Jika Anda pernah bertanya-tanya bagaimana para insinyur menghitung kekuatan beton yang mereka buat untuk proyek mereka atau bagaimana ahli kimia dan fisikawan mengukur konduktivitas listrik bahan, sebagian besar bergantung pada seberapa cepat reaksi kimia terjadi.
Mencari tahu seberapa cepat reaksi terjadi berarti melihat kinematika reaksi. Persamaan Arrhenius memungkinkan Anda melakukan hal seperti itu. Persamaan tersebut melibatkan fungsi logaritma natural dan memperhitungkan laju tumbukan antar partikel dalam reaksi.
Perhitungan Persamaan Arrhenius
Dalam satu versi persamaan Arrhenius, Anda dapat menghitung laju reaksi kimia orde pertama. Reaksi kimia orde pertama adalah reaksi di mana laju reaksi hanya bergantung pada konsentrasi satu reaktan. Persamaannya adalah:
K=Ae^{-E_a/RT}
DimanaKadalah konstanta laju reaksi, energi aktivasi adalahESebuah(dalam joule),Radalah konstanta reaksi (8,314 J/mol K),Tadalah suhu dalam Kelvin danSEBUAHadalah faktor frekuensi. Untuk menghitung faktor frekuensi
SEBUAH(yang kadang-kadang disebutZ), Anda perlu mengetahui variabel lainnyaK, ESebuah, danT.Energi aktivasi adalah energi yang harus dimiliki oleh molekul reaktan dari suatu reaksi agar reaksi dapat terjadi, dan tidak tergantung pada suhu dan faktor lainnya. Ini berarti bahwa, untuk reaksi tertentu, Anda harus memiliki energi aktivasi spesifik, biasanya diberikan dalam joule per mol.
Energi aktivasi sering digunakan dengan katalis, yaitu enzim yang mempercepat proses reaksi. ItuRdalam persamaan Arrhenius adalah konstanta gas yang sama yang digunakan dalam hukum gas idealPV = nRTuntuk tekananP, volumeV, jumlah moltidak, dan suhuT.
Persamaan Arrhenius menggambarkan banyak reaksi dalam kimia seperti bentuk peluruhan radioaktif dan reaksi berbasis enzim biologis. Anda dapat menentukan waktu paruh (waktu yang diperlukan untuk konsentrasi reaktan turun setengah) dari reaksi orde pertama sebagai ln (2) /Kuntuk konstanta reaksiK. Atau, Anda dapat mengambil logaritma natural dari kedua sisi untuk mengubah persamaan Arrhenius menjadi ln (K) =di (SEBUAH) ESebuah/RT.Ini memungkinkan Anda menghitung energi aktivasi dan suhu dengan lebih mudah.
Faktor Frekuensi
Faktor frekuensi digunakan untuk menggambarkan laju tumbukan molekul yang terjadi dalam reaksi kimia. Anda dapat menggunakannya untuk mengukur frekuensi tumbukan molekul yang memiliki orientasi yang tepat antara partikel dan suhu yang sesuai sehingga reaksi dapat terjadi.
Faktor frekuensi umumnya diperoleh secara eksperimental untuk memastikan jumlah reaksi kimia (suhu, energi aktivasi dan konstanta laju) sesuai dengan bentuk persamaan Arrhenius.
Faktor frekuensi bergantung pada suhu, dan, karena logaritma natural dari konstanta lajuKhanya linier pada rentang pendek dalam perubahan suhu, sulit untuk memperkirakan faktor frekuensi pada rentang suhu yang luas.
Contoh Persamaan Arrhenius
Sebagai contoh, perhatikan reaksi berikut dengan konstanta lajuKsebagai 5,4 × 10 −4 saya −1s −1 pada 326 °C dan, pada 410 °C, konstanta laju ditemukan 2,8 × 10 −2 saya −1s −1. Hitung energi aktivasiESebuahdan faktor frekuensiSEBUAH.
H2(g) + saya2(g) → 2HI(g)
Anda dapat menggunakan persamaan berikut untuk dua suhu yang berbedaTdan konstanta lajuKuntuk memecahkan energi aktivasiESebuah.
\ln\bigg(\frac{K_2}{K_1}\bigg) = -\frac{E_a}{R}\bigg(\frac{1}{T_2} - \frac{1}{T_1}\bigg)
Kemudian, Anda dapat memasukkan angka-angka dan memecahkanESebuah. Pastikan untuk mengubah suhu dari Celcius ke Kelvin dengan menambahkan 273 ke dalamnya.
\ln\bigg(\frac{5.4 ×10^{-4} \;\text{M}^{-1}\text{s}^{-1}}{2.8 ×10^{-2}\; \text{M}^{-1}\text{s}^{-1}}\bigg) = -\frac{E_a}{R}\bigg(\frac{1}{599 \;\text{K }} - \frac{1}{683 \;\text{K}}\bigg)
\begin{aligned} E_a&= 1,92 × 10^4 \;\text{K} × 8,314 \;\text{J/K mol} \\ &= 1,60× 10^5 \;\text{J/mol} \ akhir{selaras}
Anda dapat menggunakan konstanta laju suhu untuk menentukan faktor frekuensiSEBUAH. Memasukkan nilainya, Anda dapat menghitungSEBUAH.
k = Ae^{-E_a/RT}
5,4 × 10^{-4} \;\text{M}^{-1}\text{s}^{-1} =A e^{-\frac{1,60 × 10^5 \;\text{J /mol}}{8.314 \;\text{J/K mol} ×599 \;\text{K}}} \\ A = 4,73 × 10^{10} \;\text{M}^{-1} \teks{s}^{-1}