อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี

อตั ราการเกิดปฏกิ ิรยิ าเคมี (Rate reaction) การเกิดปฏิกิรยิ าเคมี คือการท่ีสารตงั้ ตน้  สารใหม่ โดยปรมิ าณหรือความเขม้ ขน้ ของสารตงั้ ตน้ จะลดลง แต่ปรมิ าณหรือความเขม้ ขน้ ของผลติ ภณั ฑจ์ ะเพิม่ ขึน้ อตั ราการเกิดปฏกิ ิรยิ าเคมี คอื การเปล่ยี นแปลงความเขม้ ขน้ ของสารตงั้ ตน้ หรอื ผลิตภณั ฑต์ อ่ หน่วยเวลา จากภาพจะเหน็ ว่าปรมิ าณของสารตงั้ ตน้ นนั้ จะลดลง และปรมิ าณของสารผลติ ภณั ฑจ์ ะ เพม่ิ ขน้ึ ศพั ทค์ วรรู้ สารตงั้ ตน้ (reactant) ผลติ ภณั ฑ์ (product)

แสดงความสมั พนั ธข์ องอตั ราการเกดิ ปฏกิ ริ ยิ าเคมไี ดด้ งั น้ี อตั ราการเกดิ ปฏกิ ริ ยิ าเคมี = ปรมิ าณสารผลติ ภณั ฑท์ เ่ี กดิ ขน้ึ เวลา หรอื อตั ราการเกดิ ปฏกิ ริ ยิ าเคมี = ปรมิ าณสารตงั้ ตน้ ทล่ี ดลง เวลา ชนิดของอตั ราการ เกดิ ปฏกิ ริ ยิ าเคมี อตั ราการเกดิ ปฏกิ ริ ยิ าเคมเี ฉลย่ี (Average rate) คดิ จากการเปลย่ี นแปลงปรมิ าณสาร ตงั้ ตน้ ทล่ี ดลง หรอื การเปลย่ี นแปลงปรมิ าณสารผลติ ภณั ฑท์ เ่ี พม่ิ ขน้ึ ตงั้ แต่เรม่ิ ตน้ ปฏกิ ริ ยิ าจน สน้ิ สดุ การเกดิ ปฏกิ ริ ยิ าหรอื สน้ิ สุดการทดลองในหน่ึงหน่วยเวลา มไี ดค้ ่าเดยี ว อตั ราการเกดิ ปฏกิ ริ ยิ าเคมี ณ ขณะใดขณะหน่ึง (Instantaneous rate) การเปลย่ี นแปลงปรมิ าณสารผลติ ภณั ฑท์ เ่ี พมิ่ ขน้ึ ณ ชว่ งใดช่วงหน่งึ ขณะทป่ี ฏกิ ริ ยิ ากําลงั ดาํ เนินอยใู่ นหน่ึงหน่วยเวลา ทช่ี ว่ งนนั้ อตั ราการเกดิ ปฏกิ ริ ยิ าน้ีมไี ดห้ ลายค่า ทเ่ี วลาตา่ งกนั จะมคี ่าไมเ่ ท่ากนั อตั ราการเกดิ ปฏกิ ริ ยิ า ณ จุดใดจุดหน่ึงของเวลา การเกดิ ปฏกิ ริ ยิ า ณ เวลาใดเวลา หน่งึ ในช่วงสนั้ ๆ ขณะทป่ี ฏกิ ริ ยิ ากาํ ลงั ดาํ เนนิ อยใู่ นหน่งึ หน่วยเวลา

อตั ราการเกดิ ปฏกิ ริ ยิ าเคมเี ฉลย่ี : ปรมิ าณของสารผลติ ภณั ฑท์ เ่ี กดิ ขน้ึ ทงั้ หมด หรอื ปรมิ าณสารตงั้ ตน้ ทล่ี ดลงทงั้ หมดต่อเวลา ทงั้ หมดทใ่ี ชใ้ นการเกดิ ปฏกิ ริ ยิ า อตั ราการเกดิ ปฏกิ ริ ยิ าเฉลย่ี ทงั้ หมด = ปรมิ าณสารผลติ ภณั ฑ์ เวลาทงั้ หมดทใ่ี ชใ้ นการเกดิ ปฏกิ ริ ยิ า หรอื อตั ราการเกดิ ปฏกิ ริ ยิ าเฉลย่ี ทงั้ หมด = ปรมิ าณสารตงั้ ตน้ ทล่ี ดลง เวลาทงั้ หมดทใ่ี ชใ้ นการเกดิ ปฏกิ ริ ยิ า อตั ราการเกดิ ปฏกิ ริ ยิ าเคมี ณ ขณะใดขณะหน่ึง : ปรมิ าณสารตงั้ ตน้ ลดลง ณ ขณะใดขณะหน่ึง หรอื ปรมิ าณสารผลติ ภณั ฑเ์ พม่ิ ขน้ึ ณ ขณะใด ขณะหน่งึ ต่อเวลาทใ่ี ชใ้ นการเกดิ ปฏกิ ริ ยิ าในชว่ งนนั้ ซง่ึ อตั ราการเกดิ ปฏกิ ริ ยิ าชนดิ น้หี าได้ จาก slope ของกราฟ

ทฤษฎจี ลน์ของศาสตรเ์ คมี อธบิ ายไดว้ ่า ณ อณุ หภูมหิ น่ึง โมเลกุลของแก๊สชนิดเดยี วกนั เคล่อื นทด่ี ว้ ยอตั ราเรว็ แตกต่าง กนั โมเลกุลทเ่ี คล่อื นทช่ี า้ จะมพี ลงั งานจลน์ต่ํา สว่ นโมเลกุลทเ่ี คล่อื นทเ่ี รว็ จะมพี ลงั งานจลน์สงู ทฤษฎอี ยา่ งงา่ ยทส่ี ามารถอธบิ ายกระบวนการดงั กล่าว ไดแ้ ก่ 1.ทฤษฎกี ารชน (Collision Theory) 2.Transition-State Theory *ในทน่ี ้เี ราจะศกึ ษาเฉพาะทฤษฎกี ารชน ทฤษฎกี ารชน (Collision Theory) ปฏกิ ริ ยิ าเคมเี กดิ ขน้ึ ไดเ้ มอ่ื -อนุภาคของสารตงั้ ตน้ ชนกนั -ทศิ ทางในการชนตอ้ งเหมาะสม -พลงั งานรวมในการชนตอ้ งเท่ากบั พลงั งานกอ่ กมั มนั ต์ โดยการทโ่ี มเลกุลของสารจะเคล่อื นทม่ี าชนกนั ตอ้ งมี 2 ปัจจยั หลกั คอื 1.พลงั งานจลน์ของอนุภาคตอ้ งมากพอทจ่ี ะขบั เคลอ่ื นใหอ้ นุภาคของสารเคลอ่ื นทแ่ี ลว้ ชนกนั เกดิ พลงั งานศกั ยม์ ากพอทจ่ี ะสลายพนั ธะเก่าแลว้ สรา้ งพนั ธะใหม่ (เกดิ ปฏกิ ริ ยิ าใหม)่ 2.ทฤษฎกี ารชนกนั อตั ราการเกดิ ปฏกิ ริ ยิ าเคมจี ะขน้ึ กบั ความถใ่ี นการชน

Kinetic Theory ความถช่ี องการชน ขน้ึ อยกู่ บั 1.ความเขม้ ขน้ ของสาร -ความเขม้ ขน้ มาก อนุภาคชนกนั บ่อย 2.อณุ หภูมิ -อุณหภมู สิ งู อนุภาคเคลอ่ื นทไ่ี ดเ้ รว็ ขน้ึ -อณุ หภูมติ ่าํ อนุภาคชนกนั บ่อยขน้ึ *สารตงั้ ตน้ ทช่ี นกนั ไมจ่ าํ เป็นตอ้ งเกดิ ปฏกิ ริ ยิ า พลงั งานกอ่ กมั มนั ต์ (Activation Energy) หรอื พลงั งานกระตนุ้ (Ea) คอื พลงั งานปรมิ าณน้อยทส่ี ุดทจ่ี าํ เป็นต่อการเกดิ ปฏกิ ริ ยิ า *Ea คอื ค่าคงทข่ี น้ึ กบั ปฏกิ ริ ยิ าเคมี

ภเู ขาสงู  Ea สงู เกดิ ชา้ Rate ต่าํ ภเู ขาต่ํา  Ea ต่าํ เกดิ เรว็ Rate สงู ทฤษฎสี ารเชงิ ซอ้ นกมั มนั ต์ (Activated-Complex Theory) หรอื เรยี กวา่ สภาวะแทรนซชิ นั (Transition State Theory) เมอ่ื อนุภาคของสารตงั้ ตน้ ชนกนั จะเกดิ สารทไ่ี มเ่ สถยี รและมพี ลงั งานสงู

พลงั งานกบั การดาํ เนนิ ไปของปฏกิ ริ ยิ า Ea,f คอื ปฏกิ ริ ยิ าเดนิ หน้า Ea,r คอื ปฏกิ ริ ยิ ายอ้ นกลบั ถา้ สารทเ่ี ป็นผลติ ภณั ฑม์ พี ลงั งานต่าํ กวา่ สารตงั้ ตน้ ปฏกิ ริ ยิ านนั้ จะเป็นประเภทคาย พลงั งาน แตถ่ า้ สารทเ่ี ป็นผลติ ภณั ฑม์ พี ลงั งานสงู กวา่ ตงั้ ตนั ปฏกิ ริ ยิ านนั้ จะเป็นประเภทดดู พลงั งาน

กลไกของปฏกิ ริ ยิ า (Reaction mechanism) หมายถงึ ลาํ ดบั ขนั้ ยอ่ ยของปฏกิ ริ ยิ า สมการยอ่ ยแตล่ ะสมการทแ่ี ทนปฏกิ ริ ยิ า เรยี กวา่ กระบวนการปฐม หรอื ปฏกิ ริ ยิ าปฐม ขนั้ ตอนการกาํ หนดอตั รา คอื กระบวนการปฐมทเ่ี กดิ ชา้ ทส่ี ุดของกลไก สารมธั ยนั ต์ คอื สารทเ่ี กดิ ขน้ึ ระหว่างทป่ี ฏกิ ริ ยิ าดาํ เนินไป แตไ่ มป่ รากฎสารน้ใี นสมการรวม ของปฏกิ ริ ยิ า เชน่ NO2 + CO  CO2 + NO มขี นั้ ตอนการเกดิ ปฏกิ ริ ยิ า ดงั น้ี ขนั้ ท1่ี NO2 + NO2  NO3 + NO ขนั้ ท2่ี NO3 + CO  NO2 + CO2 * NO3 คอื สารมธั ยนั ต์ ตวั เร่งปฏกิ ริ ยิ า (Catalyst) คอื สารทเ่ี ปลย่ี นความเรว็ ของปฏกิ ริ ยิ า โดยตวั เรง่ ปฏกิ ริ ยิ าจะไมเ่ กดิ การเปลย่ี นแปลงทาง เคมอี ยา่ งถาวร แบ่งเป็น 2 ประเภท ดงั น้ี 1.ตวั เรง่ ปฏกิ ริ ยิ าเอกพนั ธ์ (Homogeneous catalyst) คอื การทส่ี ารตงั้ ตน้ สถานะไหนกต็ าม ตวั เรง่ จะตอ้ งเป็นสถานะเดยี วกนั 2.ตวั เร่งปฏกิ ริ ยิ าววิ ธิ ภณั ฑ์ (Heterogeneous catalyst) คอื ตวั เรง่ ปฏกิ ริ ยิ าทม่ี สี ถานะต่างจากสารตงั้ ตน้ ขอ้ มลู ยงั ไมค่ รบทาํ ต่อดว้ ยเฟ้ิด ตวั หน่วงปฏกิ ริ ยิ า (Inhibitor) คอื สารทท่ี าํ ใหอ้ ตั ราการเกดิ ปฏกิ ริ ยิ าชา้ ลง โดยขดั ขวางกลไก ในการเกดิ ปฏกิ ริ ยิ า ทาํ ใหค้ ่าพลงั งานกอ่ กมั มนั ตส์ งู ขน้ึ

กฎอตั รา (Rate Law) สมการทแ่ี สดงวา่ อตั ราการเกดิ ปฏกิ ริ ยิ าเคมนี ้ีขน้ึ กบั ความเขม้ ขน้ ของสารตงั้ ตน้ แต่ละชนิดเป็น สดั สว่ น โดยตรงกบั ผลคณู ของความเขม้ ขน้ ของสารตงั้ ตน้ และความเขม้ ขน้ แตล่ ะคา่ มเี ลขยก กําลงั ซง่ึ แลว้ แตป่ ฏกิ ริ ยิ าใดโดยเฉพาะ เขยี นสมการการหาความสมั พนั ธร์ ะหวา่ งความเขม้ ขน้ ของสารตงั้ ตน้ และอตั ราการ เกดิ ปฏกิ ริ ยิ า ไดด้ งั น้ี R = K [Reactant] ^order R = อตั ราการเกดิ ปฏกิ ริ ยิ า K = คา่ คงทข่ี องอตั รา และเป็นค่าคงทเ่ี ฉพาะปฏกิ ริ ยิ าทอ่ี ุณหภูมคิ งท่ี Order = อนั ดบั ของปฏกิ ริ ยิ า เลขยกกําลงั ความเขม้ ขน้ อาจเป็นจาํ นวนเตม็ บวก หรอื เศษสว่ น กไ็ ด้ 1.ปฏกิ ริ ยิ าอนั อบั ศนู ย์  การเปลย่ี นแปลงความเขม้ ขน้ ของสารตงั้ ตน้ ไมม่ ผี ลต่อปฏกิ ริ ยิ า 2.ปฏกิ ริ ยิ าอนั ดบั หน่งึ  การเปลย่ี นแปลงความเขม้ ขน้ ของสารตงั้ ตน้ มผี ลต่อปฏกิ ริ ยิ า 3.ปฏกิ ริ ยิ าอนั ดบั สอง  การเปลย่ี นแปลงความเขม้ ขน้ ของสารตงั้ ตน้ มผี ลตอ่ ปฏกิ ริ ยิ าแบบ ยกกาํ ลงั