Что происходит с яблоком, если его надкусить и оставить на воздухе? Верно! Сначала поменяется цвет мякоти, затем фактура, а после и вовсе яблоко может начать сгнивать, начиная с места, где его надкусили. Однако яблоку требуется некоторое время для того, чтобы оно начало портиться. Вам известно, что при комнатной температуре эта реакция происходит быстрее, нежели при пониженной температуре (например, в холодильнике).

Почему реакция не начинается сразу?

Энергии активации – вот ответ на поставленные вопросы. Это та энергия, которую молекулы должны «потратить» для того, чтобы началась химическая реакция между ними. Химическая реакция – это результат многочисленных столкновений молекул разной природы между собой, которые объединяясь превращаются в другие молекулы.

Вернёмся к примеру с яблоком, поверхность среза фрукта имеет желтоватый оттенок. Это тонкий слой поверхностной жидкости, которая вступила в реакцию с кислородом из воздуха (этот процесс называют окислением). Из определения понятия энергии активации следует, чем она больше – тем позднее начнётся процесс (вам нужно потратить больше энергии), чем энергия активации меньше, тем быстрее начнётся и будет протекать процесс. Если бы энергия активации этой реакции была меньше, то яблоко бы очень быстро портилось. По цвету среза яблока можно судить о свежести и о давности среза. 

Энергия активации встречается намного чаще, чем мы можем себе представить. Одна из важных на нашей планете химических реакций, благодаря которой растения вырабатывают кислород для живых существ, не обходится без энергии активации:

6СО₂ + 6Н₂О + световая энергия = С₆Н₁₂О₆ + 6О₂

Если бы не энергия активации, то растения начали бы выделять кислород как только свет падал бы на их листья. Это значит, что содержание кислорода на нашей планете резко увеличилось бы. Все обитатели планеты Земля привыкли к 20% кислорода в атмосфере, изменения в большую или меньшую сторону приводят к серьёзным последствиям. Однажды наша планета пережила подобное явление, названное учёными «Великой кислородной катастрофой» (некогда на планете было очень мало кислорода, появление первых растений резко увеличило его содержание. Кислород был токсичен для анаэробных организмов, в итоге это привело к вымиранию последних). Однако благодаря высокой энергии активации солнечная энергия сообщает растениям ровно столько энергии, сколько необходимо им для того, чтобы начать реакцию фотосинтеза и испускать нужное количество кислорода в воздух.

Энергия активации участвует не только в химических, но и в физических процессах. В качестве примера рассмотрим ещё одно распространённое явление – испарение воды:

H ₂O(жидкость) + 2,257 калл/г → H₂O (газ)

Когда вы кипятите чайник, пар начинает выходить не сразу, хотя вода уже нагрелась до 100 градусов. Наверное, это замечают все. Так вот, если бы энергия активации была ниже, то вода начала бы испаряться сразу и соответственно, наоборот, если энергия активации будет высокой, то после нагрева пришлось бы ждать, прежде чем вода закипит.

Взаимосвязь между энергией активации и водой крайне важная для нас, так как 70% всей поверхности Земли – это вода. И процесс испарения воды формирует климат на нашей планете. 

В каждой клетке человеческого организма ежесекундно протекают тысячи химических реакций. Все эти реакции имеют свою характерную энергию активации. Так откуда же человек берет энергию? В нашем организме есть катализаторы (ферменты), ответственные за снижение энергии активации. Они способствуют лёгкому и быстрому началу реакции в наших клетках. Например, в ходе различных процессов в организме образуется перекись водорода Н2О2. Это вещество токсично и разлагается в организме под воздействием фермента – каталазы на воду и кислород, согласно уравнению:

Н ₂О₂ + энергия = H₂O + O₂

Без фермента – каталазы организму пришлось бы тратить очень много энергии для расщепления ядовитой перекиси водорода. Одна молекулярная каталаза при температуре тела катализирует разложение 5 000 000 перекисей водорода в секунду. Для разложения перекиси водорода без каталазы потребовалось бы на 11,6 ккал больше на каждую моль. Скорость этой реакции, происходящей в секунду, была бы намного ниже, и завершилась бы она примерно за 300 лет. Это привело бы к сбою всей системы в организме.

Каталаза — это фермент, являющийся катализатором в реакции разложения перекиси водорода, при которой образуются вода и молекулярный кислород: Н ₂О₂ + 2H₂O₂ = 2H₂O + O₂.

Водород и кислород превращались бы в водяной пар мгновенно. Металлические поверхности очень быстро окислялись бы, мы бы мгновенно переваривали пищу, а продукты питания очень быстро портились. Вода бы реагировала со всеми газами в воздухе, азот и кислород, входящие в состав воздуха, реагировали бы между собой, превращаясь в токсичный и вонючий оксид азота. Все молекулы взаимодействовали бы мгновенно. Другими словами безукоризненный порядок в экосистеме был бы нарушен. 

Давайте разберёмся, что из себя представляет энергия активации на примере конкретной реакции:

6СО₂ + 6Н₂О + световая энергия = С₆Н₁₂О₆ + 6О₂

Молекулы реагирующих веществ сталкиваясь, превращаются в переходное состояние, обладающее большей энергией, чем исходные реагенты. Далее вещества из переходного состояния превращаются в продукты самостоятельно. Это подобно тому, как катить валун через холм: нужно приложить усилие, чтобы взобраться на вершину. Дальше валун покатится сам.

Катализаторы – это вещества, снижающие этот энергетический «холм». В живых организмах ферменты значительно снижают энергию активации, облегчая протекание химических процессов. Если общая энергия продуктов ниже, чем у реагентов, то в результате выделяется избыточная энергия.