EssayAI
Блог
Блог
Естественные науки

Уравнение Эйринга: формула и расчёт константы скорости

11 июня 2026Время чтения: 8 минут
#уравнение эйринга#теория переходного состояния#константа скорости#энтальпия активации#энтропия активации
Уравнение Эйринга: формула и расчёт константы скорости

Уравнение Эйринга - центральный результат теории переходного состояния (ТПС), связывающий скорость химической реакции с термодинамическими характеристиками активированного комплекса: энтальпией ΔH‡\Delta H^\ddagger и энтропией ΔS‡\Delta S^\ddagger активации. В отличие от полуэмпирического уравнения Аррениуса, здесь предэкспоненциальный множитель имеет строгий физический смысл - он выражается через фундаментальные постоянные kBk_B и hh. Покрутите калькулятор ниже: он показывает, как константа скорости меняется с температурой, и строит линейный график для определения ΔH‡\Delta H^\ddagger из эксперимента.

Формула уравнения Эйринга

Полная запись уравнения Эйринга-Полани выглядит так:

k=kBThexp⁡ ⁣(ΔS‡R)exp⁡ ⁣(−ΔH‡RT)k = \frac{k_B T}{h} \exp\!\left(\frac{\Delta S^\ddagger}{R}\right) \exp\!\left(-\frac{\Delta H^\ddagger}{RT}\right)

где kB=1,381×10−23k_B = 1{,}381 \times 10^{-23} Дж/К - постоянная Больцмана, h=6,626×10−34h = 6{,}626 \times 10^{-34} Дж·с - постоянная Планка, R=8,314R = 8{,}314 Дж/(моль·К) - универсальная газовая постоянная, TT - абсолютная температура в кельвинах, ΔH‡\Delta H^\ddagger - стандартная энтальпия активации в Дж/моль, ΔS‡\Delta S^\ddagger - стандартная энтропия активации в Дж/(моль·К).

Нередко формулу записывают через свободную энергию Гиббса активации ΔG‡=ΔH‡−TΔS‡\Delta G^\ddagger = \Delta H^\ddagger - T\Delta S^\ddagger:

k=kBThexp⁡ ⁣(−ΔG‡RT)k = \frac{k_B T}{h} \exp\!\left(-\frac{\Delta G^\ddagger}{RT}\right)

Эта запись короче, но скрывает вклад энтропии в предэкспоненциальный множитель, что важно для интерпретации экспериментов.

Профиль свободной энергии вдоль координаты реакции: реагенты, переходное состояние (седловая точка) и продукты. При повышении T барьер dG‡ остаётся постоянным, но множитель kBT/h растёт линейно - видно, почему k увеличивается быстрее, чем следует из температурного множителя в числителе

Физический смысл множителей

Множитель kBT/hk_B T / h - это частота «попыток» переходного комплекса разложиться вдоль координаты реакции. При комнатной температуре (T=298T = 298 К) он составляет примерно 6,25×10126{,}25 \times 10^{12} с−1^{-1}. Это максимально возможная частота: реальный kk меньше неё из-за болцмановского фактора e−ΔG‡/RTe^{-\Delta G^\ddagger / RT}.

Фактор eΔS‡/Re^{\Delta S^\ddagger / R} отвечает за то, насколько вероятно образование переходного состояния с нужной конфигурацией атомов. Если при образовании активированного комплекса теряется трансляционная или вращательная свобода (два фрагмента фиксируются, сближаясь), ΔS‡<0\Delta S^\ddagger < 0, и предэкспонента уменьшается - реакция медленная даже при низком барьере ΔH‡\Delta H^\ddagger. При разложении молекулы на несколько фрагментов ΔS‡>0\Delta S^\ddagger > 0, предэкспонента велика.

Фактор e−ΔH‡/RTe^{-\Delta H^\ddagger / RT} - классический больцмановский вес: доля молекул, обладающих энергией, достаточной для преодоления энтальпийного барьера.

Линейный график уравнения Эйринга: ln(k/T) против 1/T даёт прямую с наклоном -dH‡/R и отрезком ln(kB/h) + dS‡/R на оси Y
Линейный график уравнения Эйринга: ln(k/T) против 1/T даёт прямую с наклоном -dH‡/R и отрезком ln(kB/h) + dS‡/R на оси Y

Линейная форма и обработка экспериментальных данных

Для определения ΔH‡\Delta H^\ddagger и ΔS‡\Delta S^\ddagger из данных о скорости при разных температурах формулу логарифмируют:

ln⁡ ⁣kT=ln⁡kBh+ΔS‡R−ΔH‡R⋅1T\ln\!\frac{k}{T} = \ln\frac{k_B}{h} + \frac{\Delta S^\ddagger}{R} - \frac{\Delta H^\ddagger}{R} \cdot \frac{1}{T}

График ln⁡(k/T)\ln(k/T) против 1/T1/T - прямая линия (в отличие от аррениусовского ln⁡k\ln k против 1/T1/T, которая тоже линейна с наклоном −Ea/R-E_a/R). Из наклона прямой Эйринга:

ΔH‡=−R⋅slope\Delta H^\ddagger = -R \cdot \text{slope}

Из отрезка на оси ординат при 1/T=01/T = 0 (экстраполяция):

ΔS‡=R(intercept−ln⁡kBh)\Delta S^\ddagger = R\left(\text{intercept} - \ln\frac{k_B}{h}\right)

Величина ln⁡(kB/h)≈ln⁡(2,084×1010 К−1с−1)≈23,76\ln(k_B/h) \approx \ln(2{,}084 \times 10^{10}\ \text{К}^{-1}\text{с}^{-1}) \approx 23{,}76. Именно этот «смещённый» перехват позволяет извлечь ΔS‡\Delta S^\ddagger - и именно здесь чаще всего допускают ошибку, забывая вычесть константу.

Связь с уравнением Аррениуса

Уравнение Аррениуса k=A⋅e−Ea/(RT)k = A \cdot e^{-E_a/(RT)} - частный случай формулы Эйринга. Сравнение показывает, что предэкспоненциальный фактор Аррениуса A=(kBT/h)⋅eΔS‡/RA = (k_B T / h) \cdot e^{\Delta S^\ddagger / R}, а связь между энергиями активации:

Ea=ΔH‡+RTE_a = \Delta H^\ddagger + RT

При комнатной температуре поправка RT≈2,5RT \approx 2{,}5 кДж/моль невелика, поэтому часто Ea≈ΔH‡E_a \approx \Delta H^\ddagger. Однако для точных сравнений при существенно разных температурах использовать уравнение Эйринга предпочтительнее: оно явно разделяет энтальпийный и энтропийный вклады, которые уравнение Аррениуса смешивает в эффективный параметр AA.

Вывод из теории переходного состояния

Теория переходного состояния (Эванс, Полани, Эйринг, 1935) рассматривает реакцию как прохождение системы через седловую точку поверхности потенциальной энергии - переходное состояние (ПС), или активированный комплекс [AB]‡[AB]^\ddagger. Выводятся три ключевых постулата:

  1. Быстрое равновесие: реагенты и ПС находятся в быстром квазиравновесии с константой K‡K^\ddagger, связанной с ΔG‡\Delta G^\ddagger через K‡=e−ΔG‡/RTK^\ddagger = e^{-\Delta G^\ddagger / RT}.
  2. Скорость разложения ПС: активированный комплекс разлагается в продукты со скоростью ν‡=kBT/h\nu_\ddagger = k_B T / h, вычисленной из квантовомеханического рассмотрения одного поступательного степени свободы вдоль координаты реакции.
  3. Трансмиссионный коэффициент κ\kappa (обычно ≈1\approx 1 для адиабатических реакций) учитывает долю комплексов, переходящих в продукты, а не рекомбинирующих обратно.

Итоговая формула: k=κ (kBT/h) K‡k = \kappa \,(k_B T / h)\,K^\ddagger. Подставив K‡K^\ddagger через ΔH‡\Delta H^\ddagger и ΔS‡\Delta S^\ddagger, получаем уравнение Эйринга.

Пример расчёта

Рассмотрим типичную задачу. Дано: реакция первого порядка, ΔH‡=80\Delta H^\ddagger = 80 кДж/моль, ΔS‡=−20\Delta S^\ddagger = -20 Дж/(моль·К), T=298T = 298 К. Найти константу скорости kk.

Шаг 1: вычислим kBT/hk_B T / h:

kBTh=1,381×10−23×2986,626×10−34≈6,21×1012 с−1\frac{k_B T}{h} = \frac{1{,}381 \times 10^{-23} \times 298}{6{,}626 \times 10^{-34}} \approx 6{,}21 \times 10^{12}\ \text{с}^{-1}

Шаг 2: вычислим энтропийный фактор:

eΔS‡/R=e−20/8,314=e−2,405≈0,0904e^{\Delta S^\ddagger / R} = e^{-20/8{,}314} = e^{-2{,}405} \approx 0{,}0904

Шаг 3: вычислим больцмановский фактор (переводим ΔH‡\Delta H^\ddagger в Дж/моль):

e−ΔH‡/RT=e−80 000/(8,314×298)=e−32,28≈9,3×10−15e^{-\Delta H^\ddagger / RT} = e^{-80\,000 / (8{,}314 \times 298)} = e^{-32{,}28} \approx 9{,}3 \times 10^{-15}

Шаг 4: итог:

k=6,21×1012×0,0904×9,3×10−15≈5,2×10−3 с−1k = 6{,}21 \times 10^{12} \times 0{,}0904 \times 9{,}3 \times 10^{-15} \approx 5{,}2 \times 10^{-3}\ \text{с}^{-1}

Значение разумно для медленной реакции в растворе при комнатной температуре. Проверьте его в калькуляторе выше - слайдеры стоят именно на этих значениях по умолчанию.

Применение в химии и биохимии

Уравнение Эйринга широко используется в физической органической химии для сравнения реакционной способности серий соединений. Если у ряда субстратов ΔH‡\Delta H^\ddagger и ΔS‡\Delta S^\ddagger линейно связаны (ΔH‡=a ΔS‡+b\Delta H^\ddagger = a\,\Delta S^\ddagger + b), это называется изокинетическим (компенсационным) соотношением: замещение одного заместителя на другой одновременно меняет оба параметра так, что при «изокинетической температуре» Tβ=aT_\beta = a все реакции идут с одинаковой скоростью.

В энзимологии уравнение Эйринга применяют для изучения ферментативных реакций. Для реакции фосфофруктокиназы параметры ΔH‡\Delta H^\ddagger и ΔS‡\Delta S^\ddagger чувствительны к конфигурации активного центра и аллостерическим эффекторам: изменение ΔS‡\Delta S^\ddagger на несколько Дж/(моль·К) соответствует реорганизации одного водородного моста в переходном состоянии. Это делает анализ по Эйрингу мощным инструментом для понимания каталитического механизма даже без данных рентгеноструктурного анализа.

В катализе на поверхности твёрдого тела суммарный ΔG‡\Delta G^\ddagger включает вклад адсорбции реагентов и деформации решётки. Нередко ΔS‡\Delta S^\ddagger сильно отрицателен (жёсткая фиксация молекулы на поверхности), а ΔH‡\Delta H^\ddagger снижен за счёт взаимодействия с металлом. Именно это соотношение определяет, при какой температуре поверхность работает эффективнее всего.

Частые ошибки

  • Подстановка ΔH‡\Delta H^\ddagger в кДж/моль без перевода в Дж/моль. Формула требует Дж/моль в аргументе экспоненты; ошибка на множитель 1000 даёт результат, отличающийся на много порядков.
  • Смешение уравнений Эйринга и Аррениуса. У Аррениуса аргумент экспоненты −Ea/(RT)-E_a/(RT) - без множителя eΔS‡/Re^{\Delta S^\ddagger / R} в предэкспоненте. Нельзя подставить ΔH‡\Delta H^\ddagger вместо EaE_a без поправки на RTRT и отдельно учесть ΔS‡\Delta S^\ddagger.
  • Знак энтропии активации. Если ΔS‡>0\Delta S^\ddagger > 0, предэкспонента больше «нормальной» kBT/hk_B T / h; если ΔS‡<0\Delta S^\ddagger < 0 - меньше. Перепутать знак значит перепутать, ускоряет ли энтропийный вклад реакцию или замедляет.
  • Ошибка в линейной форме: не вычесть ln⁡(kB/h)\ln(k_B/h). При определении ΔS‡\Delta S^\ddagger из отрезка на оси Y нужно вычесть ln⁡(kB/h)≈23,76\ln(k_B/h) \approx 23{,}76; без этого значение ΔS‡\Delta S^\ddagger будет существенно занижено.
  • Применение ТПС вне области применимости. Уравнение Эйринга предполагает адиабатическую реакцию и классическое движение по координатe реакции. При туннелировании (особенно для атома водорода) трансмиссионный коэффициент κ≫1\kappa \gg 1, и простая формула занижает kk.

FAQ

В чём разница между уравнением Эйринга и уравнением Аррениуса? Уравнение Аррениуса k=A e−Ea/RTk = A\,e^{-E_a/RT} эмпирическое: AA и EaE_a определяются из опыта и не имеют строгого теоретического смысла. Уравнение Эйринга теоретическое: предэкспонента kBT/hk_B T/h выводится из квантовой механики, а ΔH‡\Delta H^\ddagger и ΔS‡\Delta S^\ddagger - термодинамические характеристики ПС. Связь: Ea=ΔH‡+RTE_a = \Delta H^\ddagger + RT и A=(kBT/h) eΔS‡/RA = (k_B T/h)\,e^{\Delta S^\ddagger/R}.

Как знак ΔS‡\Delta S^\ddagger связан с типом реакции? При бимолекулярных реакциях два свободных реагента сближаются в одном комплексе - число степеней свободы убывает, ΔS‡<0\Delta S^\ddagger < 0 (обычно от −100-100 до −50-50 Дж/(моль·К)). При мономолекулярном разложении комплекс рыхлый, ΔS‡>0\Delta S^\ddagger > 0. Реакции присоединения в цикл дают наибольшее отрицательное ΔS‡\Delta S^\ddagger, реакции ионных диссоциаций - наибольшее положительное.

Можно ли применять уравнение Эйринга к реакциям в растворе? Да, именно в растворе ТПС особенно полезна: растворитель влияет на ΔS‡\Delta S^\ddagger (сольватная оболочка ПС) и ΔH‡\Delta H^\ddagger (энергия взаимодействий). Однако в уравнении тогда следует использовать термодинамические активности, а не концентрации, и учитывать трансмиссионный коэффициент, если реакция неадиабатическая.

Коротко

Уравнение Эйринга k=(kBT/h) eΔS‡/R e−ΔH‡/RTk = (k_BT/h)\,e^{\Delta S^\ddagger/R}\,e^{-\Delta H^\ddagger/RT} выводится из теории переходного состояния и расшифровывает природу скорости реакции через два вклада активации: энтальпийный барьер ΔH‡\Delta H^\ddagger и энтропийную стоимость ΔS‡\Delta S^\ddagger образования активированного комплекса. Линейный график ln⁡(k/T)\ln(k/T) против 1/T1/T позволяет определить оба параметра из кинетического эксперимента. Это делает уравнение Эйринга стандартным инструментом физической органической химии, катализа и биохимии ферментов.

Доверьте текст нейросети EssayAI

Открыть EssayAI

Бесплатно, на русском языке и без VPN

Читайте также

Скорость химической реакции: формула расчёта

Скорость химической реакции: формула расчёта

Как рассчитать скорость химической реакции: закон действующих масс, уравнение Аррениуса, правило Вант-Гоффа. Формулы, примеры задач и типичные ошибки студентов.

17 июня 20268 минут
Уравнение Аррениуса: константа скорости и энергия активации

Уравнение Аррениуса: константа скорости и энергия активации

Уравнение Аррениуса связывает константу скорости реакции с температурой и энергией активации. Разбираем формулу, предэкспоненциальный множитель, линеаризацию и расчёт энергии активации по двум точкам.

28 апреля 20266 минут
Адаптивная радиация: как предок даёт множество видов

Адаптивная радиация: как предок даёт множество видов

Адаптивная радиация: почему одна линия быстро расходится по экологическим нишам, примеры вьюрков и цихлид, условия процесса, таблица и отличия от простого расселения.

1 октября 20268 минут
Активные формы кислорода: виды, источники и защита

Активные формы кислорода: виды, источники и защита

Активные формы кислорода: супероксид, пероксид водорода, гидроксильный радикал и синглетный кислород. Источники АФК, реакция Фентона, ферменты защиты и редокс-сигналинг.

1 октября 20269 минут
Аминоацил-тРНК-синтетаза: как заряжается тРНК

Аминоацил-тРНК-синтетаза: как заряжается тРНК

Как аминоацил-тРНК-синтетаза выбирает аминокислоту и тРНК, зачем реакция идёт в два этапа, почему тратятся две макроэргические связи и как работает редактирование.

1 октября 20268 минут
Антивитамины: механизмы и примеры

Антивитамины: механизмы и примеры

Антивитамины: чем структурные аналоги отличаются от связывающих и разрушающих агентов. Разбираем сульфаниламиды, метотрексат, дикумарол, авидин и тиаминазу.

1 октября 20268 минут