ความรู้ในสาขาวิชาวิทยาศาตร์

ลำดับตอนที่ #11 : อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี

อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี

ปฏิกิริยาเคมี คือ การที่สารตั้งต้นเปลี่ยนเป็นสารใหม่ เมื่อเวลาผ่านไป สารตั้งต้นจะลดลง สารใหม่

จะเกิดขึ้นจนในที่สุด

1. เกิดสารใหม่อย่างเดียว สารตั้งต้นหมดทุกตัวเหนือเหลือตัวใดตัวหนึ่งเรียกว่า ปฏิกิริยาเกิดสมบูรณ์

2. เกิดสารใหม่ขึ้น สารตั้งต้นทุกตัวยังเหลืออยู่ทุกตัว เรียกว่า ปฏิกิริยาไม่สมบูรณ์

ทฤษฎีอธิบายการเกิดปฏิกิริยา

1. ทฤษฎีการชนของโมเลกุล (Collision Theory) กล่าวว่า โมเลกุลต้องมีการชนกันทุกครั้งไม่จํ าเป็น

ต้องเกิดปฏิกิริยา

2. ทฤษฎีจลน์ของโมเลกุล (Kinetic Theory) กล่าวว่า โมเลกุลต้องมีการดร๊อพ ที่ซึ่งก่อให้เกิดพลัง

งานจลน์และโมเลกุลต้องมีพลังงานสูงพอจึงจะเกิดปฎิกริยาได้

ปัจจัยที่จะเกิดปฏิกิริยาเคมี

1. ต้องมีจํ านวนโมเลกุลมากพอ

2. ต้องมีการชนกัน

3. ต้องมีพลังงานสูงพออย่างน้อยเท่ากับพลังงานก่อกัมมันต์

4. ต้องมีทิศทางที่เหมาะสม

       พลังงานกระตุ้น (พลังงานก่อกัมมันต์ = Activation energy)

เป็นพลังงานอย่างตํ่ าที่โมเลกุลของสารต้องมีจึงจะเกิดปฏิกิริยาได้ ส่วนใหญ่เป็นพลังงานจลน์ ค่า

พลังงานกระตุ้นไม่เกี่ยวข้องกับความร้อนของปฏิกิริยา แต่ผลต่างของพลังงานกระตุ้นจะเป็นตัวบอกความร้อนของ

ปฏิกิริยา ค่าพลังงานกระตุ้นจะเป็นตัวบอกอัตราของปฏิกิริยา


ในการเกิดปฏิกิริยาจะมีสารตั้งต้นมารวมตัวกันเกิดเป็นสารใหม่ ซึ่งในระหว่างเกิดปฏิกิริยาจะมีการ

สลายพันธะเดิม และมีการสร้างพันธะใหม่ เราเรียนสารที่เกิดชั่วคราวนี้ว่าสารเชิงซ้อนถูกกระตุ้น (Activated

Complex) และที่สภาวะเช่นนี้เรียก Transition state จะเป็นสารที่ไม่เสถียร คือ พันธะเดิมกํ าลังสลายตัวออกพันธะ

ใหม่กํ าลังสร้าง

A2     +     B2     →      2AB

A - A       B - B                A - B

กลไกของปฏิกิริยา ในการเกิดปฎิกริยาของปฎิกริยาเกิดขึ้นเดียวซึ่งแสดงจึงความพร้อมของปัจจัยต่าง ๆ แต่

บางปฏิกิริยาเกิดหลายชั้น เรียกว่า ปฏิกิริยาลูกโซ่ (Chain Reaction) จะมีขั้นตอนย่อย เรียกว่า ขบวนการประถม

(Elementary process) ซึ่งในแต่ละขั้นตอนจะมีอัตราเร็วไม่เท่ากัน ขั้นตอนที่เกิดช้าสุดจะเกินขั้นที่กํ าหนดอัตราเร็ว

ของปฏิกิริยา (Rate determining step)



อัตราเร็วของปฏิกิริยา

หาได้จากอัตราส่วนของปริมาณสารที่เปลี่ยนไปในหนึ่งเวลา ซึ่งอาจเป็นสารตั้งต้นที่ลดลงหรือสารใหม่ที่เกิดขึ้น

Rate = ปริมาณสารตั้งต้นที่ลดลง/เวลา   หรือ        = ปริมาณสารใหม่ที่เกิดขึ้น/เวลา

/ เวลา = ส่วนด้วยเวลา

ชนิดของ Rate

1. Rate เฉลี่ย คือ ปริมาณสารที่เปลี่ยนแปลงในหนึ่งหน่วยเวลาที่ใช้

2. Rate ขณะใดขณะหนึ่ง คือ ปริมาณสารที่เปลี่ยนแปลงในหนึ่งหน่วยเวลาของช่วงนั้น

หน่วยของ Rate ก็คือหน่วยของปริมาณสารต่อหนึ่งหน่วยเวลาซึ่งมีหลายแบบ

ถ้าเป็นของแข็ง → กรัม/วินาที

ก๊าซ → cm3/sec, dm3/sec

สารละลาย → mol/dm3



Law of Mass Action

กล่าวว่า อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับผลคูณของความเข้มข้นของสารที่เข้าทํ าปฏิกิริยากัน

               k
aA + bB→ cC + dD

Rate = k [A]m [B]n

เมื่อ k = ค่าคงที่ของอัตราเร็ว

m, n = อันดับของปฏิกิริยาที่เกี่ยวกับสาร A และ B

[A], [B] = ความเข้มข้นของสาร A และ B

m + n = อันดับปฏิกริยารวม

ค่า m, n จะเป็นตัวบอกถึงผลของความเข้มข้นของสารที่มีต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยา และถ้าตัวใดมีค่ามาก ก็จะมีผลต่อ Rate มาก

ค่า m, n สามารถหาได้จากโจทย์กํ าหนดขั้นตอนของปฏิกิริยาหรือข้อมูลการทดลอง ซึ่งในแต่ละปฏิกิริยาจะมีค่าแตกต่างกันไป

ปัจจัยที่มีผลต่อ Rate

1. ธรรมชาติของสาร

       1.1 ปฏิกิริยาของสารพวกฮอออนิกจะเกิดเร็วกว่าพวกโควาเลนต์

       1.2 ปฏิกิริยาที่เป็นก๊าซจะเกิดเร็วกว่าต่างสถานะก๊าซ

2. ความเข้มข้นของสาร

         ศึกษาปฏิกิริยาระหว่างโซเดียมไธโอซัลเฟตกับกรดไฮโดรคลอริก

3. พื้นที่ผิว

         ศึกษาปฏิกิริยาระหว่างลวดมักเนเซียมกับกรดไฮโดรคลอริก

4. อุณหภูมิ

         ศึกษาปฏิกิริยาระหว่างด่างทับทิม กรดซัลฟูริกและกรดออกซาริก

5. คาตะไลส์

         ศึกษาปฎิกริยาระหว่างโซเดียมโพทัสเซียมทาเทรดกับไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์

ประเภทของคะตะไลต์

1. คะตะไลส์เนื้อเดียว - จะมีสถานะเดียวกับสารตั้งต้น

2. คะตะไลส์เนื้อผสม - จะมีสถานะต่างจากสารตั้งต้น

ตัวยับยั้งปฏิกิริยา (Inhibitor) หรือ ตัวหน่วยปฏิกิริยาซึ่งทํ าให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาช้าลง


6. ความดัน

ปฏิกิริยาที่เป็นกาซจะเกิดปฎิกริยาได้เร็วถ้าเพิ่มความดันโดยการลดปริมาตรภาชนะจะทํ าให้ อัตรา

เร็วของปฏิกิริยาสูงขึ้น




การอธิบายผลปัจจัยที่มีต่อ Rate

1. ความเข้มข้น เมื่อเพิ่มความเข้มข้นเท่ากับเป็นการเพิ่มโมลต่อลิตร คือ การเพิ่มจํ านวนโมเลกุลโอกาสชนกันมากขึ้น Rate เร็วขึ้น

2. พื้นที่ผิว เมื่อเพิ่มพื้นที่ผิวเท่ากับเพิ่มพื้นที่การชน โอกาสที่โมเลกุลจะชนกันมากขึ้น Rate เร็วขึ้น

3. อุณหภูมิ โดยทั่วไปอุณหภูมิสูงขึ้น 10 ํC Rate ของปฏิกิริยาจะเร็วขึ้นประมาณ 2-3 เท่า เช่น

ปฏิกิริยาหนึ่งที่ 20 ํC ใช้เวลา 200 วินาทีที่ 40 ํC จะใช้เวลา วินาที

          เมื่อเพิ่มอุณหภูมิ ( Ea เท่าเดิม) จะเพิ่มพลังงานให้โมเลกุล ทํ าให้มีจํ านวนโมเลกุล ที่มีพลังงานให้

โมเลกุล ทํ าให้มีจํ านวนโมเลกุลที่มีพลังงานมากกว่าพลังงานกระตุ้นมากขึ้น Rate เร็วขึ้น

4. คะตะไลต์ เมื่อใส่คะตะไลต์ ทํ าให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาเร็วขึ้น อธิบายใน 2 ลักษณะ

       ก.เกิดทิศทางใหม่

      ข. ลดค่าพลังงานกระตุ้น

ตัวยับยั้งปฏิกิริยา จะทํ าให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาช้าลง