อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี

คาํ นาํ E-book เร่ือง อตั ราการเกิดปฏิกิริยาเคมี จดั ทาํ ข้ึนเพ่ือเป็นเครื่องมือในการพฒั นาผลสมั ฤทธ์ิทางการเรียน รายวิชาเคมีเพม่ิ เติม กล่มุ สาระการเรียนรู้วทิ ยาศาสตร์ ที่เนน้ กระบวนการทางวทิ ยาศาสตร์ นกั เรียนสามารถ บอกความหมายของปฏิกิริยาเคมีไดอ้ ธิบายความสัมพนั ธร์ ะหวา่ งการเปล่ียนแปลงทางเคมีและปฏิกิริยาเคมี อธิบายการเกิดปฏิกิริยาเคมีโดยใหน้ กั เรียนไดล้ งมือปฏิบตั ิจริงในการทดลองและสืบคน้ ขอ้ มลู เก่ียวกบั การ เกิดปฏิกิริยาเคมี รวมท้งั เขยี นสมการของปฏิกิริยาเคมี สามารถนาํ ความรู้ที่ไดร้ ับไปปรับประยกุ ตใ์ ชใ้ น ชีวิตประจาํ วนั ได้ ผจู้ ดั ทาํ หวงั เป็นอยา่ งยงิ่ วา่ ชุดกิจกรรมวิทยาศาสตร์จะเป็นประโยชน์ตอ่ ผเู้ รียนและครูผสู้ อนท่ีนาํ ไปใช้ ประกอบการเรียนการสอนไดเ้ ป็นอยา่ งดี คณะผจู้ ดั ทาํ

สารบญั อตั ราการเกิดปฏิกิริยาเคมี.............................................................................................................................1-2 ชนิดของอตั ราการเกิดปฏิกิริยาเคมี อตั ราการเกิดปฏิกิริยาเคมีเฉลี่ย..............................................................................................................3 อตั ราการเกิดปฏิกิริยาเคมี ณ ขณะใดขณะหน่ึง......................................................................................4 ทฤษฎีจลน์ของศาสตร์เคมี ทฤษฎีการชน.....................................................................................................................................5-7 ทฤษฎีสารเชิงซอ้ นกมั มนั ต.์ ...............................................................................................................7-8 กลไกของปฏิกิริยา ตวั เร่งปฏิกิริยา......................................................................................................................................9 ตวั หน่วงปฏิกิริยา................................................................................................................................10 กฎอตั รา....................................................................................................................................................10-14 บรรณานุกรม.................................................................................................................................................15

1 อตั ราการเกิดปฏิกริ ิยาเคมี (Rate reaction) การเกดิ ปฏิกิริยาเคมี คือการท่ีสารต้งั ตน้  สารใหม่ โดยปริมาณหรอื ความเขม้ ขน้ ของ สารต้งั ตน้ จะลดลง แตป่ ริมาณหรือความเขม้ ขน้ ของผลิตภณั ฑจ์ ะเพม่ิ ข้ นึ อตั ราการเกดิ ปฏิกิรยิ าเคมี คอื การเปลี่ยนแปลงความเขม้ ขน้ ของสารต้งั ตน้ หรือผลิตภณั ฑ์ ตอ่ หน่วยเวลา จากภาพจะเห็นวา่ ปริมาณของสารต้งั ตน้ น้ันจะลดลง และปรมิ าณของสารผลิตภณั ฑจ์ ะ เพ่ิมข้ ึน ศพั ทค์ วรรู้ สารต้งั ตน้ (reactant) ผลิตภณั ฑ์ (product)

2 แสดงความสมั พนั ธข์ องอตั ราการเกดิ ปฏกิ ริ ยิ าเคมไี ดด้ งั น้ ี อตั ราการเกดิ ปฏกิ ริ ยิ าเคมี = ปรมิ าณสารผลิตภณั ฑท์ ี่เกดิ ข้ ึน เวลา หรือ อตั ราการเกิดปฏกิ ิริยาเคมี = ปรมิ าณสารต้งั ตน้ ท่ีลดลง เวลา Ex Ex

3 ชนิดของอตั ราการ เกดิ ปฏกิ ริ ยิ าเคมี อตั ราการเกดิ ปฏิกริ ิยาเคมเี ฉลี่ย (Average rate) คิดจากการเปล่ียนแปลงปรมิ าณสาร ต้งั ตน้ ท่ีลดลง หรอื การเปลี่ยนแปลงปรมิ าณสารผลิตภณั ฑท์ ี่เพิ่มข้ ึนต้งั แต่เรมิ่ ตน้ ปฏกิ ริ ยิ าจน ส้ นิ สุดการเกดิ ปฏิกริ ยิ าหรอื ส้ ินสุดการทดลองในหนึ่งหน่วยเวลา มีไดค้ ่าเดียว อตั ราการเกิดปฏกิ ริ ยิ าเคมี ณ ขณะใดขณะหนึ่ง (Instantaneous rate) การเปลี่ยนแปลงปรมิ าณสารผลิตภณั ฑท์ ี่เพิ่มข้ ึน ณ ชว่ งใดชว่ งหนึ่ง ขณะที่ปฏิกริ ิยากาํ ลงั ดาํ เนินอยใู่ นหนึ่งหน่วยเวลา ที่ช่วงน้ัน อตั ราการเกิดปฏิกิรยิ าน้ ีมีไดห้ ลายคา่ ท่ีเวลาตา่ งกนั จะมคี ่าไมเ่ ทา่ กนั อตั ราการเกิดปฏิกริ ยิ า ณ จดุ ใดจุดหน่ึงของเวลา การเกิดปฏิกริ ยิ า ณ เวลาใดเวลา หน่ึงในชว่ งส้นั ๆ ขณะที่ปฏิกิริยากาํ ลงั ดาํ เนินอยใู่ นหนึ่งหน่วยเวลา อตั ราการเกิดปฏิกิริยาเคมีเฉลี่ย : ปรมิ าณของสารผลิตภณั ฑท์ ่ีเกิดข้ นึ ท้งั หมด หรือปรมิ าณสารต้งั ตน้ ท่ีลดลงท้งั หมดต่อเวลา ท้งั หมดท่ีใชใ้ นการเกดิ ปฏิกริ ยิ า อตั ราการเกิดปฏกิ ิริยาเฉล่ียท้งั หมด = ปริมาณสารผลิตภณั ฑ์ เวลาท้งั หมดท่ีใชใ้ นการเกดิ ปฏิกิรยิ า

4 หรอื อตั ราการเกิดปฏิกริ ยิ าเฉล่ียท้งั หมด = ปริมาณสารต้งั ตน้ ท่ีลดลง เวลาท้งั หมดท่ีใชใ้ นการเกดิ ปฏกิ ิริยา อตั ราการเกิดปฏกิ ิริยาเคมี ณ ขณะใดขณะหนึ่ง : ปรมิ าณสารต้งั ตน้ ลดลง ณ ขณะใดขณะหน่ึง หรอื ปรมิ าณสารผลิตภณั ฑเ์ พ่มิ ข้ นึ ณ ขณะใด ขณะหนึ่งตอ่ เวลาที่ใชใ้ นการเกดิ ปฏิกริ ยิ าในช่วงน้ัน ซ่ึงอตั ราการเกิดปฏกิ ริ ยิ าชนิดน้ ีหาได้ จาก slope ของกราฟ อตั ราการเกิดปฏิกิรยิ า ณ วินาทีที่ 100 หาไดจ้ ากการลากเสน้ สมั ผสั กราฟ ณ วินาทีท่ี 100 จากน้ันหาความชนั ของกราฟ ในชว่ งดงั กลา่ ว ดงั ภาพ

5 ทฤษฎีจลน์ของศาสตรเ์ คมี อธิบายไดว้ า่ ณ อณุ หภมู ิหนึ่ง โมเลกุลของแกส๊ ชนิดเดียวกนั เคล่ือนท่ีดว้ ยอตั ราเร็วแตกต่าง กนั โมเลกุลท่ีเคลื่อนท่ีชา้ จะมีพลงั งานจลน์ตาํ่ ส่วนโมเลกุลท่ีเคล่ือนท่ีเร็วจะมีพลงั งานจลน์สงู ทฤษฎอี ยา่ งง่ายท่ีสามารถอธิบายกระบวนการดงั กลา่ ว ไดแ้ ก่ 1.ทฤษฎกี ารชน (Collision Theory) 2.Transition-State Theory *ในที่น้ ีเราจะศึกษาเฉพาะทฤษฎกี ารชน ทฤษฎีการชน (Collision Theory) ปฏกิ ิริยาเคมเี กิดข้ ึนไดเ้ มอื่ -อนุภาคของสารต้งั ตน้ ชนกนั -ทิศทางในการชนตอ้ งเหมาะสม -พลงั งานรวมในการชนตอ้ งเทา่ กบั พลงั งานกอ่ กมั มนั ต์ โดยการท่ีโมเลกุลของสารจะเคลื่อนที่มาชนกนั ตอ้ งมี 2 ปัจจยั หลกั คือ 1.พลงั งานจลน์ของอนุภาคตอ้ งมากพอที่จะขบั เคลื่อนใหอ้ นุภาคของสารเคลื่อนที่แลว้ ชนกนั เกดิ พลงั งานศกั ยม์ ากพอที่จะสลายพนั ธะเก่าแลว้ สรา้ งพนั ธะใหม่ (เกดิ ปฏิกิรยิ าใหม)่ 2.ทฤษฎกี ารชนกนั อตั ราการเกดิ ปฏกิ ิรยิ าเคมจี ะข้ ึนกบั ความถี่ในการชน

6 Kinetic Theory ความถ่ีชองการชน ข้ ึนอยูก่ บั 1.ความเขม้ ขน้ ของสาร -ความเขม้ ขน้ มาก อนุภาคชนกนั บอ่ ย 2.อุณหภมู ิ -อุณหภมู สิ ูง อนุภาคเคล่ือนที่ไดเ้ รว็ ข้ ึน -อุณหภูมิตาํ่ อนุภาคชนกนั บ่อยข้ ึน *สารต้งั ตน้ ที่ชนกนั ไม่จาํ เป็ นตอ้ งเกดิ ปฏิกริ ิยา พลงั งานก่อกมั มนั ต์ (Activation Energy) หรือพลงั งานกระตุน้ (Ea) คอื พลงั งานปริมาณนอ้ ยท่ีสุดที่จาํ เป็ นตอ่ การเกดิ ปฏกิ ริ ิยา *Ea คือคา่ คงท่ีข้ นึ กบั ปฏิกริ ยิ าเคมี

7 ภูเขาสงู  Ea สูง เกิดชา้ Rate ตาํ่ ภูเขาตาํ่  Ea ตาํ่ เกิดเร็ว Rate สงู ทฤษฎสี ารเชงิ ซอ้ นกมั มนั ต์ (Activated-Complex Theory) หรือเรียกวา่ สภาวะแทรนซิชนั (Transition State Theory) เมื่ออนุภาคของสารต้งั ตน้ ชนกนั จะเกดิ สารท่ีไม่เสถียรและมพี ลงั งานสงู พลงั งานกบั การดาํ เนินไปของปฏกิ ริ ยิ า Ea,f คือ ปฏิกิริยาเดินหนา้ Ea,r คือ ปฏิกิริยายอ้ นกลบั

8 ถ้าสารท่ีเป็ นผลิตภัณฑ์มีพลังงานตํา่ กว่าสารต้ังต้น ปฏิกิริยาน้ันจะเป็ น ประเภทคายพลังงาน แต่ถา้ สารท่ีเป็ นผลิตภัณฑ์มีพลังงานสูงกว่าต้ังตัน ปฏิกิริยาน้ันจะ เป็ นประเภทดดู พลงั งาน กลไกของปฏกิ ริ ิยา (Reaction mechanism) หมายถึงลาํ ดบั ขน้ั ยอ่ ยของปฏกิ ิรยิ า สมการยอ่ ยแต่ละสมการที่แทนปฏกิ ิริยา เรียกวา่ กระบวนการปฐม หรือปฏิกริ ิยาปฐม ขน้ั ตอนการกาํ หนดอตั รา คือ กระบวนการปฐมท่ีเกิดชา้ ที่สุดของกลไก สารมธั ยนั ต์ คอื สารที่เกิดข้ นึ ระหวา่ งที่ปฏิกิรยิ าดาํ เนินไป แต่ไม่ปรากฎสารน้ ีในสมการรวม ของปฏกิ ริ ิยา เชน่ NO2 + CO  CO2 + NO มขี ้นั ตอนการเกิดปฏิกริ ิยา ดงั น้ ี ขน้ั ท่ี1 NO2 + NO2  NO3 + NO ขน้ั ท่ี2 NO3 + CO  NO2 + CO2 * NO3 คือสารมธั ยนั ต์

9 ดงั เชน่ กรณี 2A + B → C + D เมอ่ื มกี ลไกของการเกิดปฏกิ ริ ยิ าต่างๆ กนั จะมีลกั ษณะ กราฟแสดงการดาํ เนินไปของปฏกิ ิรยิ าดงั น้ ี (I) เกดิ ข้ นึ เพียงข้นั ตอนเดียว จะมพี ลงั งานกอ่ กมั มนั ตห์ รือพลงั งานกระตุน้ เพยี งคา่ เดียวและเป็ นพลงั งานกอ่ กมั มนั ตข์ องปฏกิ ิรยิ า ตวั เรง่ ปฏิกริ ยิ า (Catalyst) คือ สารท่ีเปลี่ยนความเร็วของปฏกิ ริ ยิ า โดยตวั เร่งปฏกิ ิริยาจะไมเ่ กดิ การเปล่ียนแปลงทาง เคมอี ยา่ งถาวร แบ่งเป็ น 2 ประเภท ดงั น้ ี 1.ตวั เร่งปฏิกิรยิ าเอกพนั ธ์ (Homogeneous catalyst) คอื การท่ีสารต้งั ตน้ สถานะไหนก็ตาม ตวั เรง่ จะตอ้ งเป็ นสถานะเดียวกนั

10 2.ตวั เร่งปฏิกิริยาวิวิธพนั ธ์ (Heterogeneous catalyst) คอื ตวั เรง่ ปฏิกิริยาที่มีสถานะต่างจากสารต้งั ตน้ ตวั หน่วงปฏกิ ริ ิยา (Inhibitor) คือ สารท่ีทาํ ใหอ้ ตั ราการเกิดปฏิกิรยิ าชา้ ลง โดยขดั ขวางกลไก ในการเกดิ ปฏิกริ ิยา ทาํ ใหค้ า่ พลงั งานก่อกมั มนั ตส์ ูงข้ นึ กฎอตั รา (Rate Law) สมการที่แสดงวา่ อตั ราการเกิดปฏกิ ิริยาเคมีน้ ีข้ ึนกบั ความเขม้ ขน้ ของสารต้งั ตน้ แตล่ ะชนิด เป็ นสดั สว่ น โดยตรงกบั ผลคณู ของความเขม้ ขน้ ของสารต้งั ตน้ และความเขม้ ขน้ แต่ละคา่ มเี ลข ยกกาํ ลงั ซ่ึงแลว้ แต่ปฏิกิรยิ าใดโดยเฉพาะ เขียนสมการการหาความสมั พนั ธร์ ะหวา่ งความเขม้ ขน้ ของสารต้งั ตน้ และอตั ราการ เกดิ ปฏกิ ริ ยิ า ไดด้ งั น้ ี R = K [Reactant]order R = อตั ราการเกิดปฏกิ ิรยิ า K = คา่ คงท่ีของอตั รา และเป็ นค่าคงท่ีเฉพาะปฏิกริ ิยาท่ีอณุ หภูมิคงที่ Order = อนั ดบั ของปฏกิ ิริยา เลขยกกาํ ลงั ความเขม้ ขน้ อาจเป็ นจาํ นวนเต็มบวก หรอื เศษสว่ น กไ็ ด้

11 1.ปฏกิ ริ ิยาอนั อบั ศนู ย์  การเปล่ียนแปลงความเขม้ ขน้ ของสารต้งั ตน้ ไมม่ ผี ลตอ่ ปฏกิ ริ ิยา 2.ปฏิกิรยิ าอนั ดบั หนึ่ง  การเปลี่ยนแปลงความเขม้ ขน้ ของสารต้งั ตน้ มีผลต่อปฏกิ ริ ิยา 3.ปฏกิ ิริยาอนั ดบั สอง  การเปลี่ยนแปลงความเขม้ ขน้ ของสารต้งั ตน้ มีผลตอ่ ปฏิกิริยาแบบ ยกกาํ ลงั

12 จากปฏกิ ิริยา 2NO(g) + O2 (g) → 2NO2 (g) ซง่ึ เกิดท่ี 25 ๐C มขี อ้ มูลดงั ตอ่ ไปน้ ี จงหา 1. ค่า n 2. ค่า m 3. กฎอตั รา 4. คา่ k วิธที าํ 1. หาคา่ n โดยเลือกการทดลองที่ 3 และการทดลองท่ี 4 ซงึ่ ความเขม้ ขน้ ของ O2 คงท่ี จากกฎอตั รา V = k[NO]n [O2]m ผลการทดลองที่ 3 แทนค่าในสมการทวั่ ไป 0.021 = k [0.01]n [0.03]m ---(1) ผลการทดลองท่ี 4 แทนค่าในการสมการทวั่ ไป

13 0.084 = k [0.02]n [0.03]m --- (2) สมการ (2) / สมการ (1) = 4 = 2n n =2 2. หาคา่ m โดยเลือกการทดลองท่ี 1 และการทดลองที่ 2 ซึ่งความเขม้ ขน้ ของ NO คงที่ ผลการทดลองท่ี 1 แทนคา่ ในสมการทวั่ ไป 0.007 = k[0.01]n [0.01]m ---(3) ผลการทดลองท่ี 2 แทนคา่ ในสมการทวั่ ไป 0.014 = k[0.01]n [0.02]m ---(4) สมการ (4) / สมการ (3) = 2 = 2m m=1

14 3. หากฎอตั รา จาก V = k[NO]n [O2]m เน่ืองจาก n = 2 และ m = 1 กฎอตั ราคือ V = k[NO]2 [O2] 4. หาค่า k จาก V = k[NO]2 [O2] ใชค้ ่าต่างๆ ในการทดลองที่ 1 แทนค่าในกฎอตั รา K= = 7.0 x 103 dm6 mol-2 s-1 ค่าคงท่ีของอตั รา

15 บรรณานุกรม Wanwipang Cheatagoon. (2563). การคาํ นวณหาอตั ราการเกดิ ปฏิกริ ิยา. [ออนไลน์]. เขา้ ถึงไดจ้ าก. https://www.slideshare.net/wanwipangcheatagoon/ss-14222789 (วนั ที่คน้ ขอ้ มูล 18 ตุลาคม 2563) กฎอตั รา. [ออนไลน์]. เขา้ ถึงไดจ้ าก. https://sites.google.com/site/webxafphaerwsrang/kd-xatra (วนั ที่คน้ ขอ้ มูล 18 ตุลาคม 2563) Force8949. (2558). แบบฝึกหดั อตั ราการเกิดปฏกิ ริ ิยาเคมี. [ออนไลน์]. เขา้ ถึงไดจ้ าก. http://force8949.blogspot.com/2015/06/1-10_9.html http://force8949.blogspot.com/2015/06/41-50_9.html (วนั ที่คน้ ขอ้ มูล 18 ตุลาคม 2563) Sircom Smarnbua. (2563). ปัจจยั ที่มผี ลตอ่ การเกิดปฏกิ ริ ยิ า. [ออนไลน์]. เขา้ ถึงไดจ้ าก. https://www.slideshare.net/siricom4/5-56039793 (วนั ท่ีคน้ ขอ้ มลู 18 ตุลาคม 2563) สสวท. (2560). หนังสอื เรยี นรายวิชาเพ่มิ เติมวิทยาศาสตรแ์ ละเทคโนโลย.ี เคมี เลม่ 3. พิมพค์ รง้ั ท่ี 3. กรุงเทพฯ: สาํ นักพิมพจ์ ฬุ าลงกรณม์ หาวิทยาลยั .

รายช่ือสมาชิก 1.นายธรี วทิ ย์ มณีสาย เลขที่ 5 (จดั ข้อมลู ) 2.นายอภิศกั ดิ์ อำนวยเจริญชยั เลขท่ี 7 (จัดขอ้ มูล) 3.นายอภชิ าติ พินิจผล เลขที่ 9 (ทำตัว E-BOOK) 4.นางสาวภณั ฑริ า นรากรณ์ เลขท่ี 16 (หาข้อมลู ตกแต่ง) 5.นางสาวนภสั สร วริ ุฬห์พุทธวงศ์ เลขที่ 33 (หาข้อมูล ตกแตง่ ) ม.5/8

รายช่ือสมาชิก 1.นายธรี วทิ ย์ มณีสาย เลขที่ 5 (จดั ข้อมลู ) 2.นายอภิศกั ดิ์ อำนวยเจริญชยั เลขท่ี 7 (จัดขอ้ มูล) 3.นายอภชิ าติ พินิจผล เลขที่ 9 (ทำตัว E-BOOK) 4.นางสาวภณั ฑริ า นรากรณ์ เลขท่ี 16 (หาข้อมลู ตกแต่ง) 5.นางสาวนภสั สร วริ ุฬห์พุทธวงศ์ เลขที่ 33 (หาข้อมูล ตกแตง่ ) ม.5/8