More Related Content Similar to Sheet rate (20) Sheet rate1. โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ (องคการมหาชน) โรงเรียนวิทยาศาสตรของรัฐ
เอกสารประกอบการเรียน วิชาเคมี 3 (ว40123) ภาคเรียนที่ 1 ปการศึกษา 2549
อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี
(Rate of Chemical Reaction)
จากการศึกษาวิชาเคมีที่ผานมา เราไดศึกษาสมบัติตาง ๆ ของกาซ ของเหลว ของแข็ง และ
สารละลาย สมบัติในระดับโมเลกุลและพิจารณาปฏิกิริยาประเภทตาง ๆ ไปแลว การศึกษาขั้น
ตอไปคือการศึกษาวาเมื่อปฏิกิริยาเกิดขึ้นแลวจะดําเนินตอไปไดรวดเร็วเพียงใด และจะเกิดขึ้นได
มากนอยเพียงใดจึงจะสิ้นสุด
ภาพที่ 1 The Wide range of reaction rates. (Silberberg . 2003)
(A) An explosion is much faster than the process of ripening
(B) Process of ripening which is much faster than the process of rusting
(C) Process of rusting which is much faster than the process of human age
(D) Process of human age.
1
2. โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ (องคการมหาชน) โรงเรียนวิทยาศาสตรของรัฐ
เอกสารประกอบการเรียน วิชาเคมี 3 (ว40123) ภาคเรียนที่ 1 ปการศึกษา 2549
เคมี ที่ เ กี่ ย วข อ งกั บ การศึ ก ษาอั ต ราการ
เกิด ปฏิ กิ ริย าเรี ย กว า จลนศาสตรเคมี (Chemical Note
Kinetics) ซึ่งตามปกติคําวา “จลนศาสตร” มี
ความหมายเกี่ยวเนื่องกับการเคลื่อนที่ ซึ่งเปนเรื่องที่
เกี่ ย วข อ งกั บ อั ต ราการเกิ ด ปฏิ กิ ริ ย า (rate of
chemical reaction) ซึ่งปฏิกิริยาหนึ่ง ๆ ภายใน
สภาวะเดียวกัน จะมีอัตราการเกิดปฏิกิริยาเฉพาะคา
หนึ่ ง ซึ่ ง ขึ้ น อยู กั บ ธรรมชาติ ข องสารตั้ ง ต น เช น
ปฏิกิริยาของกาซไฮโดรเจนกับกาซฟลูออรีนและ
กาซไนโตรเจน
H2 (g) + F2 (g) 2HF very fast
3H2 (g) + N2 (g) 2NH3 very slow
การศึกษาอัตราของปฏิกิริยาเคมีเปนวิชาหนึ่งของวิชาเคมี ไมเพียงแตวัดอัตราของปฏิกิริยา
เทานั้น ยังศึกษาถึงปจจัยตาง ๆ ที่มีอิทธิพลตออัตราของปฏิกิริยานั้น
Note
1. ปจจัยที่มีผลตออัตราการเกิดปฏิกิริยา ไดแก
1.1 ธรรมชาติของสารตั้งตน (reactant) และ
ผลิตผล (product) ปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นชาหรือเร็วขึ้นอยูกับ
ธรรมชาติของสาร เชน โดยทั่วไปสารที่ทําปฏิกิริยาเปน
สารไอออนิกทั้งคูจะเกิดปฏิกิริยาเร็วกวาสารที่เปนโควา
เลนท สารที่ทําปฏิกิริยาเปนกาซทั้งคูจะทําปฏิกิริยาไดเร็ว
กวาปฏิกิริยาที่สารอยูในสถานะตางกัน
1.2 ความเขมขนของสารตั้งตนและผลิตผล ความเขมขนของสารจะมีผลตออัตรา
การเกิด ปฏิ กิกิ ริยาเคมี จากปฏิกิ ริยาระหวางโลหะแมกนีเ ซีย มกั บกรดไฮโดรคลอริก ชว งแรก
ปฏิกิริยาจะเกิดเร็วมากและจะคอย ๆ ชาลงในการเกิดกาซ H2 ยิ่งเวลาผานไปนานเทาใดอัตราการ
เกิดปฏิกิริยาจะยิ่งลดลงเทานั้น
2
3. โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ (องคการมหาชน) โรงเรียนวิทยาศาสตรของรัฐ
เอกสารประกอบการเรียน วิชาเคมี 3 (ว40123) ภาคเรียนที่ 1 ปการศึกษา 2549
1.3 พื้นที่ผิว พื้นที่ผิวจะมีผลตออัตรา Note
การเกิดปฏิกิริยาเคมี ปฏิกิริยาวิวิธพันธุเกิดขึ้นที่ผิว
ของวัฏภาค ดังนั้นยิ่งเพิ่มพื้นที่ผิวของตัวทําปฏิกิริยา
ปฏิกิริยาก็ยิ่งเกิดขึ้นเร็ว เชนปฏิกิริยาของสังกะสีกับ
กรดไฮโดรคลอริกเจือจางซึ่งใหกาซไฮโดรเจน ถา
ใชสังกะสีชิ้นโตปฏิกิริยาเกิดชาแตถาใชสังกะสีชิ้น
เล็ ก หรื อ ผงสั ง กะสี ป ฏิ กิ ริ ย าจะเกิ ด รวดเร็ ว ทั้ ง นี้
เพราะในปริมาณที่เทากันเมื่อขนาดชิ้นวัตถุยิ่งเล็กลง
พื้นที่ผิวยิ่งมากขึ้น
1.4 อุ ณ หภู มิ การเพิ่ ม อุ ณ หภู มิ ทํ า ให
ปฏิ กิ ริ ย าเร็ ว ขึ้ น เป น ที่ พ บเห็ น อยู เ สมอว า เมื่ อ ใด
ตองการใหปฏิกิริยาเกิดเร็วขึ้น เราจะตองตมหรือเผา
ตัวทําปฏิกิริยา ถาปลอยใหสารทําปฏิกิริยากันเองใน
อุณหภูมิธรรมดา บางทีอาจไมเกิดปฏิกิริยาขึ้นเลยก็
ไดหรือเกิดชามาก น้ํามันตั้งทิ้งไวในอากาศเฉย ๆ
ไม ลุ ก ไหม แ ต พ อจุ ด ไฟเข า ที่ น้ํ า มั น น้ํ า มั น จะทํ า
ปฏิกิริยากับออกซิเจนลุกไหมเปนเปลวไฟ
1.5 ตัวเรงปฏิกิริยา ตัวเรงปฏิกิริยาคือ
สารซึ่ ง เพิ่ ม อั ต ราของปฏิ กิ ริ ย าโดยตั ว เองไม ไ ด
เปลี่ยนแปลงไปดวยเมื่อเสร็จสิ้นปฏิกิริยา เชนใน
การเผาโพแทสเซียมคลอเรต แมงกานีสไดออกไซด
ที่ใสลงไปเปนตัวเรงปฏิกิริยาอาจเปนชนิดกอนเล็ก
ๆ แต เ มื่ อ เสร็ จ ปฏิ กิ ริ ย าแล ว ก อ นแมงกานี ส ได
ออกไซดแปรสภาพเปนผงละเอียด
1.6 ความดัน ความดันจะมีผลตอปฏิกิริยาในกรณีปฏิกิริยาที่เกี่ยวกับกาซ กลาวคือเมื่อ
เพิ่มความดันโมเลกุลของกาซจะชนกันมากขึ้นปฏิกิริยาจะมีอัตราการเกิดปฏิกิริยาเร็วขึ้น
3
4. โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ (องคการมหาชน) โรงเรียนวิทยาศาสตรของรัฐ
เอกสารประกอบการเรียน วิชาเคมี 3 (ว40123) ภาคเรียนที่ 1 ปการศึกษา 2549
2. การอธิบายการเกิดปฏิกิริยาเคมี
ปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้นไดอยางไร นักวิทยาศาสตรพยายามอธิบาย ทฤษฎีหนึ่งที่ตอบ
คําถามนี้ไดคือ ทฤษฎีการชน (Collision theory) และ ทฤษฎีทรานซิชันสเตด (Transition state
theory)
2.1 ทฤษฎีการชน (Collision theory)
มีหลักทั่วไปกลาววา การเกิดปฏิกิริยาเคมี โมเลกุลของ
สารตั้งตนหรือสารที่เขาทําปฏิกิริยาจะตองเกิดการชนกัน
กอน พิจารณาปฏิกิริยาระหวางโมเลกุลของสาร A กับ B
โดยตรง ถาเพิ่มความเขมขนของ A เปนสองเทา จํานวน
การชนระหวาง A – B ก็จะเพิ่มเปนสองเทาเนื่องจาก
จํานวนโมเลกุลของ A ที่จะชนกับ B เพิ่มเปนสองเทา
ดั ง นั้ น อั ต ราการเกิ ด ปฏิ กิ ริ ย าก็ เ พิ่ ม เป น สองเท า ด ว ย ใน
ทํานองเดียวกันการเพิ่มความเขมขนของ B เปนสองเทาก็
จะทําใหอัตราเพิ่มเปนสองเทาเชนกัน นอกจากนี้โมเลกุล
ของสารตั้งตนจะตองชนกันในทิศทางที่เหมาะสมดวย เชน
ปฏิกิริยาระหวางกาซไฮโดรเจนกับกาซไอโอดีนเกิดกาซ
ไฮโดรเจนไอโอไดด โมเลกุลของกาซไฮโดรเจนและกาซ
ไอโอดี น หรื อ ปฏิ กิ ริ ย าของออกซิ เ จนกั บ ไนโตเจน
ออกไซด
Note
4
5. โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ (องคการมหาชน) โรงเรียนวิทยาศาสตรของรัฐ
เอกสารประกอบการเรียน วิชาเคมี 3 (ว40123) ภาคเรียนที่ 1 ปการศึกษา 2549
ภาพที่ 2 การจัดตัวของโมเลกุล H2 และ I2
เมื่อพิจารณาการชนกันของโมเลกุล
Note
H2 และ I2 พบวาการชนกันแบบ ข. มีโอกาสที่จะ
เกิดปฏิกิริยาเคมีไดมากกวาแบบ ก เนื่องจากมีทิศทาง
ในการชนกั น ของทั้ ง สองโมเลกุ ล มี ค วามเหมาะสม
ทฤษฎีการชนมีหลักการที่สอดคลองกับหลักความเปน
จริง แตเราพบวาความสัมพันธระหวางอัตรากับการ
ชนของโมเลกุ ล ซับซ อ นกว า นี้ ในทางปฏิ บัติพ บว า
หลาย ๆ กรณีปฏิกิริยาไมไดเกิดขึ้นเพราะการชนกันแต
เพี ย งอย า งเดี ย ว จากการทดลองและคํ า นวณพบว า
จํานวนครั้งของการชนกันที่ไดผลเปนเพียงเศษสวน
นอยมากของจํานวนครั้งของการชนกันทั้งหมด จาก
การคํานวณพบวาในปฏิกิริยาทั่วไป การชนกันทีไดผล่
มีเพียง 1 ใน 107 ครั้งเทานั้นโดยประมาณ
5
6. โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ (องคการมหาชน) โรงเรียนวิทยาศาสตรของรัฐ
เอกสารประกอบการเรียน วิชาเคมี 3 (ว40123) ภาคเรียนที่ 1 ปการศึกษา 2549
โมเลกุลที่เขาชนกันจะมีการเปลี่ยนแปลงของพลังงานจลนและพลังงานศักย เมื่อ
สองโมเลกุลเขาใกลกันและกันจะเกิดแรงผลักระหวางกลุมหมอกของอิเล็กตรอน เปนเหตุให
โมเลกุลเคลื่อนที่ชาลง พลังงานจลนของโมเลกุลจะลดลง ในขณะเดียวกันพลังงานศักยจะเพิ่มขึ้น
หรือกลาวอีกนัยหนึ่งวา พลังงานจลนเปลี่ยนไปเปนพลังงานศักยขณะที่โมเลกุลชนกัน ถาโมเลกุล
เคลื่อนที่ชา (พลังงานจลนต่ํา) เขาชนกัน พลังงานศักยที่ไดจากพลังงานจลนไมเพียงพอที่จะ
เอื้ออํานวยใหกลุมหมอกอิเล็กตรอนจัดเรียงตัวใหม โมเลกุลทั้งสองจะเคลื่อนที่ออกจากกันโดยไม
มีการเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้น ตรงกันขาม ถาโมเลกุลเคลื่อนที่ดวยความเร็วสูง (พลังงานจลนสูง) เขา
ชนกันพลั งงานศั ก ยที่ ไ ดจากพลั งงานจลนสูงพอที่จะเอื้ออํานวยใหก ลุมหมอกอิเ ล็กตรอนทะลุ
ทะลวงกันและกัน เกิดการสลายของพันธะเดิมและสรางพันธะใหมเกิดผลิตผลขึ้น และเมื่อผลิตผล
ที่ไดเคลื่อนที่ออกไป พลังงานศักยจะลดลงขณะที่พลังงานจลนเพิ่มขึ้น โมเลกุลเหลานี้จึงเคลื่อนที่
เร็วขึ้น สรุปไดวาโมเลกุลที่มีพลังงานจลนสูง (พลังงานศักยสูงเมื่อชนกัน) เทานั้นที่เกิดปฏิกิริยาได
และพลังงานขั้นต่ําสุดที่โมเลกุลจะตองมีเพื่อเอื้ออํานวยใหเกิดปฏิกิริยาก็คือพลังงานกอกัมมันต
(activation energy , Ea) นั่นเอง ถามีพลังงานไมถึงคานี้โมเลกุลก็จะไมมีการเปลี่ยนแปลงหลังจาก
การชน
ภาพที่ 3 การเปลี่ยนแปลงพลังงานศักยสําหรับปฏิกิริยาคายความรอนและดูดความรอน
Note
6
7. โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ (องคการมหาชน) โรงเรียนวิทยาศาสตรของรัฐ
เอกสารประกอบการเรียน วิชาเคมี 3 (ว40123) ภาคเรียนที่ 1 ปการศึกษา 2549
2.2 ทฤษฎี ท รานซิ ชั น สเตด Note
(Transition state theory) หรือทฤษฎีสถานะ
ทรานซิชัน หรือทฤษฎีสารเชิงซอนกัมมันต เปนอีก
ทฤษฎีหนึ่งที่เกี่ยวกับการเกิดปฏิกิริยาและอัตราการ
เกิ ด ปฏิ กิ ริ ย าทฤษฎี นี้ ข ยายความคิ ด เรื่ อ งการชน
ออกไปอีก อธิบายไดวา ในการเกิดปฏิกิริยาจะตอง
มีการเปลี่ยนแปลงที่พันธะบางพันธะอาจยืดและแตก
ออกไปแลวเกิดพันธะใหมชั่วขณะหนึ่งที่อนุภาคเขา
มาปะทะกันมันจะรวมกันเกิดเปนสารเชิงซอนชนิด
หนึ่ ง เรี ย กว า แอกติ เ วเตดคอมเพล็ ก (activated
complex) ซึ่งไมเสถียรและปรากฏอยูบนสุดยอด
ของเสนโคงของแผนภาพแสดงพลังงานศักยกับการ
ดําเนินไปของปฏิกิริยา แอกติเวเตดคอมเพล็กนีไมใช ้
สารตั้ ง ต น หรื อ สารผลิ ต ผล แต เ ป น การรวมเข า
ดวยกันของอะตอมของสารที่เขาทําปฏิกิริยา ดังนี้
A–A A A A A
B–B B B B + B
แอกติเวเตดคอมเพล็ก
เสนขีด ---- ระหวางอะตอมในแอกติเวเตดคอมเพล็ก แสดงใหเห็นวาพันธะ
ระหวาง A-A และ B-B เริ่มสลายลง และพันธะ A-B ของผลิตผลเริ่มเกิดขึ้น และวงเล็บมี
ความหมายวา แอกติเวเตดคอมเพล็กนี้ไมเสถียร ซึ่งอาจเกิดการเปลี่ยนแปลงได 2 อยางคืออาจเกิด
เปนผลิตผลหรือสารตั้งตนก็ไดสุดยอดของเสนโคงของพลังงานศักยที่พบแอกติเวเตดคอมเพล็
กเรียกวา ทรานซิชันสเตด (transition state แปลวาภาวะที่เกิดการเปลี่ยนแปลง)
7
9. โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ (องคการมหาชน) โรงเรียนวิทยาศาสตรของรัฐ
เอกสารประกอบการเรียน วิชาเคมี 3 (ว40123) ภาคเรียนที่ 1 ปการศึกษา 2549
ถาสารตั้งตน มีพลังงานจลนสูงไมมาก การปะทะกันจะใหพลังงานศัก ยสูงไม
พอที่จะทําใหเกิดสารเชิงซอนกอกัมมันต โมเลกุลทั้งสองก็อาจแยกออกจากกันไปเลยโดยไมเกิด
อะไรขึ้น ความแตกตางระหวางพลังงานของสารเชิงซอนกอกัมมันต (พลังงานที่เปนคาสูงสุด) กับ
พลังงานของตัวทําปฏิกิริยา คือ พลังงานกอกัมมันต นั่นเอง
3. พลังงานกอกัมมันต
ดังที่เสนอไว ในทฤษฎีของการชนวา การชนกันที่จ ะใหเ ปนผลสํ าเร็ จนั้นต อง
ประกอบดวยการชนในทิศทางที่เหมาะสม และพลังงานของอนุภาคก็ตองสูงพอเพียงดวย เราเรียก
พลังงานจํานวนนอยที่สุดที่จะทําใหเกิดปฏิกิริยาขึ้นไดวา พลังงานกอกัมมันต เมื่อพลังงานกอกัม
มั น ต มี ค าน อย ปฏิ กิ ริย ามี อั ต ราเร็ว ปฏิ กิริย าเร็ว บางปฏิกิ ริย าแทบไมมี พ ลัง งานก อกั มมัน ตเ ลย
อนุภาคของตัวทําปฏิกิริยามีพลังงานรวมกันแลวเกินคาพลังงานกอกัมมันตไดงาย ถาพลังงานกอกัม
มันตมีคามาก ปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นชา การเพิ่มอุณหภูมิทําใหอัตราของปฏิกิริยาเพิ่มเร็วขึ้นเพราะเปน
การเพิ่ มพลั งงานจลนใ ห แก อนุภาคของตั ว ทําปฏิกิริย า และเพิ่มจํานวนอนุ ภาคที่มี พ ลังงานสูง
พอที่จะทําใหพลังงานศักยของระบบเกินพลังงานกอกัมมันต ซึ่งทําใหปฏิกิริยาเกิดไดสําเร็จ
ภาพที่ 6 การเดินทางขามภูเขา
จากภาพคนที่จะเดินขามภูเขาไดจะตองแข็งแรกมาก เปรียบเสมือนอนุภาคของสารที่มี
พลังงานสูง ดังนั้นจํานวนคนที่จะขามภูเขาไดภายในเวลาที่กําหนดจึงขึ้นอยูกับองคประกอบที่
สําคัญ 2 ประการคือ (1) จํานวนคนที่แข็งแรงหรือมีพลังงานมาก และ (2) ความสูงของภูเขา เมื่อ
พลังงานกอกัมมันตมีคานอย อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะมีคา…………. ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเร็วบาง
ปฏิกิริยาแทบไมมีพลังงานกอกัมมันตเลย อนุภาคของตัวทําปฏิกิริยามีพลังงานรวมกันแลวเกินคา
พลังงานกอกัมมันตไดงาย ถาพลังงานกอกัมมันตมีคามาก ปฏิกิริยาจะเกิดขึ้น……… การเพิ่ม
อุณหภูมิ ทําใหอัตราของการเกิดปฏิกิริยาเพิ่มเร็วขึ้นเพราะเปนการเพิ่มพลังงานจลนใหแกอนุภาค
ของตัวทําปฏิกิริยา และเพิ่มจํานวนอนุภาคที่มีพลังงานสูงพอที่จะทําใหพลังงานศักยของระบบเกิด
กวาพลังงานกอกัมมันต ซึ่งทําใหปฏิกิริยาเกิดไดสําเร็จ
9
10. โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ (องคการมหาชน) โรงเรียนวิทยาศาสตรของรัฐ
เอกสารประกอบการเรียน วิชาเคมี 3 (ว40123) ภาคเรียนที่ 1 ปการศึกษา 2549
แบบฝกหัด
1. จงยกตัวอยางปฏิกิริยาที่เกิดชามาก (ใชเวลาหลาย ๆ วันจึงเกิดสมบูรณ) และปฏิกิริยาที่
เกิดขึ้นเร็วมาก (ปฏิกิริยาสิ้นสุดภายในไมกนาทีหรือไมกวินาที) มาชนิดละ 2 ตัวอยาง
ี่ ี่
……………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………….
2. พลังงานกอกัมมันตคืออะไร มีบทบาทในจลนศาสตรเคมีอยางไร
……………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………….
3. จงระบุปจจัยทีทําใหอนุภาคชนกันแลวเกิดปฏิกิริยาเคมีได
่
……………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………….
4. จงเขียนรูปแสดงการจัดตัวของโมเลกุลและทิศทางการชนกันของโมเลกุลที่นาจะทําให
เกิดปฏิกิริยาเคมีไดในปฏิกิรยาตอไปนี้
ิ
ก. H2O (g) + CO (g) H2 (g) + CO2 (g)
ข. NO2 (g) + CO (g) NO (g) + CO2 (g)
……………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
10
11. โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ (องคการมหาชน) โรงเรียนวิทยาศาสตรของรัฐ
เอกสารประกอบการเรียน วิชาเคมี 3 (ว40123) ภาคเรียนที่ 1 ปการศึกษา 2549
4. พลังงานกับการดําเนินไปของปฏิกิริยาเคมี
การเกิดปฏิกิริยาเคมีจะมีพลังงานมาเกี่ยวของดวย เนื่องจากมีการสลายและสราง
พันธะระหวางอะตอมของสารในปฏิกิริยา อาจแสดงไดดวยกราฟดังรูป
ภาพที่ 7 Reaction energy diagrams and possible transition states for three
reaction(silberberg.2003)
(A) 2NOCl(g) 2 NO(g) + Cl2 (g)
(B) NO (g) + O3 (g) NO2 (g) + O2 (g)
(C ) 2ClO (g) Cl2 (g) + O2 (g)
จากกราฟ (A) สารตั้งตนมีพลังงานต่ํากวาสารผลิตภัณฑ กราฟนี้เปนปฏิกิริยาดูด
พลังงานหรือดูดความรอน (Endothermic Reaction) กราฟ (B) และ (C) สารตั้งตนมีพลังงานสูง
กวาสารผลิตภัณฑ กราฟนี้เปนปฏิกิริยาคายพลังงานหรือคายความรอน (Exothermic Reaction)
Note
11
12. โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ (องคการมหาชน) โรงเรียนวิทยาศาสตรของรัฐ
เอกสารประกอบการเรียน วิชาเคมี 3 (ว40123) ภาคเรียนที่ 1 ปการศึกษา 2549
พลังงาน
ก ข
ภาพที่ 8 การเปลี่ยนพลังงานในแบบคายพลังงานและดูดพลังงาน
จากรูป ก C และ D มีพลังงานต่ํากวา A และ B แสดงวาปฏิกิริยานี้ปลอยพลังงาน
ออกมา พลังงานที่ปลอยออกมาเปนความรอนของปฏิกิริยา ปฏิกิริยานี้เปนแบบคายความรอน ตาม
รูปจะเห็นไดวาความรอนของปฏิกิริยาไมเกี่ยวของกับพลังงานกอกัมมันตแตอยางใด ถาพลังงาน
ของ C กับ D สูงกวาพลังงานของ A กับ B ดังรูป ข ปฏิกิริยาเปนแบบดูดกลืนความรอน ถา
ตองการใหปฏิกิริยาดําเนินตอไป จะตองใสพลังงานเขาไปเรื่อย ๆ
ภาพที่ 9 พลังงานกอกัมมันตของ
ปฏิกิ ริย าไปข างหนา และของปฏิกิ ริย า
ผันกลับ
สมมติวาปฏิกิริยาระหวาง A และ B ไปเปน C และ D เปนปฏิกิริยาคายความรอน
และสามารถผันกลับได กลาวคือ C และ D สามารถทําปฏิกิริยากันกลับมาเปน A และ B ปฏิกิริยาที่
ผันกลับก็จะเปนปฏิกิริยาแบบดูดความรอน เราจะเห็นไดวาพลังงานกอกัมมันตของปฏิกิริยาผัน
กลับคือ C กับ D ไปเปน A กับ B นั้นมีคามากกวาพลังงานกอกัมมันตของปฏิกิริยาระหวาง A กับ B
ไปเปน A กับ C
12
13. โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ (องคการมหาชน) โรงเรียนวิทยาศาสตรของรัฐ
เอกสารประกอบการเรียน วิชาเคมี 3 (ว40123) ภาคเรียนที่ 1 ปการศึกษา 2549
แบบฝกหัด
5. จากสมการ O3 (g) + O (g) 2O2 (g)
พลังงานกอกัมมันตของปฏิกิริยาไปขางหนาเทากับ 19 kJ และพลังงานของปฏิกิริยานี้เทากับ – 392
kJ จงวาดกราฟแสดงความสัมพันธของพลังงานกับการดําเนินไปของปฏิกิริยา และคํานวณหาคา
พลังงานกอกัมมันตของปฏิกิริยายอนกลับ
6. จากภาพที่กําหนดให
2 OH
78 kJ + 72 kJ
O + H2O
จงเขียน Ea (fwd) , Ea (rev) และ ΔHrxn ที่ตําแหนงที่ถกตองในภาพ
ู
พรอมวาดแอกติเวเตดคอมเพล็กบริเวณทรานซิชันสเตด และ
คํานวณ Ea (rev) ของปฏิกิริยานี้
……………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………….
13
14. โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ (องคการมหาชน) โรงเรียนวิทยาศาสตรของรัฐ
เอกสารประกอบการเรียน วิชาเคมี 3 (ว40123) ภาคเรียนที่ 1 ปการศึกษา 2549
4. อัตราการเกิดปฏิกิริยาและการวัดอัตราการเกิดปฏิกิริยา
อัตราของปฏิกิริยา (rate of chemical reaction) คืออัตราซึ่งสารตั้งตน (reactant)
ทําปฏิกิริยาไป หรืออัตราซึ่งผลิตผล (product) ปรากฏขึ้นหรือเกิดขึ้นจากปฏิกิริยา ในการศึกษา
จลนศาสตรเคมี มักระบุอัตราเปนการลดลงความเขมขนของสารตั้งตนหรือการเพิ่มขึ้นของผลิตผล
กับเวลา ซึ่งสามารถวัดไดจากการทดลองไดแก
(1) ปริมาณกาซที่เกิดขึ้น
กรณีที่การวัดความเขมขนโดยตรงของสาร
(2) ความดันที่เปลี่ยนแปลง
ทําไดยาก นักเคมีมักวัดสมบัติที่สัมพันธ
(3) การเปลี่ยนสี
โดยตรงกับความเขมขน เชน ความดัน สี
(4) การเกิดตะกอน
แลวจึงเปลียนเปนความเขมขน
่
(5) การเกิดกรดหรือเบส
ในวิชาจลนศาสตรเคมี ปริมาณของสารตั้งตนที่ลดลงหรือผลิตภัณฑที่เกิดขึ้นนิยม
ระบุหนวยเปนความเขมขน โมล/ลิตร หรือ M เสมอ และเขียนแทนดวยวงเล็บ [ ] ดังนั้นความ
เขมขนเปนโมล/ลิตรของ N2O5 จึงเขียนแทนดวย [N 2O 5 ] เชน [N 2O 5 ] = 0.1 หมายความวา
N2O5 มีความเขมขน 0.1 โมล/ลิตร
อัตราการเกิดปฏิกิริยาระบุใหทราบวาการเปลี่ยนแปลงของปฏิกิริยาเกิดรวดเร็ว
เพียงใด ซึ่งโดยทั่วไปจะระบุในเทอมของการเปลี่ยนแปลงความขมขนของสารตั้งตนหรือผลิตผลที่
เกิดในชวงเวลาที่กําหนด เชน สมการ A + 2B C
อัตราการเกิดปฏิกิริยา = ความเขมขนของ C ที่เปลี่ยนไป
เวลาที่เปลี่ยนไป
อัตราการเกิดปฏิกิริยา = Δ (ความเขมขนของ C)
ΔT
Δ[P ]
=
Δt
เนื่องจากอัตราการเกิดปฏิกิริยาที่เวลาตาง ๆ ไมเทากัน จึงควรเขียนวา
d [C ]
อัตราการเกิดปฏิกิริยา =
dt
หรือถาเขียนในรูปของการเปลี่ยนความเขมขนของสารตั้งตน A และ B จะเขียนได
ดังนี้
d [A] d [B ]
อัตราการเกิดปฏิกิริยา =− =−
dt dt
14
15. โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ (องคการมหาชน) โรงเรียนวิทยาศาสตรของรัฐ
เอกสารประกอบการเรียน วิชาเคมี 3 (ว40123) ภาคเรียนที่ 1 ปการศึกษา 2549
จากสมการ A + 2B C
ดวยเหตุที่วาอัตราการลดลงไปของ A เปนครึ่งหนึ่งของการลดลงไปของ B
เพราะฉะนั้น จึงเขียนความสัมพันธระหวางอัตราการเกิดปฏิกิริยาในรูปของสารตาง ๆ ได จะตอง
คิดตอ 1 โมลของสารนั้น ๆ จึงเขียนไดดังนี้
d [ A] 1 d [B ] d [P ]
อัตราการเกิดปฏิกิริยา =− =− =
dt 2 dt dt
คําวา อัตราการเกิดปฏิกิริยา หมายถึงอัตราสุทธิ (net rate) มิไดหมายถึงอัตราการ
เกิดปฏิกิริยาดําเนินไปขางหนา (forward reaction) อยางเดียว เพราะปฏิกิริยายอนกลับ (backward
reaction) ก็อาจเกิดไดเชนกัน
จะเห็นวาหนวยของอัตราเร็วของปฏิกิริยา คือหนวยของความเขมขนหารดวยเวลา
เราทราบวาหนวยความเขมขนที่นิยมคือ mol dm-3 หรือ mol l-1 และหนวยของเวลาคือ s (second)
ดังนั้น หนวยของอัตราการเกิดปฏิกิริยาจึงเปน mol dm-3 s-1 และจะติดตามสารที่วัดไดงายที่สุด
เชน ปฏิกิริยาระหวาง 0.10 mol ของ CO กับ 0.10 mol ของ NO2 ในภาชนะปริมาตร 1 ลิตรที่
อุณหภูมิหนึ่ง
CO (g) + NO2 (g) CO2 (G) + NO (g)
เราอาจเลือกติดตามความเขมขนของ CO ที่เปลี่ยนไปที่เวลาตาง ๆ แลวนําคาที่
ไดมาเขียนกราฟกับเวลา จะไดกราฟตามภาพที่ 9 ความเร็วของปฏิกริยาที่เวลาใด ๆ ก็คือความชัน
ิ
ของกราฟที่เวลานั้น ตัวอยางเชนที่ t = 20 s ความชันมีคาเทากับ 0.0010 mol dm-3 s-1
ภาพที่ 10 การหาอัตราการเกิดปฏิกิริยา
15
16. โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ (องคการมหาชน) โรงเรียนวิทยาศาสตรของรัฐ
เอกสารประกอบการเรียน วิชาเคมี 3 (ว40123) ภาคเรียนที่ 1 ปการศึกษา 2549
ตัวอยาง
ปฏิกิริยาระหวางแมกนีเซียมกับสารละลายกรดไฮโดรคลอริก ดังสมการ
Mg (s) + 2 HCl (aq) MgCl2 (aq) + H2 (g)
สามารถวัดความเขมขนของสารละลายกรดไฮโดรคลอริกในระหวางเกิดปฏิกิริยา ไดดังนี้
เวลา (s) ความเขมขนของ HCl (mol/dm3)
0 1.80
50 1.65
100 1.50
150 1.30
200 1.00
250 0.85
จากขอมูล สามารถหาอัตราการเกิดปฏิกิริยาไดดังนี้
1. อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีเฉลี่ย วัดจากการเปลี่ยนแปลงปริมารสารตั้งตน
ทั้งหมด หรือสารผลิตภัณฑทั้งหมดตอเวลาทั้งหมดที่ใชในการเกิดปฏิกิริยาเคมี
อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีเฉลี่ย = ปริมาณสารตั้งตนที่ลงลงทั้งหมด
เวลาทั้งหมดทีใชในการเกิดปฏิกิริยาเคมี
่
หรือ อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีเฉลี่ย = ปริมาณสารผลิตภัณฑที่เกิดขึ้นทังหมด ้
เวลาทั้งหมดที่ใชในการเกิดปฏิกิริยาเคมี
1 . 80 − 0 . 85
=
250
= 3.8 x 10 –3 mol dm-3 s-1
2. อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีในชวงวินาทีที่ 150 – 200
อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีในชวงเวลาหนึง = ปริมาณสารตั้งตนที่ลดลงในชวงเวลานั้น
่
เวลาในชวงนัน ๆ
้
16
17. โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ (องคการมหาชน) โรงเรียนวิทยาศาสตรของรัฐ
เอกสารประกอบการเรียน วิชาเคมี 3 (ว40123) ภาคเรียนที่ 1 ปการศึกษา 2549
อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีในชวงเวลาหนึง = ปริมาณสารผลิตภัณฑที่เพิ่มขึ้นในชวงเวลานั้น
่
เวลาในชวงนัน ๆ
้
อัตราการเกิดปฏิกิริยาของปฏิกิริยานี้จึง
= ปริมาณสารตั้งตนที่ลดลงในชวงวินาทีที่ 150-200
เวลาในชวงวินาทีที่ 150 - 200
1 . 30 − 1 . 00
=
200 − 150
= 6 × 10 −3 mol dm-3 s-1
3. อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีที่วินาทีที่ 200 หาไดจากความชันของกราฟระหวาง
ความเขมขนกับเวลา
y
อัตราการเกิดปฏิกิริยาที่วินาทีที่ 200 =
x
ภาพที่ 11 การหาอัตราการเกิดปฏิกิริยาที่เวลาหนึ่ง ๆ
Note
17
18. โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ (องคการมหาชน) โรงเรียนวิทยาศาสตรของรัฐ
เอกสารประกอบการเรียน วิชาเคมี 3 (ว40123) ภาคเรียนที่ 1 ปการศึกษา 2549
แบบฝกหัด
1 เมื่อสาร A ทําปฏิกิริยากับสาร B ไดผลิตภัณฑเปนสาร C เพียงชนิดเดียวจากการทดลอง
พบวาอัตราการเกิดปฏิกิริยาถาคิดจากสาร A จะเทากับ ½ เทาของอัตราการลดลงของสาร A ถาคิด
จากสาร B จะเทากับ 2 เทาของอัตราการลดลงของสาร B และถาคิดจากสาร C จะเทากับ 1/3 เทา
ของอัตราการเพิ่มขึ้นของสาร C จงเขียนสมการเคมีที่ใชแสดงปฏิกิริยาที่เกิดขึ้น
……………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………….
2. จากปฏิกิริยาตอไปนี้
2 Al + 3 H2SO4 Al2(SO4)3 + 3 H2
จากการทดลองพบวาในเวลา 10 นาที ใช Al หมดไป 13.5 กรัม จงคํานวณ
ก. จงคํานวณอัตราการเปลี่ยนแปลง H2SO4 และ H2 เปนโมลตอนาที
ข. จงคํานวณอัตราการเกิดปฏิกิริยาเฉลี่ยจากการทดลองนี้
……………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………….
18
19. โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ (องคการมหาชน) โรงเรียนวิทยาศาสตรของรัฐ
เอกสารประกอบการเรียน วิชาเคมี 3 (ว40123) ภาคเรียนที่ 1 ปการศึกษา 2549
3. จงเขียนอัตราการเกิดปฏิกิริยาตอไปนี้ในรูปของการลดความเขมขนของสารตั้งตนและ
การเพิ่มความเขมขนของสารผลิตภัณฑ
CH4 (g) + 2O2 (g) CO2(g) + 2H2O(g)
……………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………….
Note
19
20. โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ (องคการมหาชน) โรงเรียนวิทยาศาสตรของรัฐ
เอกสารประกอบการเรียน วิชาเคมี 3 (ว40123) ภาคเรียนที่ 1 ปการศึกษา 2549
5. กฎอัตราและลําดับของปฏิกิริยา
Note
การศึ ก ษาผลของความเข ม ข น ของ
สารตั้งต น ตออั ตราการเกิด ปฏิ กิริย าวิธีห นึ่งคื อหาวา
ความเขมขนเริ่มตนมีผลตออัตราเริ่มตน (initial rate)
อย า งไรบ า ง โดยทั่ ว ไปเรามั ก นิ ย มวั ด อั ต ราเริ่ ม ต น
เพราะเมื่ อ ปฏิ กิ ริ ย าดํ า เนิ น ไปสารตั้ ง ต น จะมี ค วาม
เขมขนลดลง และอาจทําใหการวัดการเปลี่ยนแปลง
ความเขมขนไดยากขึ้น นอกจากนี้ยังอาจเกิดปฏิกิริยา
ยอนกลับจากผลิตภัณฑไปเปนสารตั้งตน ทําใหการวัด
อัตราผิดพลาดไดแตที่เริ่มตนปฏิกิริยาจะไมมีปญหา
ดังกลาวนี้ ในทางปฏิบัติอาจติดตามความเขมขนของ
สารตั้ งต น หรื อผลิตผลที่ เ วลาตาง ๆ แลว นํ ามาเขีย น
กราฟระหวางความเขมขนกับเวลา จากนั้นจึงคํานวณ
ความเขมขนที่เวลา t = 0 ดังแสดงในภาพ
ความเขมขน
อัตราเริ่มตน
คิดจากสารเริ่มตน ผลิตภัณฑ
สารเริ่มตน
อัตราเริ่มตน
คิดจากผลิตภัณฑ
เวลา
ภาพที่ 12 การเปลี่ยนแปลงความเขมขนของสารตั้งตนและสารผลิตภัณฑ กับเวลา
20
21. โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ (องคการมหาชน) โรงเรียนวิทยาศาสตรของรัฐ
เอกสารประกอบการเรียน วิชาเคมี 3 (ว40123) ภาคเรียนที่ 1 ปการศึกษา 2549
การศึกษาอัตราของปฏิกิริยา ใชวิธีทําการทดลองหลาย ๆ การทดลอง โดยที่แตละการ
ทดลองใชความเขมขนเริ่มตน (initial concentration) ของสารตั้งตนตางกันแลวบันทึกอัตราเริ่มตน
ที่ไดจากการทดลอง และสามารถเขียนความสัมพันธระหวางอัตราการเกิดปฏิกิริยากับความเขมขน
ของสารไดในรูปของคณิตศาสตรดังนี้
A+B C+D
อัตราการเกิดปฏิกิริยา α [A] [B]
หรือ อัตราการเกิดปฏิกิริยา = k [A] [B]
หรือ R (Rate) = k [A] [B]
สมการแสดงความสัมพันธระหวางอัตราการเกิดปฏิกิริยากับความเขมขนของสารตั้งตนที่มี
ผลตออัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี เรียกวา กฎอัตรา (rate law) คา k เปนคาคงที่เรียกวา คาคงที่
อัตรา (rate constant) คา k จะมีคาเทากับอัตราการเกิดปฏิกิริยาเมื่อสารตั้งตนทุกชนิดมีความ
เขมขนเทากับหนึ่งหนวย และ k จะมีคามากหรือนอยขึ้นกับปจจัยตาง ๆ เชน ธรรมชาติของสารตั้ง
ตน อุณหภูมิ ฯลฯ
d [ A] d [B ] d [C ] d [D ]
− =− = = = k [ A][ B ]
dt dt dt dt
สําหรับปฏิกิริยาตอไปนี้
3A + 2B C+D
สามารถเขียนกฎอัตราในเทอมของผลคูณของความเขมขนของสารตั้งตนยกกําลังดวยเลข
บางตัวไดดังนี้
1 d [ A] 1 d [B ] d [C ] d [D ]
− =− = = = k [ A]m [B ]n
3 dt 2 dt dt dt
สําหรับเลขยกกําลัง m และ n อาจมีคาเทาใดก็ได จะเปนบวกหรือลบก็ได โดย
m คือ อันดับ (order) ของปฏิกิริยา เมื่อถือ A เปนหลัก
n คือ อันดับ (order) ของปฏิกิริยา เมื่อถือ B เปนหลัก
m + n คือ อันดับรวมของปฏิกิริยา (overall order of reaction)
(คา m และ n ไมจําเปนตองเทากับคาสัมประสิทธิ์ในสมการปริมาณสัมพันธ ดังนั้นคา
ของ m และ n จะตองหาจากการทดลองเทานั้น)
21
22. โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ (องคการมหาชน) โรงเรียนวิทยาศาสตรของรัฐ
เอกสารประกอบการเรียน วิชาเคมี 3 (ว40123) ภาคเรียนที่ 1 ปการศึกษา 2549
m+n เทากับ 0 เรียกวา ปฏิกิริยาอันดับศูนย (zero – order reaction)
m+n เทากับ 1 เรียกวา ปฏิกิริยาอันดับหนึ่ง (first – order reaction)
m+n เทากับ 2 เรียกวา ปฏิกิริยาอันดับสอง (second – order reaction)
m+n เทากับ 3 เรียกวา ปฏิกิริยาอันดับสาม (third – order reaction)
m+n เทากับ 3/2 เรียกวา ปฏิกิริยาอันดับสามสวนสอง (three – halves
order reaction)
ตัวอยางเชน การทดลองปฏิกิริยาระหวางออกซิเจนและไนโตรเจนออกไซด
O2(g) + 2NO(g) 2NO2 (g)
การทดลองที่ ความเขมขนเริมตนของปฏิกิริยา (โมล/ลิตร)
่ อัตราเริ่มตน
O2 NO (mol dm-3 s-1)
1 1.10 x 10-2 1.30 x 10-2 3.21 x 10-3
2 1.10 x 10-2 2.60 x 10-2 12.8 x 10-3
3 1.10 x 10-2 3.90 x 10-2 28.8 x 10-3
4 2.20 x 10-2 1.30 x 10-2 6.40 x10-3
5 3.30 x 10-2 1.30 x 10-2 9.60 x 10-3
จากตาราง การทดลองที่ 1 และ 4 จะเห็นวาถาเพิ่มความเขมขนเริ่มตนของ O2 (g) เปนสอง
เทา โดยที่ความเขมขนของ NO (g) คงที่ อัตราการเกิดปฏิกิริยาก็จะเพิ่มขึ้น และจากการทดลองที่
1 และ 2 จะเห็นวาถาเพิ่มความเขมขนเริ่มตนของ NO (g) เปนสองเทา โดยที่ความเขมขนของ O2
(g) คงที่ อัตราการเกิดปฏิกิริยาก็จะเพิ่มขึ้น
m[ ]
Rate 4 k O 2 4 [NO ] 4
n
=
Rate 1 kO m [ ]
2 1 [NO ] 1
n
m
Rate 4 ⎛ [O 2 ] 4 ⎞
=⎜ ⎟
Rate 1 ⎜ [O 2 ]1
⎝
⎟
⎠
6.40 x 10-3 mol dm-3s-1 = 2.20 x 10-2 mol dm-3s-1 m
3.21 x 10-3 mol dm-3s-1 1.10 x 10-3 mol dm-3s-1
22
23. โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ (องคการมหาชน) โรงเรียนวิทยาศาสตรของรัฐ
เอกสารประกอบการเรียน วิชาเคมี 3 (ว40123) ภาคเรียนที่ 1 ปการศึกษา 2549
1.99 = (2.00)m
2 = 2m ดังนั้น m = 1
จะเห็นวาปฏิกิริยานี้เปนปฏิกิริยาอันดับหนึ่งเมื่อยึด O2 เปนหลัก แสดงวาเมื่อเพิ่ม
ความเขมขนของ O2 เปนสองเทา อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะเพิ่มขึ้นเปน 2 เทา
[ ]
m
Rate 2 k O 2 2 [NO ] 2
n
=
Rate 1 kO [ ]
m
2 1 [NO ] 1
n
n
Rate 2 ⎛ [NO ]2 ⎞
=⎜ ⎟
Rate 1 ⎜ [NO ]1
⎝
⎟
⎠
12.8 x 10-3 mol dm-3s-1 = 2.60 x 10-2 mol dm-3s-1 n
3.21 x 10-3 mol dm-3s-1 1.30 x 10-3 mol dm-3s-1
3.99 = (2.00)n
4 = 2m ดังนั้น n = 2
จะเห็นวาปฏิกิริยานี้เปนปฏิกิริยาอันดับสองเมื่อยึด NO เปนหลัก แสดงวาเมื่อเพิ่ม
ความเขมขนของ NO เปนสองเทา อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะเพิ่มขึ้นเปน 4 เทา ดังนั้นจะเขียนกฎ
อัตราของปฏิกิริยานี้ไดวา Rate = k[O2][NO]2
นักเรียนอาจจะใชตวอยางนีคํานวณโดยใชการทดลองครั้งอื่น ๆ เพื่อตรวจสอบผลการทดลองได
ั ้
Note
23
24. โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ (องคการมหาชน) โรงเรียนวิทยาศาสตรของรัฐ
เอกสารประกอบการเรียน วิชาเคมี 3 (ว40123) ภาคเรียนที่ 1 ปการศึกษา 2549
แบบฝกหัด
1. Determining Reaction Orders from Initial Rate Data
Many gaseous reactions occur in a car engine and exhaust system. One of these
is NO2(g) + CO (g) NO(g) + CO2(g) rate = k[NO2]m[CO]n
Experiment Initial Rate (mol/L.s) Initial [NO2](mol/L) Initial [CO](mol/L)
1 0.0050 0.10 0.10
2 0.0800 0.40 0.10
3 0.0050 0.10 0.20
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
24
25. โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ (องคการมหาชน) โรงเรียนวิทยาศาสตรของรัฐ
เอกสารประกอบการเรียน วิชาเคมี 3 (ว40123) ภาคเรียนที่ 1 ปการศึกษา 2549
การหาคาคงที่อัตรา (Determining the Rate Constant)
เมื่อทราบกฎอัตราของปฏิกิริยาตาง ๆ แลวก็สามารถหาคาคงที่อัตราได
คาคงที่อัตรานี้เปนคาเฉพาะที่อุณหภูมิหนึ่ง ในที่นี้จะใชขอมูลจากการทดลองปฏิกิริยาระหวาง
ออกซิเจนและไนโตรเจนออกไซด (หนา 19)
rate 1 3 . 21 x 10 −3 mol / L.s
k = =
[O 2 ][ NO ] 2 (1.10 x 10 −2
)(
mol / L 1 . 30 x 10 − 2 mol / L )
2
3 . 21 x 10 −3 mol / L.s
= = 1 . 73 x 10 3 L2 / mol 2 .s
−6 3 3
1 . 86 x 10 mol /L
นักเรียนสามารถตรวจสอบไดจากการทดลองครั้งอื่น ๆ ไดดวยวิธีเดียวกันนี้ จะสังเกตเห็น
ไดวาคา k นี้จะมีหนวยขึ้นอยูกับอันดับของปฏิกิริยา ดังนั้นคา k จึงไมนิยมเขียนหนวยไว นักเรียน
ลองตรวจสอบหนวยของคา k ในเมื่อเวลามีหนวยเปน s ในตารางนี้
Overall Reaction Oder Unit of k (t in seconds)
0 Mol/L.s (or mol L-1s-1)
1 1/s (or s-1)
2 L/mol.s (or L mol-1 s-1)
3 L2/mol2.s (or L2 mol-1 s-1)
สามารถสรุปเปนสูตรทั่วไปไดวา
(L/mol)order – 1
Unit of k =
unit of t
Note
25
26. โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ (องคการมหาชน) โรงเรียนวิทยาศาสตรของรัฐ
เอกสารประกอบการเรียน วิชาเคมี 3 (ว40123) ภาคเรียนที่ 1 ปการศึกษา 2549
6. กลไกของปฏิกิริยาและอัตราการเกิดปฏิกิริยา
6.1 กระบวนการปฐม
สมการแสดงปฏิกิริยาเคมีไมไดบอกใหเราทราบวาปฏิกิริยาเกิดขึ้นอยางไร ใน
หลาย ๆ กรณี สมการเคมีแสดงผลรวมของปฏิกิริยายอยหลาย ๆ ขั้น และปฏิกิริยาสวนใหญมิได
เกิดขึ้นภายในขั้นเดียว เชน
2 O3 (g) 3 O2 (g)
ปฏิกิริยานี้ไมไดหมายความวา 2 โมเลกุลของ O3 เขามาชนกัน แลวได O2 3
โมเลกุลเปนผลิตผลในทันที ปฏิกิริยานี้ดําเนินไปโดยมี 2 ขั้นตอน ดังนี้
O3 (g) O2 (g) + O (g)
O3 (g) + O (g) 2 O2 (g)
แตละขั้นของปฏิกิริยาที่เชื่อวาเกิดขึ้นนี้ เรียกวา กระบวนการปฐม (elementary
process or elementary steps or elementary reactions) เปนการแสดงขั้นตอนการเกิดปฏิกิริยา
ในระดับโมเลกุล เราเรียกการแสดงขั้นตอนการเกิดปฏิกิริยายอยเหลานี้ตามลําดับวา กลไกของ
ปฏิกิริยา (reaction mechanism)
O3 (g) O2 (g) + O (g) กระบวนการปฐม
O3 (g) + O (g) 2 O2 (g) กระบวนการปฐม
2 O3 (g) + O (g) 3 O2 (g) + O (g) ปฏิกิริยารวม
เราเรียก O (g) ในปฏิกิริยานี้วา สารมัธยันต (Intermediate) หมายถึงสาร
ที่เกิดขึ้นในกลไกของปฏิกิริยาแตไมปรากฏในสมการแสดงปฏิกิริยารวม สังเกตวาสารมัธยันตรจะ
เกิดในขั้นแรกของกลไกและจะถูกใชตอไปในขั้นใดขั้นหนึ่ง สารมัธยันตหรืออินเตอรมิเดียตนี้
แตกตางกับแอกติเวเตดคอมเพล็ก เพราะอินเตอรมีเดียตเกิดขึ้นจริง ๆ และสามารถตรวจสอบไดแม
ในบางกรณีอาจจะไมงายนัก เพราะอาจเกิดขึ้นแลวถูกใชไปอยางรวดเร็วมาก
Note
26
27. โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ (องคการมหาชน) โรงเรียนวิทยาศาสตรของรัฐ
เอกสารประกอบการเรียน วิชาเคมี 3 (ว40123) ภาคเรียนที่ 1 ปการศึกษา 2549
พิ จ ารณากระบวนการปฐมข า งต น ทํ า ให แ บ ง ออกเป น ชนิ ด ต า ง ๆตาม
จํานวนโมเลกุลของสารที่เขาทําปฏิกิริยากันในแตละขั้นดังนี้
1. กระบวนการโมเลกุลเดี่ยว (unimolecular reaction) เปนกระบวนการ
ที่มีสารเริ่มตนเพียงโมเลกุลเดียว เชน
O3 (g) O2 (g) + O (g)
N2O4 (g) 2 NO2 (g)
2. กระบวนการโมเลกุลคู (bimolecular reaction) เปนกระบวนการที่มี
สารเริ่มตน 2 โมเลกุลเขาทําปฏิกิริยากัน เชน
O3 (g) + O (g) 2 O2 (g)
NO2Cl (g) + Cl (g) NO2 (g) + Cl2 (g)
3. กระบวนการโมเลกุลสาม (termolecular reaction) เปนกระบวนการ
ชนิดที่สารเริ่มตน 3 โมเลกุลเขาทําปฏิกิริยากัน กระบวนการโมเลกุลสามนี้ไมคอยพบบอยนัก
Note
เนื่องจากเชื่อวาปฏิกิริยาเกิดขึ้นจริง ฉะนันจึงเขียนกฎอัตราสําหรับแตละ
้
กระบวนการได โดยดูจากปริมาณสัมพันธไดทันที ดังนี้
Elementary Step Molecularity Rate Law
A Product Unimolecular Rate = k[A]
2A Product Bimolecular Rate = k[A]2
A+B Product Bimolecular Rate = k[A][B]
2A + B Product Termolecular Rate = k[A]2[B]
27
28. โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ (องคการมหาชน) โรงเรียนวิทยาศาสตรของรัฐ
เอกสารประกอบการเรียน วิชาเคมี 3 (ว40123) ภาคเรียนที่ 1 ปการศึกษา 2549
6.2 ขั้นกําหนดอัตรา
การเขียนปฏิกริยาเคมี ถาแยกออกเปนกระบวนการปฐมแสดงวาเราทราบ
ิ
กลไกหรือวิถีทางของการเกิดปฏิกิริยา อัตราการเกิดปฏิกิริยาในกระบวนการปฐมแตละขั้นนันมีคา
้
ไมเทากัน และอัตราของปฏิกิริยารวมยอมขึ้นอยูกับกระบวนการปฐม ในทางปฏิบัติเราศึกษา
กลไกของปฏิกิริยาโดยเริ่มจากการรวบรวมขอมูล (จากการวัดอัตราการเกิดปฏิกิรยา) นําขอมูล
ิ
เหลานี้มาวิเคราะหเพื่อหาคาคงที่อัตราและอันดับของปฏิกิริยา เขียนกฎอัตรา แลวจึงเสนอกลไก
ของปฏิกิริยาในรูปของกระบวนการปฐมโดยมีหลักการ 2 ขอ
- กระบวนการปฐมทั้งหมดตองรวมกันไดสมการแสดงปฏิกิริยารวม
- ขั้นกําหนดอัตรา (rate determining step) ซึ่งหมายถึงกระบวนการ
ปฐมขั้นที่ชาที่สุดในกลไกจะตองใหกฎอัตราที่เหมือนกับกฎอัตราที่ไดจากการทดลอง
นอกจากนี้ในการเสนอกลไกของปฏิกิริยาเคมี จะตองมีวิธีตรวจสอบได
วาสารมัธยันตรในกระบวนการปฐมแตละขั้นเกิดขึ้นจริงดังแสดงในกลไก
ปฏิกิริยาระหวางไนโตรเจนไดออกไซดกับคารบอนมอนนอกไซด
ดังสมการ NO2 (g) + CO (g) NO (g) + CO2 (g)
ถาเราเขียนกฎอัตราโดยดูจากปริมาณสัมพันธทันที ก็จะผิด ซึ่งนักเรียน
ไดเคยหากฎอัตราของปฏิกิริยานี้แลวจากแบบฝกหัดขอที่ 10 และคําตอบคือ
Rate = k[NO2]2
กลไกของปฏิกิริยานี้เปนดังนี้
(1) NO2(g) + NO2(g) NO3(g) + NO(g) [slow;rate determining]
(2) NO3(g) + CO (g) NO2(g) + CO2(g) [fast]
พิจารณาจากกลไกของปฏิกิริยาจะเห็นวา NO3 (g) เปนสารมัธยันตร หรือ
สารอินเทอรมิเดียต และสามารถเขียนกฎอัตราของกระบวนการปฐมไดดังนี้
(1) Rate1 = k1[NO2][NO2] = k1[NO2]2
(2) Rate2 = k2[NO3][CO]
28
29. โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ (องคการมหาชน) โรงเรียนวิทยาศาสตรของรัฐ
เอกสารประกอบการเรียน วิชาเคมี 3 (ว40123) ภาคเรียนที่ 1 ปการศึกษา 2549
ถา k1 = k จะไดวากฎอัตราของกระบวนการปฐมที่ 1 เทากับกฎอัตรา
ของปฏิกิริยานี้ และกระบวนการปฐมที่ 1 เปนขั้นที่ชาเมื่อเทียบกับขั้นที่ 2 ดังนั้นกระบวนการ
ปฐมขั้นที่ 1 นี้จึงเปนขั้นกําหนดอัตราของปฏิกิริยา ถึงตรงนี้เมื่อนักเรียนพิจารณาแบบฝกหัดที่
12 จะตอบไดวาเพราะเหตุใด CO จึงเปนปฏิกิริยาอันดับศูนย ทั้งนี้เนื่องจาก CO เปนการ
เกิดปฏิกิริยาหลังจากขั้นกําหนดอัตรานั่นเอง
แบบฝกหัด
11. เชื่อกันวาการสลายตัวของไนตรัสออกไซด (N2O) เกิดขึ้นดวยกลไก 2 ขั้น ดังนี้
ขั้นที่ 1 N2O N2 + O
ขั้นที่ 2 N2O + O N2 + O2
กฎอัตราที่ไดจากการทดลองคือ r = k[N2O]
(ก) จงเขียนสมการแสดงปฏิกิริยารวม
(ข) สารใดเปนสารมัธยันตร
(ค) กระบวนการปฐมทั้งสองขั้นมีอัตราการเกิดตางกันอยางไร
………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………
29