een alternatieve reactieweg aan te bieden met een lagere activeringsenergie — de gestippelde curve in het diagram. Belangrijk om te onthouden:

• Een katalysator verlaagt E_a voor de heengaande én de teruggaande reactie.
• Hij verandert de energie van beginstoffen en producten niet, dus ΔH blijft gelijk.
• Hij verandert niet welke producten er ontstaan of hoeveel, alleen hoe snel.

Voorbeelden: de platina- en rhodiumlaag in de katalysator van een auto zet giftig CO en NO om in CO₂ en N₂; bij de productie van ammoniak (Haber-Bosch) wordt ijzer als katalysator gebruikt. In levende cellen zijn enzymen de katalysatoren: eiwitten die reacties bij lichaamstemperatuur miljoenen keren kunnen versnellen.

De vergelijking van Arrhenius

De Zweedse scheikundige Svante Arrhenius introduceerde het begrip activeringsenergie in 1889. Hij vond een formule voor het verband tussen de reactiesnelheidsconstante k, de temperatuur en E_a:

Omdat E_a in de exponent staat, heeft een kleine verandering een groot effect. Twee rekenvoorbeelden, telkens met gelijke A:

Rekenvoorbeeld 1 — 10 graden warmer

Een reactie heeft E_a = 50 kJ/mol. Hoeveel sneller gaat hij bij 35 °C (308 K) dan bij 25 °C (298 K)?

k₃₀₈ / k₂₉₈ = e^{(E_a/R)·(1/298 − 1/308)} = e^{(50 000 / 8,314)·(1,09 · 10⁻⁴)} = e^0,655 ≈ 1,9. De reactie gaat bijna twee keer zo snel — precies wat de vuistregel voorspelt.

Rekenvoorbeeld 2 — effect van een katalysator

Het ontleden van waterstofperoxide (2 H₂O₂ → 2 H₂O + O₂) heeft zonder katalysator een E_a van ongeveer 75 kJ/mol. Met jodide-ionen als katalysator is dat ongeveer 56 kJ/mol. Bij 298 K:

k_kat / k = e^{(75 000 − 56 000) / (8,314 · 298)} = e^{19 000 / 2478} = e^7,67 ≈ 2 · 10³. Een verlaging van 19 kJ/mol maakt de reactie dus ruwweg 2000 keer sneller.

Exotherm versus endotherm

Ook een exotherme reactie, die netto energie oplevert, heeft activeringsenergie nodig. Bij een endotherme reactie is E_a minstens zo groot als de reactiewarmte, want de producten liggen al hoger dan de beginstoffen.

De energiebalans van reacties is een toepassing van de eerste hoofdwet van de thermodynamica: energie gaat niet verloren, maar wordt omgezet tussen chemische energie en warmte.

Veelgestelde vragen

Verder lezen