1. อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี <br />(Rate of Chemical Reaction) <br />จากการศึกษาวิชาเคมีที่ผ่านมา เราได้ศึกษาสมบัติต่าง ๆ ของก๊าซ ของเหลว ของแข็ง และสารละลาย สมบัติในระดับโมเลกุลและพิจารณาปฏิกิริยาประเภทต่าง ๆ ไปแล้ว การศึกษาขั้นต่อไปคือการศึกษาว่าเมื่อปฏิกิริยาเกิดขึ้นแล้วจะดำเนินต่อไปได้รวดเรวเพียงใด และจะเกิดขึ้นได้มากน้อยเพียงใดจึงจะสิ้นสุด <br />ภาพที่ 1 The Wide range of reaction rates. (Silberberg . 2003) <br />(A) An explosion is much faster than the process of ripening <br />(B) Process of ripening which is much faster than the process of rusting <br />(C) Process of rusting which is much faster than the process of human age <br />(D) Process of human age. <br />เคมีที่เกี่ยวข้องกับการศึกษาอัตราการเกิดปฏิกิริยาเรียกว่า จลนศาสตร์เคมี (Chemical Kinetics) ซึ่งตามปกติคำว่า “จลนศาสตร์” มีความหมายเกี่ยวเนื่องกับการเคลื่อนที่ ซึ่งเป็นเรื่องที่เกี่ยวข้องกับ อัตราการเกิดปฏิกิริยา (rate of chemical reaction) ซึ่งปฏิกิริยาหนึ่ง ๆ ภายในสภาวะเดียวกัน จะมีอัตราการเกิดปฏิกิริยาเฉพาะค่าหนึ่งซึ่งขึ้นอยู่กับธรรมชาติของสารตั้งต้น เช่น ปฏิกิริยาของก๊าซไฮโดรเจนกับก๊าซฟลูออรีนและก๊าซไนโตรเจน <br />H2 (g) + F2 (g) 2HF very fast <br />3H2 (g) + N2 (g) 2NH3 very slow <br />การศึกษาอัตราของปฏิกิริยาเคมีเป็นวิชาหนึ่งของวิชาเคมี ไม่เพียงแต่วัดอัตราของปฏิกิริยาเท่านั้น ยังศึกษาถึงปัจจัยต่าง ๆ ที่มีอิทธิพลต่ออัตราของปฏิกิริยานั้น <br />1. ปัจจัยที่มีผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยา ได้แก่ <br />1.1 ธรรมชาติของสารตั้งต้น (reactant) และผลิตผล (product) ปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นช้าหรือเร็วขึ้นอยู่กับธรรมชาติของสาร เช่น โดยทั่วไปสารที่ทำปฏิกิริยาเป็นสารไอออนิกทั้งคู่จะเกิดปฏิกิริยาเร็วกว่าสารที่เป็นโควาเลนท์ สารที่ทำปฏิกิริยาเป็นก๊าซทั้งคู่จะทำปฏิกิริยาได้เร็วกว่าปฏิกิริยาที่สารอยู่ในสถานะต่างกัน <br />1.2 ความเข้มข้นของสารตั้งต้นและผลิตผล ความเข้มข้นของสารจะมีผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิกิริยาเคมี จากปฏิกิริยาระหว่างโลหะแมกนีเซียมกับกรดไฮโดรคลอริกช่วงแรกปฏิกิริยาจะเกิดเร็วมากและจะค่อย ๆ ช้าลงในการเกิดก๊าซ H2 ยิ่งเวลาผ่านไปนานเท่าใดอัตราการเกิดปฏิกิริยาจะยิ่งลดลงเท่านั้น <br />1.3 พื้นที่ผิว พื้นที่ผิวจะมีผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี ปฏิกิริยาวิวิธพันธุ์เกิดขึ้นที่ผิวของวัฏภาค ดังนั้นยิ่งเพิ่มพื้นที่ผิวของตัวทำปฏิกิริยา ปฏิกิริยาก็ยิ่งเกิดขึ้นเร็ว เช่นปฏิกิริยาของสังกะสีกับกรดไฮโดรคลอริกเจือจางซึ่งให้ก๊าซไฮโดรเจน ถ้าใช้สังกะสีชิ้นโตปฏิกิริยาเกิดช้าแต่ถ้าใช้สังกะสีชิ้นเล็กหรือผงสังกะสีปฏิกิริยาจะเกิดรวดเร็ว ทั้งนี้เพราะในปริมาณที่เท่ากันเมื่อขนาดชิ้นวัตถุยิ่งเล็กลงพื้นที่ผิวยิ่งมากขึ้น <br />1.4 อุณหภูมิ การเพิ่มอุณหภูมิทำให้ปฏิกิริยาเร็วขึ้น เป็นที่พบเห็นอยู่เสมอว่าเมื่อใดต้องการให้ปฏิกิริยาเกิดเร็วขึ้น เราจะต้องต้มหรือเผาตัวทำปฏิกิริยา ถ้าปล่อยให้สารทำปฏิกิริยากันเองในอุณหภูมิธรรมดา บางทีอาจไม่เกิดปฏิกิริยาขึ้นเลยก็ได้หรือเกิดช้ามาก น้ำมันตั้งทิ้งไว้ในอากาศเฉย ๆ ไม่ลุกไหม้แต่พอจุดไฟเข้าที่น้ำมัน น้ำมันจะทำปฏิกิริยากับออกซิเจนลุกไหม้เป็นเปลวไฟ <br />1.5 ตัวเร่งปฏิกิริยา ตัวเร่งปฏิกิริยาคือสารซึ่งเพิ่มอัตราของปฏิกิริยาโดยตัวเองไม่ได้เปลี่ยนแปลงไปด้วยเมื่อเสร็จสิ้นปฏิกิริยา เช่นในการเผาโพแทสเซียมคลอเรต แมงกานีสไดออกไซด์ที่ใส่ลงไปเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาอาจเป็นชนิดก้อนเล็ก ๆ แต่เมื่อเสร็จปฏิกิริยาแล้วก้อนแมงกานีสไดออกไซด์แปรสภาพเป็นผงละเอียด <br />1.6 ความดัน ความดันจะมีผลต่อปฏิกิริยาในกรณีปฏิกิริยาที่เกี่ยวกับก๊าซ กล่าวคือเมื่อเพิ่มความดันโมเลกุลของก๊าซจะชนกันมากขึ้นปฏิกิริยาจะมีอัตราการเกิดปฏิกิริยาเร็วขึ้น <br />2. การอธิบายการเกิดปฏิกิริยาเคมี <br />ปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้นได้อย่างไร นักวิทยาศาสตร์พยายามอธิบาย ทฤษฎีหนึ่งที่ตอบคำถามนี้ได้คือ ทฤษฎีการชน (Collision theory) และ ทฤษฎีทรานซิชันสเตด (Transition state theory) <br />2.1 ทฤษฎีการชน (Collision theory) มีหลักทั่วไปกล่าวว่า การเกิดปฏิกิริยาเคมี โมเลกุลของสารตั้งต้นหรือสารที่เข้าทำปฏิกิริยาจะต้องเกิดการชนกันก่อน พิจารณาปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุลของสาร A กับ Bโดยตรง ถ้าเพิ่มความเข้มข้นของ A เป็นสองเท่า จำนวนการชนระหว่าง A – B ก็จะเพิ่มเป็นสองเท่าเนื่องจากจำนวนโมเลกุลของ A ที่จะชนกับ B เพิ่มเป็นสองเท่า ดังนั้นอัตราการเกิดปฏิกิริยาก็เพิ่มเป็นสองเท่าด้วย ในทำนองเดียวกันการเพิ่มความเข้มข้นของ B เป็นสองเท่าก็จะทำให้อัตราเพิ่มเป็นสองเท่าเช่นกัน นอกจากนี้โมเลกุลของสารตั้งต้นจะต้องชนกันในทิศทางที่เหมาะสมด้วย เช่น ปฏิกิริยาระหว่างก๊าซไฮโดรเจนกับก๊าซไอโอดีนเกิดก๊าซไฮโดรเจนไอโอไดด์ โมเลกุลของก๊าซไฮโดรเจนและก๊าซไอโอดีน หรือ ปฏิกิริยาของออกซิเจนกับไนโตเจนออกไซด์ <br />ภาพที่ 2 การจัดตัวของโมเลกุล H2 และ I2 <br />เมื่อพิจารณาการชนกันของโมเลกุล H2 และ I2 พบว่าการชนกันแบบ ข. มีโอกาสที่จะเกิดปฏิกิริยาเคมีได้มากกว่าแบบ ก เนื่องจากมีทิศทางในการชนกันของทั้งสองโมเลกุลมีความเหมาะสม ทฤษฎีการชนมีหลักการที่สอดคล้องกับหลักความเป็นจริง แต่เราพบว่าความสัมพันธ์ระหว่างอัตรากับการชนของโมเลกุลซับซ้อนกว่านี้ ในทางปฏิบัติพบว่าหลาย ๆ กรณีปฏิกิริยาไม่ได้เกิดขึ้นเพราะการชนกันแต่เพียงอย่างเดียว จากการทดลองและคำนวณพบว่าจำนวนครั้งของการชนกันที่ได้ผลเป็นเพียงเศษส่วนน้อยมากของจำนวนครั้งของการชนกันทั้งหมด จากการคำนวณพบว่าในปฏิกิริยาทั่วไป การชนกันที่ได้ผลมีเพียง 1 ใน 107 ครั้งเท่านั้นโดยประมาณ <br />โมเลกุลที่เข้าชนกันจะมีการเปลี่ยนแปลงของพลังงานจลน์และพลังงานศักย์ เมื่อสองโมเลกุลเข้าใกล้กันและกันจะเกิดแรงผลักระหว่างกลุ่มหมอกของอิเล็กตรอน เป็นเหตุให้โมเลกุลเคลื่อนที่ช้าลง พลังงานจลน์ของโมเลกุลจะลดลง ในขณะเดียวกันพลังงานศักย์จะเพิ่มขึ้น หรือกล่าวอีกนัยหนึ่งว่า พลังงานจลน์เปลี่ยนไปเป็นพลังงานศักย์ขณะที่โมเลกุลชนกัน ถ้าโมเลกุลเคลื่อนที่ช้า (พลังงานจลน์ต่ำ) เข้าชนกัน พลังงานศักย์ที่ได้จากพลังงานจลน์ไม่เพียงพอที่จะเอื้ออำนวยให้กลุ่มหมอกอิเล็กตรอนจัดเรียงตัวใหม่ โมเลกุลทั้งสองจะเคลื่อนที่ออกจากกันโดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้น ตรงกันข้าม ถ้าโมเลกุลเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูง (พลังงานจลน์สูง) เข้าชนกันพลังงานศักย์ที่ได้จากพลังงานจลน์สูงพอที่จะเอื้ออำนวยให้กลุ่มหมอกอิเล็กตรอนทะลุทะลวงกันและกัน เกิดการสลายของพันธะเดิมและสร้างพันธะใหม่เกิดผลิตผลขึ้น และเมื่อผลิตผลที่ได้เคลื่อนที่ออกไป พลังงานศักย์จะลดลงขณะที่พลังงานจลน์เพิ่มขึ้น โมเลกุลเหล่านี้จึงเคลื่อนที่เร็วขึ้น สรุปได้ว่าโมเลกุลที่มีพลังงานจลน์สูง (พลังงานศักย์สูงเมื่อชนกัน) เท่านั้นที่เกิดปฏิกิริยาได้ และพลังงานขั้นต่ำสุดที่โมเลกุลจะต้องมีเพื่อเอื้ออำนวยให้เกิดปฏิกิริยาก็คือพลังงานก่อกัมมันต์ (activation energy , Ea) นั่นเอง ถ้ามีพลังงานไม่ถึงค่านี้โมเลกุลก็จะไม่มีการเปลี่ยนแปลงหลังจากการชน <br />ภาพที่ 3 การเปลี่ยนแปลงพลังงานศักย์สำหรับปฏิกิริยาคายความร้อนและดูดความร้อน <br />2.2 ทฤษฎีทรานซิชันสเตด (Transition state theory) หรือทฤษฎีสถานะ ทรานซิชัน หรือทฤษฎีสารเชิงซ้อนกัมมันต์ เป็นอีกทฤษฎีหนึ่งที่เกี่ยวกับการเกิดปฏิกิริยาและอัตราการเกิดปฏิกิริยาทฤษฎีนี้ขยายความคิดเรื่องการชนออกไปอีก อธิบายได้ว่า ในการเกิดปฏิกิริยาจะต้องมีการเปลี่ยนแปลงที่พันธะบางพันธะอาจยืดและแตกออกไปแล้วเกิดพันธะใหม่ชั่วขณะหนึ่งที่อนุภาคเข้ามาปะทะกันมันจะรวมกันเกิดเป็นสารเชิงซ้อนชนิดหนึ่ง เรียกว่า แอกติเวเตดคอมเพล็ก (activated complex) ซึ่งไม่เสถียรและปรากฏอยู่บนสุดยอดของเส้นโค้งของแผนภาพแสดงพลังงานศักย์กับการดำเนินไปของปฏิกิริยา แอกติเวเตดคอมเพล็กนี้ไม่ใช่สารตั้งต้นหรือสารผลิตผล แต่เป็นการรวมเข้าด้วยกันของอะตอมของสารที่เข้าทำปฏิกิริยา ดังนี้ <br />A – A A A A A <br />B – B B B B + B <br />แอกติเวเตดคอมเพล็ก <br />เส้นขีด ---- ระหว่างอะตอมในแอกติเวเตดคอมเพล็ก แสดงให้เห็นว่าพันธะระหว่าง A-A และ B-B เริ่มสลายลง และพันธะ A-B ของผลิตผลเริ่มเกิดขึ้น และวงเล็บมีความหมายว่า แอกติเวเตดคอมเพล็กนี้ไม่เสถียร ซึ่งอาจเกิดการเปลี่ยนแปลงได้ 2 อย่างคืออาจเกิดเป็นผลิตผลหรือสารตั้งต้นก็ได้สุดยอดของเส้นโค้งของพลังงานศักย์ที่พบแอกติเวเตดคอมเพล็กเรียกว่า ทรานซิชันสเตด (transition state แปลว่าภาวะที่เกิดการเปลี่ยนแปลง) <br />- <br />ถ้าสารตั้งต้นมีพลังงานจลน์สูงไม่มาก การปะทะกันจะให้พลังงานศักย์สูงไม่พอที่จะทำให้เกิดสารเชิงซ้อนก่อกัมมันต์ โมเลกุลทั้งสองก็อาจแยกออกจากกันไปเลยโดยไม่เกิดอะไรขึ้น ความแตกต่างระหว่างพลังงานของสารเชิงซ้อนก่อกัมมันต์ (พลังงานที่เป็นค่าสูงสุด) กับพลังงานของตัวทำปฏิกิริยา คือ พลังงานก่อกัมมันต์ นั่นเอง <br />3. พลังงานก่อกัมมันต์ <br />ดังที่เสนอไว้ในทฤษฎีของการชนว่า การชนกันที่จะให้เป็นผลสำเร็จนั้นต้องประกอบด้วยการชนในทิศทางที่เหมาะสม และพลังงานของอนุภาคก็ต้องสูงพอเพียงด้วย เราเรียกพลังงานจำนวนน้อยที่สุดที่จะทำให้เกิดปฏิกิริยาขึ้นได้ว่า พลังงานก่อกัมมันต์ เมื่อพลังงานก่อกัมมันต์มีค่าน้อย ปฏิกิริยามีอัตราเร็ว ปฏิกิริยาเร็วบางปฏิกิริยาแทบไม่มีพลังงานก่อกัมมันต์เลย อนุภาคของตัวทำปฏิกิริยามีพลังงานรวมกันแล้วเกินค่าพลังงานก่อกัมมันต์ได้ง่าย ถ้าพลังงานก่อกัมมันต์มีค่ามาก ปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นช้า การเพิ่มอุณหภูมิทำให้อัตราของปฏิกิริยาเพิ่มเร็วขึ้นเพราะเป็นการเพิ่มพลังงานจลน์ให้แก่อนุภาคของตัวทำปฏิกิริยา และเพิ่มจำนวนอนุภาคที่มีพลังงานสูงพอที่จะทำให้พลังงานศักย์ของระบบเกินพลังงานก่อกัมมันต์ ซึ่งทำให้ปฏิกิริยาเกิดได้สำเร็จ <br />ภาพที่ 6 การเดินทางข้ามภูเขา <br />จากภาพคนที่จะเดินข้ามภูเขาได้จะต้องแข็งแรกมาก เปรียบเสมือนอนุภาคของสารที่มีพลังงานสูง ดังนั้นจำนวนคนที่จะข้ามภูเขาได้ภายในเวลาที่กำหนดจึงขึ้นอยู่กับองค์ประกอบที่สำคัญ 2 ประการคือ (1) จำนวนคนที่แข็งแรงหรือมีพลังงานมาก และ (2) ความสูงของภูเขา เมื่อพลังงานก่อกัมมันต์มีค่าน้อย อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะมีค่า…………. ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเร็วบางปฏิกิริยาแทบไม่มีพลังงานก่อกัมมันต์เลย อนุภาคของตัวทำปฏิกิริยามีพลังงานรวมกันแล้วเกินค่าพลังงานก่อกัมมันต์ได้ง่าย ถ้าพลังงานก่อกัมมันต์มีค่ามาก ปฏิกิริยาจะเกิดขึ้น……… การเพิ่มอุณหภูมิ ทำให้อัตราของการเกิดปฏิกิริยาเพิ่มเร็วขึ้นเพราะเป็นการเพิ่มพลังงานจลน์ให้แก่อนุภาคของตัวทำปฏิกิริยา และเพิ่มจำนวนอนุภาคที่มีพลังงานสูงพอที่จะทำให้พลังงานศักย์ของระบบเกิดกว่าพลังงานก่อกัมมันต์ ซึ่งทำให้ปฏิกิริยาเกิดได้สำเร็จ <br />9 โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ (องค์การมหาชน) โรงเรียนวิทยาศาสตร์ของรัฐ เอกสารประกอบการเรียน วิชาเคมี 3 (ว40123) ภาคเรียนที่ 1 ปีการศึกษา 2549 <br />แบบฝึกหัด <br />1. จงยกตัวอย่างปฏิกิริยาที่เกิดช้ามาก (ใช้เวลาหลาย ๆ วันจึงเกิดสมบูรณ์) และปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเร็วมาก (ปฏิกิริยาสิ้นสุดภายในไม่กี่นาทีหรือไม่กี่วินาที) มาชนิดละ 2 ตัวอย่าง <br />…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. <br />2. พลังงานก่อกัมมันต์คืออะไร มีบทบาทในจลนศาสตร์เคมีอย่างไร <br />…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. <br />3. จงระบุปัจจัยที่ทำให้อนุภาคชนกันแล้วเกิดปฏิกิริยาเคมีได้ <br />…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. <br />……………………………………………………………………………………………………. <br />4. จงเขียนรูปแสดงการจัดตัวของโมเลกุลและทิศทางการชนกันของโมเลกุลที่น่าจะทำให้เกิดปฏิกิริยาเคมีได้ในปฏิกิริยาต่อไปนี้ <br />ก. H2O (g) + CO (g) H2 (g) + CO2 (g) <br />ข. NO2 (g) + CO (g) NO (g) + CO2 (g) <br />…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… <br />10 โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ (องค์การมหาชน) โรงเรียนวิทยาศาสตร์ของรัฐ เอกสารประกอบการเรียน วิชาเคมี 3 (ว40123) ภาคเรียนที่ 1 ปีการศึกษา 2549 <br />4. พลังงานกับการดำเนินไปของปฏิกิริยาเคมี <br />การเกิดปฏิกิริยาเคมีจะมีพลังงานมาเกี่ยวข้องด้วย เนื่องจากมีการสลายและสร้างพันธะระหว่างอะตอมของสารในปฏิกิริยา อาจแสดงได้ด้วยกราฟดังรูป <br />ภาพที่ 7 Reaction energy diagrams and possible transition states for three reaction(silberberg.2003) <br />(A) 2NOCl(g) 2 NO(g) + Cl2 (g) <br />(B) NO (g) + O3 (g) NO2 (g) + O2 (g) <br />(C ) 2ClO (g) Cl2 (g) + O2 (g) <br />จากกราฟ (A) สารตั้งต้นมีพลังงานต่ำกว่าสารผลิตภัณฑ์ กราฟนี้เป็นปฏิกิริยาดูดพลังงานหรือดูดความร้อน (Endothermic Reaction) กราฟ (B) และ (C) สารตั้งต้นมีพลังงานสูงกว่าสารผลิตภัณฑ์ กราฟนี้เป็นปฏิกิริยาคายพลังงานหรือคายความร้อน (Exothermic Reaction) <br />ก ข <br />ภาพที่ 8 การเปลี่ยนพลังงานในแบบคายพลังงานและดูดพลังงาน <br />จากรูป ก C และ D มีพลังงานต่ำกว่า A และ B แสดงว่าปฏิกิริยานี้ปล่อยพลังงานออกมา พลังงานที่ปล่อยออกมาเป็นความร้อนของปฏิกิริยา ปฏิกิริยานี้เป็นแบบคายความร้อน ตามรูปจะเห็นได้ว่าความร้อนของปฏิกิริยาไม่เกี่ยวข้องกับพลังงานก่อกัมมันต์แต่อย่างใด ถ้าพลังงานของ C กับ D สูงกว่าพลังงานของ A กับ B ดังรูป ข ปฏิกิริยาเป็นแบบดูดกลืนความร้อน ถ้าต้องการให้ปฏิกิริยาดำเนินต่อไป จะต้องใส่พลังงานเข้าไปเรื่อย ๆ <br />ภาพที่ 9 พลังงานก่อกัมมันต์ของปฏิกิริยาไปข้างหน้าและของปฏิกิริยาผันกลับ <br />สมมติว่าปฏิกิริยาระหว่าง A และ B ไปเป็น C และ D เป็นปฏิกิริยาคายความร้อน และสามารถผันกลับได้ กล่าวคือ C และ D สามารถทำปฏิกิริยากันกลับมาเป็น A และ B ปฏิกิริยาที่ผันกลับก็จะเป็นปฏิกิริยาแบบดูดความร้อน เราจะเห็นได้ว่าพลังงานก่อกัมมันต์ของปฏิกิริยาผันกลับคือ C กับ D ไปเป็น A กับ B นั้นมีค่ามากกว่าพลังงานก่อกัมมันต์ของปฏิกิริยาระหว่าง A กับ B ไปเป็น A กับ C <br />แบบฝึกหัด <br />5. จากสมการ O3 (g) + O (g) 2O2 (g) <br />พลังงานก่อกัมมันต์ของปฏิกิริยาไปข้างหน้าเท่ากับ 19 kJ และพลังงานของปฏิกิริยานี้เท่ากับ – 392 kJ จงวาดกราฟแสดงความสัมพันธ์ของพลังงานกับการดำเนินไปของปฏิกิริยา และคำนวณหาค่าพลังงานก่อกัมมันต์ของปฏิกิริยาย้อนกลับ <br />6. จากภาพที่กำหนดให้ <br />2 OH <br />78 kJ + 72 kJ <br />O + H2O <br />จงเขียน Ea (fwd) , Ea (rev) และ ΔHrxn ที่ตำแหน่งที่ถูกต้องในภาพ <br />พร้อมวาดแอกติเวเตดคอมเพล็กบริเวณทรานซิชันสเตด และ <br />คำนวณ Ea (rev) ของปฏิกิริยานี้ <br />…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. <br />……………………………………………………………………………………………………. <br />……………………………………………………………………………………………………. <br />13 โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ (องค์การมหาชน) โรงเรียนวิทยาศาสตร์ของรัฐ เอกสารประกอบการเรียน วิชาเคมี 3 (ว40123) ภาคเรียนที่ 1 ปีการศึกษา 2549 <br />4. อัตราการเกิดปฏิกิริยาและการวัดอัตราการเกิดปฏิกิริยา <br />อัตราของปฏิกิริยา (rate of chemical reaction) คืออัตราซึ่งสารตั้งต้น (reactant) ทำปฏิกิริยาไป หรืออัตราซึ่งผลิตผล (product) ปรากฏขึ้นหรือเกิดขึ้นจากปฏิกิริยา ในการศึกษาจลนศาสตร์เคมี มักระบุอัตราเป็นการลดลงความเข้มข้นของสารตั้งต้นหรือการเพิ่มขึ้นของผลิตผลกับเวลา ซึ่งสามารถวัดได้จากการทดลองได้แก่ <br />(1) ปริมาณก๊าซที่เกิดขึ้น <br />(2) ความดันที่เปลี่ยนแปลง <br />(3) การเปลี่ยนสี <br />(4) การเกิดตะกอน <br />(5) การเกิดกรดหรือเบส <br />ในวิชาจลนศาสตร์เคมี ปริมาณของสารตั้งต้นที่ลดลงหรือผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นนิยมระบุหน่วยเป็นความเข้มข้น โมล/ลิตร หรือ M เสมอ และเขียนแทนด้วยวงเล็บ [ ดังนั้นความเข้มข้นเป็นโมล/ลิตรของ N]2O5 จึงเขียนแทนด้วย []52ON เช่น ]52ON = 0.1 หมายความว่า N2O5 มีความเข้มข้น 0.1 โมล/ลิตร <br />อัตราการเกิดปฏิกิริยาระบุให้ทราบว่าการเปลี่ยนแปลงของปฏิกิริยาเกิดรวดเร็วเพียงใด ซึ่งโดยทั่วไปจะระบุในเทอมของการเปลี่ยนแปลงความข้มข้นของสารตั้งต้นหรือผลิตผลที่เกิดในช่วงเวลาที่กำหนด เช่น สมการ A + 2B C <br />อัตราการเกิดปฏิกิริยา = ความเข้มข้นของ C ที่เปลี่ยนไป <br />เวลาที่เปลี่ยนไป <br />อัตราการเกิดปฏิกิริยา = Δ (ความเข้มข้นของ C) <br />Δ T <br />[ ΔΔ= <br />เนื่องจากอัตราการเกิดปฏิกิริยาที่เวลาต่าง ๆ ไม่เท่ากัน จึงควรเขียนว่า <br />อัตราการเกิดปฏิกิริยา = dtCd][ <br />หรือถ้าเขียนในรูปของการเปลี่ยนความเข้มข้นของสารตั้งต้น A และ B จะเขียนได้ดังนี้ <br />อัตราการเกิดปฏิกิริยา [][]dtBddtAd−=−= <br />กรณีที่การวัดความเข้มข้นโดยตรงของสารทำได้ยาก นักเคมีมักวัดสมบัติที่สัมพันธ์โดยตรงกับความเข้มข้น เช่น ความดัน สี แลวจึงเปลี่ยนเปนความเขมขน <br />จากสมการ A + 2B C <br />ด้วยเหตุที่ว่าอัตราการลดลงไปของ A เป็นครึ่งหนึ่งของการลดลงไปของ B เพราะฉะนั้น จึงเขียนความสัมพันธ์ระหว่างอัตราการเกิดปฏิกิริยาในรูปของสารต่าง ๆ ได้ จะต้องคิดต่อ 1 โมลของสารนั้น ๆ จึงเขียนได้ดังนี้ <br />อัตราการเกิดปฏิกิริยา dtPddtBddtAd][][21][=−=−= <br />คำว่า อัตราการเกิดปฏิกิริยา หมายถึงอัตราสุทธิ (net rate) มิได้หมายถึงอัตราการเกิดปฏิกิริยาดำเนินไปข้างหน้า (forward reaction) อย่างเดียว เพราะปฏิกิริยาย้อนกลับ (backward reaction) ก็อาจเกิดได้เช่นกัน <br />จะเห็นว่าหน่วยของอัตราเร็วของปฏิกิริยา คือหน่วยของความเข้มข้นหารด้วยเวลา เราทราบว่าหน่วยความเข้มข้นที่นิยมคือ mol dm-3 หรือ mol l-1 และหน่วยของเวลาคือ s (second) ดังนั้น หน่วยของอัตราการเกิดปฏิกิริยาจึงเป็น mol dm-3 s-1 และจะติดตามสารที่วัดได้ง่ายที่สุด เช่น ปฏิกิริยาระหว่าง 0.10 mol ของ CO กับ 0.10 mol ของ NO2 ในภาชนะปริมาตร 1 ลิตรที่อุณหภูมิหนึ่ง <br />CO (g) + NO2 (g) CO2 (G) + NO (g) <br />เราอาจเลือกติดตามความเข้มข้นของ CO ที่เปลี่ยนไปที่เวลาต่าง ๆ แล้วนำค่าที่ได้มาเขียนกราฟกับเวลา จะได้กราฟตามภาพที่ 9 ความเร็วของปฏิกิริยาที่เวลาใด ๆ ก็คือความชันของกราฟที่เวลานั้น ตัวอย่างเช่นที่ t = 20 s ความชันมีค่าเท่ากับ 0.0010 mol dm-3 s-1 <br />ภาพที่ 10 การหาอัตราการเกิดปฏิกิริยา <br />ตัวอย่าง <br />ปฏิกิริยาระหว่างแมกนีเซียมกับสารละลายกรดไฮโดรคลอริก ดังสมการ <br />Mg (s) + 2 HCl (aq) MgCl2 (aq) + H2 (g) <br />สามารถวัดความเข้มข้นของสารละลายกรดไฮโดรคลอริกในระหว่างเกิดปฏิกิริยา ได้ดังนี้ เวลา (s) ความเข้มข้นของ HCl (mol/dm3) 0 50 100 150 200 250 1.80 1.65 1.50 1.30 1.00 0.85 <br />