Giấy và gỗ là những chất tỏa ra nhiều nhiệt khi cháy trong oxy. Thế nhưng sách đặt trên giá không tự nhiên bốc cháy. Phải quẹt diêm rồi đưa mồi lửa đến thì chúng mới bắt đầu cháy, và khi đã bén, ngọn lửa sẽ tự lan ra. Điều này có nghĩa là phản ứng phải vượt qua một ngưỡng ban đầu mới có thể xảy ra, và tên gọi của độ cao ngưỡng đó chính là “năng lượng hoạt hóa (Activation Energy)”.
Nói đơn giản, năng lượng hoạt hóa là “ngọn đồi năng lượng tối thiểu mà chất phản ứng nhất thiết phải vượt qua để biến thành sản phẩm”. Đồi cao thì phản ứng chậm, đồi thấp thì phản ứng diễn ra nhanh ngay cả ở cùng một nhiệt độ. Vì vậy, khái niệm này là điểm khởi đầu để giải thích tốc độ phản ứng trong nấu nướng, bảo quản, nhà máy và cả quá trình trao đổi chất trong cơ thể.
Trong tài liệu này, chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu ý nghĩa của năng lượng hoạt hóa và phương trình Arrhenius, nguyên lý nhiệt độ làm phản ứng diễn ra nhanh hơn, cách chất xúc tác và enzyme hạ thấp ngọn đồi, cùng những ví dụ dễ hiểu trong đời sống.
Năng lượng hoạt hóa quyết định tốc độ phản ứng
Ý nghĩa của năng lượng hoạt hóa và phương trình Arrhenius
Để phân tử chất phản ứng biến thành sản phẩm, nó phải đi qua một giai đoạn trung gian có năng lượng cao nhất, khi các liên kết cũ lỏng đi và các liên kết mới bắt đầu hình thành. Đỉnh đèo này được gọi là trạng thái chuyển tiếp, và chênh lệch năng lượng giữa chất phản ứng với trạng thái chuyển tiếp chính là năng lượng hoạt hóa. Đại lượng này thường được biểu thị bằng đơn vị kilojoule trên mol (kJ/mol).
Người diễn đạt ý tưởng này thành phương trình là nhà hóa học Thụy Điển Svante Arrhenius. Dựa trên nghiên cứu của van ’t Hoff vào năm 1884, năm 1889, ông đề xuất rằng hằng số tốc độ phản ứng k tuân theo “k = A × exp(−Ea/RT)”. Trong đó, Ea là năng lượng hoạt hóa, T là nhiệt độ tuyệt đối và R là hằng số khí.
Phương trình này sẽ dễ hiểu hơn nếu ví với cảnh lăn một quả bóng sang ngôi làng bên kia núi. Dù ngôi làng đích đến nằm thấp hơn, quả bóng vẫn khó vượt qua nếu ngọn đồi ở giữa quá cao. Vì Ea nằm trong số mũ của phương trình, chỉ cần ngọn đồi cao thêm một chút thì số bóng vượt qua đã giảm đi vài lần, thậm chí vài chục lần.
- Trạng thái chuyển tiếp (Transition State): Cấu hình nguyên tử không ổn định tại thời điểm có năng lượng cao nhất trên đường phản ứng.
- Thừa số tần số (Pre-exponential Factor): Là A trong phương trình, phản ánh số lần các phân tử va chạm theo hướng thích hợp.
- Hằng số tốc độ phản ứng (Rate Constant): Giá trị cho biết phản ứng diễn ra nhanh đến mức nào ở cùng nồng độ; giá trị càng lớn thì phản ứng càng nhanh.
Nguyên lý nhiệt độ làm phản ứng diễn ra nhanh hơn
Theo thuyết va chạm, các phân tử phải va chạm với nhau mới phản ứng, nhưng không phải mọi va chạm đều dẫn đến phản ứng. Chỉ những va chạm vừa có đủ năng lượng vừa có hướng thích hợp mới vượt qua được ngọn đồi.
(1) Tỷ lệ phân tử có năng lượng cao tăng lên
Khi tăng nhiệt độ, động năng trung bình của các phân tử tăng và tỷ lệ phân tử có năng lượng lớn hơn năng lượng hoạt hóa tăng đáng kể. Vì tỷ lệ này biến đổi theo hàm mũ, chỉ cần tăng nhiệt độ một chút cũng khiến tốc độ phản ứng thay đổi rõ rệt.
(2) Quy tắc ước tính tăng gấp đôi sau mỗi 10 độ
Ở gần nhiệt độ phòng, một phản ứng có năng lượng hoạt hóa khoảng 50 kJ/mol sẽ có tốc độ tăng xấp xỉ gấp đôi khi nhiệt độ tăng 10 độ. Tuy nhiên, đây chỉ là phép ước tính, và phản ứng có ngọn đồi càng cao thì càng nhạy với nhiệt độ.
(3) Hướng cũng phải phù hợp
Dù có đủ năng lượng, các phân tử vẫn chỉ bật ra nếu những phần tham gia phản ứng không tiếp xúc với nhau. Điều kiện về hướng này được thể hiện trong thừa số tần số A.
Cách chất xúc tác và enzyme hạ thấp ngọn đồi
Chất xúc tác là chất tham gia phản ứng nhưng vẫn còn nguyên khi phản ứng kết thúc, mở ra một đường phản ứng mới có năng lượng hoạt hóa thấp hơn. Ngay cả ở cùng nhiệt độ, số phân tử có thể vượt qua ngọn đồi cũng tăng lên rất nhiều, khiến phản ứng diễn ra nhanh hơn.
Những gì chất xúc tác thay đổi và không thể thay đổi
- Đường phản ứng (Reaction Pathway): Chất xúc tác thay chính con đường vượt đèo mà chất phản ứng đi qua bằng một con đường thấp hơn.
- Nhiệt phản ứng (Enthalpy of Reaction): Vì độ cao của điểm xuất phát và đích đến giữ nguyên, lượng nhiệt tỏa ra hoặc thu vào trong phản ứng không thay đổi.
- Cân bằng hóa học (Chemical Equilibrium): Vì chất xúc tác làm cả phản ứng thuận lẫn phản ứng nghịch diễn ra nhanh hơn, hệ chỉ đạt cân bằng sớm hơn chứ vị trí cân bằng không thay đổi.
- Enzyme (Enzyme): Chất xúc tác protein do sinh vật tạo ra, giúp các phản ứng trong cơ thể diễn ra đúng lúc ngay cả ở nhiệt độ thấp như thân nhiệt.
Tìm hiểu qua những ví dụ dễ hiểu trong đời sống
Năng lượng hoạt hóa vẫn chi phối các quá trình hằng ngày bên ngoài phòng thí nghiệm. Có lúc chúng ta chủ động giúp vượt qua ngọn đồi, có lúc lại ngăn việc vượt qua đó.
(1) Mồi lửa của diêm và bếp gas
Nhiên liệu và oxy không tự cháy chỉ vì gặp nhau. Khi nhiệt ma sát hoặc tia lửa đánh lửa giúp vượt qua ngọn đồi ban đầu, nhiệt do phản ứng sinh ra sẽ đẩy các phân tử tiếp theo lên, duy trì sự cháy.
(2) Tủ lạnh và bảo quản thực phẩm
Các phản ứng gây hư hỏng và phản ứng enzyme của vi sinh vật diễn ra càng chậm khi nhiệt độ càng thấp. Bảo quản lạnh là cách kéo dài thời gian bằng việc giảm số phân tử vượt qua ngọn đồi.
(3) Thiết bị xử lý khí thải ô tô
Các chất xúc tác kim loại như platin, palladium và rhodium nhanh chóng chuyển carbon monoxide và các oxit nitơ thành những chất ít gây hại hơn. Nếu không có chất xúc tác, những phản ứng này khó xảy ra trong khoảng thời gian ngắn khi khí đi qua ống xả.
(4) Vì sao kim cương không biến thành than chì
Ở điều kiện thông thường, than chì ổn định hơn, nhưng kim cương vẫn tồn tại mà không biến đổi. Nguyên nhân là năng lượng hoạt hóa của con đường chuyển đổi rất cao, khiến quá trình này trên thực tế gần như không diễn ra. Phản ứng có thể xảy ra hay không và phản ứng xảy ra nhanh đến mức nào là hai câu hỏi khác nhau.
Năng lượng hoạt hóa là ngọn đồi năng lượng tối thiểu mà chất phản ứng phải vượt qua để trở thành sản phẩm; độ cao của ngọn đồi cùng với nhiệt độ quyết định tốc độ phản ứng. Phương trình Arrhenius và thuyết va chạm giải thích theo một mạch thống nhất cách chúng ta nhóm lửa, bảo quản thực phẩm và dùng chất xúc tác để điều khiển phản ứng trong nhà máy cũng như trong cơ thể.
Khi một biến đổi diễn ra chậm hay nhanh, hãy xem xét độ cao của ngọn đồi cần vượt qua trước khi xét đến kết quả phản ứng. Đó là bước đầu tiên để vận dụng hiểu biết về năng lượng hoạt hóa vào đời sống.
