אנרגיית שפעול

אנרגיית שפעול (נקראת גם אנרגיית הפעלה או אנרגיית אקטיבציה) היא האנרגיה המינימלית הדרושה כדי שהתגובה הכימית תתחיל. נהוג לסמן את אנרגיית השפעול ב‑Ea.

לפי תאוריית ההתנגשויות, כדי שמולקולה אחת תוכל להגיב עם אחרת צריכים להתקיים שלושה תנאים ברורים. המולקולות חייבות להתנגש. ההתנגשות צריכה לספק מספיק אנרגיה, לפחות אנרגיית השפעול. בנוסף, המולקולות צריכות להתנגש בכיוון (אוריינטציה) נכון כדי שאטום ייצור קשר חדש.
כאשר שתי מולקולות מתקרבות, ענני האלקטרונים שלהן נדחסים והם דוחים זה את זה. כדי להתגבר על דחייה זו דרושה אנרגיה, שבדרך כלל מגיעה מהתנועה שלהן (אנרגיה קינטית). עליית טמפרטורה מגבירה את האנרגיה הקינטית, ולכן מקדמת תגובות כימיות.
במדידות נפוצה לציין את אנרגיית השפעול ביחידות קילו־ג'ול למול (kJ·mol⁻¹).

ברוב תגובות הכימיות גם קשרים נשברים וגם קשרים נוצרים. פירוק קשרים דורש השקעת אנרגיה. האנרגיה שצריך להשקיע כדי לשבור את הקשרים הדרושים במגיבים שווה לאנרגיית השפעול של התגובה.
ניתן להמחיש זאת על תגובות מפיקות אנרגיה, כמו שריפת גלוקוז (סוכר): במהלכן נוצרים מים ופחמן דו‑חמצני, אך קודם יש לפרק קשרים כדי שזה יקרה.

קשר פורמלי בין קצב תגובה לאנרגיית השפעול נותנת משוואת ארניוס: E_a = -R T ln(k/A). כאן A הוא קבוע התדירות (קשור בתדירות ההתנגשויות המתאימות), R הוא קבוע הגזים האוניברסלי, T היא הטמפרטורה בקלווין, ו‑k הוא קבוע קצב התגובה.

מצב המעבר הוא המצב קצר המועד שבו המערכת מגיעה לאנרגיה החופשית הגבוהה ביותר בדרך מהמגיבים לתוצרים. האנרגיה הדרושה כדי להגיע למצב המעבר היא אנרגיית השפעול. בתגובות רב‑שלביות יכולים להיווצר כמה מצבי מעבר.
חומרים שמפחיתים את אנרגיית השפעול נקראים זרזים. זרז ביולוגי נקרא אנזים. הזרזים מקלים על ההגעה למצב המעבר אבל לא משפיעים על האנרגיה הכוללת של המגיבים או התוצרים. באמצעות הורדת אנרגיית השפעול אפשר להגדיל מאוד את קצב התגובה, לעתים בעשרות או מאות פעמים.

אנרגיית שפעול היא הכמות המינימלית של אנרגיה שדרושה כדי להתחיל תגובה כימית. אנרגיה כאן פירושה כוח או חום.

כדי ששתי מולקולות (יחידות קטנות של חומר) יגיבו צריכות לקרות שלוש דברים פשוטים. הן חייבות להיתקל אחת בשנייה. ההיתקלות חייבת לתת מספיק אנרגיה. הן גם צריכות לפגוע בדרך הנכונה.
כאשר הן קרובות מדי, ענני האלקטרונים סביבן (זהו מטען סביב החלקיקים) נדחסים. צריך כוח כדי להתקרב ולהתגבר על הדחיפה הזו. חימום (עליית טמפרטורה) מגדיל את התנועה של המולקולות וגורם לכך שיותר מהן ייגרמו להגיב.

לפעמים כדי ליצור קשרים חדשים צריך לשבור קשרים ישנים. לשבירת הקשרים נדרשת אנרגיה. האנרגיה הזאת היא חלק מאנרגיית השפעול.
דוגמה פשוטה: שריפת גלוקוז, סוכר נשרף ויוצר מים וגז פחמן דו‑חמצני.

מצב המעבר הוא שלב קצר שבו המערכת צריכה הכי הרבה אנרגיה בדרך לתוצרים. זרז הוא חומר שמוריד את הכמות הזאת של אנרגיה. זרז ביולוגי נקרא אנזים. כשהאנרגיה נמוכה יותר, התגובה קורה הרבה יותר מהר.