Aktivasyon enerjisi, geçiş evresi ve tepkime hızı hakkında bilgi edinin.
Giriş
Birçok eğlenceli planınız olan bir gün uyandığınızı düşünün. Önünüzde sizi bekleyen heyecanlı bir gün olmasına rağmen yataktan çıkmak için fazladan enerji toplamanız gerektiği oldu mu hiç? Yataktan kalktığınızda, günün geri kalanını tamamlayabilirsiniz ancak o noktaya ulaşana kadar aşmanız gereken küçük bir engel vardır.
Kimyasal tepkimelerin aktivasyon enerjisi de aynı aşmanız gereken o engele benzer. Enerji açığa çıkaran (egzergonik) tepkimeler bile enerji açığa çıkaran aşamalara geçmeden harekete geçebilmek için bir miktar enerjiye ihtiyaç duyarlar. Tepkime ilerledikçe geri ödenen bu ilk enerji girdisine aktivasyon enerjisi adı verilir. Aktivasyon enerjisi kısaca EAstart text, E, end text, start subscript, start text, A, end text, end subscript olarak ifade edilir.
Aktivasyon enerjisi
Negatif ∆G değerli enerji açığa çıkaran bir tepkime başlamak için neden enerjiye ihtiyaç duyar? Bunu anlamak için bir kimyasal tepkime sürecinde tepkimeye giren moleküllere ne olduğunu incelememiz gerekir. Bir tepkimenin gerçekleşmesi için tepkimeye giren maddelerin bazı ya da tüm kimyasal bağlarının yeni bağlar yani oluşacak olan ürünlerin bağlarının oluşması için parçalanması gerekir. Bu bağların parçalanmaya hazır bir duruma getirilmesi için moleküllerin bükülerek (şeklinin bozularak ya da eğrilerek) geçiş evresi denen kararsız hale getirilmesi gereklidir. Geçiş evresi yüksek enerjili bir evredir ve bu evreye geçmek için bir miktar enerji – aktivasyon enerjisi – eklenmelidir. Geçiş evresi kararsız olduğu için tepkimeye giren moleküller uzun süre bu evrede kalmaz ve hızla kimyasal tepkimenin sonraki aşamasına geçerler.
Genel olarak bir tepkimenin geçiş evresinin enerjisi, tepkimeye giren madde ve ürünlerden daha yüksektir, öyleki that EAstart text, E, end text, start subscript, start text, A, end text, end subscript tepkimenin endergonik ya da egzergonik olmasına bağlı olmadan her zaman pozitiftir. Aşağıdaki gösterilen aktivasyon enerjisi egzergonik olan bir ileri yönlü tepkimeye (tepkimeye giren maddeler →right arrow ürünler) aittir. Tepkime ters yönde gerçekleşiyor olsaydı (yani endergonik olsaydı) geçiş evresi aynı kalırdı ancak aktivasyon enerjisi daha yüksek olurdu. Bunun sebebi ürünlerin moleküllerinin düşük enerjili olması ve bu sebeple tepkime "tepesi"nin üstünde yer alan olan geçiş evresine ulaşmak için daha fazla enerjiye ihtiyaç duymasıdır. (Ters yöndeki bir tepkimenin aktivasyon enerjisi oku ürünlerden geçiş evresine kadar uzayacaktır.).
Tepkimeye giren moleküller çevrelerinden termal enerji aldığından aktivasyon enerjisinin kaynağı genelde ısıdır. Bu termal enerji tepkimeye giren moleküllerin hareketini hızlandırarak çarpışma sıklıklarını ve kuvvetini arttırır, ayrıca her bir molekül içindeki atomları ve bağları sarsarak bağların kopmasını kolaylaştırır. Tepkimeye giren bir molekül geçiş evresine geçmeye yetecek kadar enerji aldığında tepkimenin kalanına devam edebilir.
Aktivasyon enerjisi ve tepkime hızı
Kimyasal bir tepkimenin aktivasyon enerjisi tepkime hızıyla yakından ilşkilidir. Aktivasyon enerjisi ne kadar yüksek olursa tepkime de o kadar yavaş gerçekleşir. Bunun sebebi moleküllerin tepkimeyi sadece aktivasyon enerji sınırının en üstüne ulaşıldığı takdirde tamamlayabilmesidir. Sınır ne kadar yüksek olursa belirli bir zamanda sınırı geçebilecek enerjiyi elde eden molekül sayısı da o kadar az olur.
Birçok tepkime aktivasyon enerjisi çok yüksek olduğu için, bir enerji girdisi olmadan asla gerçekleşemez. Örneğin, propan gibi bir yakıtın yanması, enerji açığa çıkarır, ancak oda sıcaklığındaki tepkime hızı sıfırdır. (Açıkçası bunun çok da kötü bir şey olduğunu söyleyemeyiz, içinde propan olan kaplar rafta dururken kendiliğinden yanmaya başlasa bu hiç de iyi olmazdı, öyle değil mi?). Bir kıvılcım bazı moleküllerin aktivasyon enerji sınırını geçmesi için gerekli enerjiyi sağladığında bu moleküller tepkimeyi tamamlayıp enerji açığa çıkarırlar. Açığa çıkan bu enerji bir zincir tepkimeye yol açarak diğer yakıt moleküllerinin de enerji sınırını aşmasına yardım eder.
Hücre içinde gerçekleşen birçok kimyasal tepkime de hidrokarbon yanması örneğine benzer: aktivasyon enerjisi, tepkimelerin ortam sıcaklığında gerçekleşmeyeceği kadar yüksektir. Bu durum, vücudumuzun içinde, vücudumuza zarar vermeden bir kıvılcım yaratamayacağımız için başta bir sorun gibi görünebilir. Neyse ki tepkimenin aktivasyon enerjisini azaltarak tepkime hızını arttırmak mümkündür. Tepkimeyi aktivasyon enerjisini azaltarak hızlandırma sürecine katalizleme, aktivasyon enerjisini azaltmak için eklenen etmene de katalizör denir. Biyolojik katalizörler enzim olarak adlandırılırlar, bu konuyu bir sonraki bölümde detaylıca inceleyeceğiz.