Ակտիվացման էներգիա

Պատկերացրու, որ արթնանում ես առավոտյան և օրվա ընթացքում մի շարք զվարճանքներ ես նախատեսում։ Երբևէ պատահե՞լ է, որ չնայած սպասվող հուզիչ օրվան՝ քեզ հարկավոր է որոշ լրացուցիչ էներգիա՝ անկողնուց վեր կենալու համար: Երբ արդեն անկողնուց վեր ես կացել, օրվա մնացած հատվածը հանգիստ կշարունակվի, սակայն սկզբի համար հավելյալ շարժիչ ուժի կարիք ունես։

Քիմիական ռեակցիայի ակտիվացման էներգիան հենց այդ նախնական էներգիան է, որը պետք է ստանաս անկողնուց վեր կենալու համար։ Նույնիսկ էներգիա անջատող (էկզերգոնիկ) ռեակցիաները որոշակի էներգիա են պահանջում, որպեսզի իրականանան և շարունակեն իրենց էներգիա արտադրող քայլերը։ Այս նախնական էներգիան, որը հետագայում վերադարձվում է արտադրված էներգիայով, կոչվում է ակտիվացման էներգիա և նշանակվում է ${\text{E}}_{\text{A}}$‍-ով։

Ինչո՞ւ պետք է բացասական ∆G ունեցող էներգիա անջատող ռեակցիան սկսվելու համար էներգիայի կարիք ունենա։ Սա հասկանալու համար պետք է տեսնենք, թե քիմիական ռեակցիայի ընթացքում ինչ է տեղի ունենում ռեակցիային մասնակցող ելանյութերի հետ։ Որպեսզի ռեակցիան տեղի ունենա, ելանյութերի բոլոր քիմիական կապերը կամ դրանց մի մասը պետք է քանդվեն, որպեսզի առաջանան վերջանյութերին անհրաժեշտ կապեր։ Որպեսզի կապերը բերվեն այն վիճակին, որ հնարավոր լինի քանդել, մոլեկուլը պետք է ձևափոխվի մի անկայուն վիճակի, որը կոչվում է անցումային վիճակ։ Այս անցումային վիճակը էներգիապես բարձր է, հետևաբար մոլեկուլին պետք է էներգիայի որոշակի քանակ (ակտիվացման էներգիա), որպեսզի այն հասնի այդ վիճակին։ Քանի որ անցումային վիճակն անկայուն է, ելանյութի մոլեկուլները երկար չեն մնում այդ վիճակում և արագ անցնում են քիմիական ռեակցիայի հաջորդ փուլին։

Ընդհանուր առմամբ, անցումային վիճակը միշտ ավելի բարձր էներգիական մակարդակում է, քան ելանյութերն ու վերջանյութերը, այնպես որ ${\text{E}}_{\text{A}}$‍-ն միշտ դրական արժեք ունի՝ անկախ նրանից, թե ռեակցիան էնդերգոնիկ է, թե էկզերգոնիկ։ Ստորև պատկերված տրամագրում ակտիվացման էներգիան ուղիղ ընթացող ռեակցիայի համար է (ելանյութեր $\to$‍ վերջանյութեր), որն էկզերգոնիկ է։ Եթե ռեակցիան հակառակ ուղղությամբ ընթանար (էնդերգոնիկ), անցումային վիճակը կմնար նույնը, բայց ակտիվացման էներգիան ավելի մեծ կլիներ։ Սա տեղի է ունենում, քանի որ վերջանյութերի մոլեկուլներն ավելի ցածր էներգիական մակարդակում են, հետևաբար ավելի մեծ էներգիայի կարիք ունեն, որպեսզի հասնեն ռեակցիայի «գագաթնակետին»։ (Ակտիվացման էներգիայի սլաքը հակառակ ուղղության դեպքում վերջանյութերից կձգվեր դեպի անցումային վիճակը)։

Ակտիվացման էներգիայի հիմնական աղբյուրը ջերմությունն է, երբ ելանյութերը ջերմային էներգիա են կլանում իրենց շրջապատից։ Այս ջերմային էներգիան արագացնում է ելանյութի մոլեկուլների շարժումը՝ մեծացնելով բախումների հաճախականությունն ու ուժը, ինչպես նաև առանձին մոլեկուլներում հրում է ատոմները և կապերը՝ ավելի հեշտ դարձնելով կապերի քանդումը։ Երբ ելանյութի մոլեկուլը կլանում է մեծ քանակությամբ էներգիա, որը բավարար է անցումային վիճակին հասնելու համար, ռեակցիայի մնացած մասը սկսում է տեղի ունենալ։

Քիմիական ռեակցիաներում ակտիվացման էներգիան անմիջականորեն կապված է նրա արագության հետ։ Ավելի որոշակի, որքան բարձր է ակտիվացման էներգիան, այնքան դանդաղ կլինի քիմիական ռեակցիան։ Սա պայմանավորված է նրանով, որ ռեակցիան սկսվում է միայն այն դեպքում, երբ մոլեկուլները հասնում են ակտիվացման էներգիայի շեմին։ Որքան ավելի բարձր է շեմը, այնքան ավելի քիչ մոլեկուլներ կունենան անհրաժեշտ էներգիան, որպեսզի որոշված պահին անցնեն այդ խոչընդոտը։

Բազմաթիվ ռեակցիաների ակտիվացման էներգիան այնքան բարձր է, որ դրանք ուղղակի տեղի չեն ունենում առանց էներգիայի ներմուծման։ Օրինակ՝ պրոպանի նման վառելանյութի այրումը անջատում է էներգիա, բայց ռեակցիայի արագությունը ուղղակի զրո է սենյակային ջերմաստիճանում։ (Ավելի պարզ լինելու համար ասենք, որ դա լավ է, այնքան էլ լավ չէր լինի, եթե պրոպանի տարաները պահարանի մեջ ինքնաբերաբար այրվեին)։ Երբ կայծը բավականաչափ էներգիա է ապահովում, որպեսզի որոշ մոլեկուլներ հաղթահարեն ակտիվացման էներգիայի շեմը, այդ մոլեկուլները իրականացնում են ռեակցիան՝ անջատելով էներգիա: Այս անջատված էներգիան բավական է, որ օգնի մյուս մոլեկուլներին հաղթահարելու շեմը՝ հանգեցնելով շղթայական ռեակցիայի։

Բջջում տեղի ունեցող քիմիական ռեակցիաների մեծ մասը նման է ածխաջրածնի այրման օրինակին՝ ակտիվացման էներգիան շատ բարձր է, որպեսզի ռեակցիան նշանակալիորեն ընթանա միջավայրի ջերմաստիճանում։ Սկզբում թվում է, թե դա խնդիր է, մի՞թե հնարավոր է կայծ տալ բջջի ներսում՝ առանց այն վնասելու։ Բարեբախտաբար, հնարավոր է նվազեցնել ռեակցիայի ակտիվացման էներգիան և բարձրացնել ռեակցիայի արագությունը։ Ակտիվացման էներգիան նվազեցնելու միջոցով ռեկացիան արագացնելու գործընթացը կոչվում է կատալիզ, իսկ գործոնը, որի շնորհիվ նվազեցվում է ակտիվացման էներգիան, կոչվում է կատալիզատոր։ Կենսաբանական կատալիզատորները ֆերմենտներն են, որոնք մանրամասն կուսումնասիրենք հաջորդ բաժնում։