หน่วย2_อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี

ChEMICAL หน่วยการเรยี นรทู้ ี่ 2 หน่วยการเรยี นรทู้ ี่ 3 เคมี เลม่ 1 หน่วยการเรียนร้ทู ่ี 1 ชัน้ มัธยมศกึ ษาปีท่ี 5 กลุ่มสาระการเรยี นรู้วทิ ยาศาสตร์ Slide PowerPoint_ส่ือประกอบการสอน นายสมั พนั ธ์ อรุณเจรญิ กจิ

2หน่วยการเรียนรูท้ ี่ อัตราการเกดิ ปฏกิ ริ ิยาเคมี ผลการเรยี นรู้ • ทดลองและเขยี นกราฟการเพมิ่ ขน้ึ หรอื ลดลงของสารทท่ี าการวดั ในปฏกิ ริ ยิ า • คานวณอตั ราการเกิดปฏิกริ ิยาเคมี และเขียนกราฟการลดลง หรือเพิ่มขึ้นของสารที่ไมไ่ ด้วดั ในปฏิกิริยา • เขียนแผนภาพ และอธิบายทิศทางการชนกันของอนุภาคและพลงั งานที่ส่งผลตอ่ อตั ราการเกดิ ปฏกิ ิรยิ าเคมี • ทดลอง และอธบิ ายผลของความเขม้ ข้น พนื้ ที่ผิวของสารต้งั ตน้ อุณหภมู ิ และตัวเร่งปฏกิ ิริยาทีม่ ีต่ออัตราการเกิดปฏกิ ริ ิยาเคมี • เปรียบเทยี บอตั ราการเกดิ ปฏิกริ ยิ าเมอ่ื มีการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้น พื้นที่ผวิ ของสารตั้งตน้ อุณหภูมิ และตวั เร่งปฏิกริ ิยา • ยกตัวอย่าง และอธบิ ายปัจจัยท่ีมีผลต่อการเกิดปฏกิ ิรยิ าเคมใี นชีวิตประจาวนั หรืออตุ สาหกรรม

อตั ราการเกิดปฏิกริ ิยาเคมี ปฏิกริ ยิ าเคมี หมายถงึ การเปลย่ี นแปลงของสารในระบบแลว้ เกิดผลิตภณั ฑ์ ซ่ึงเป็นสารใหมท่ มี่ ีสมบตั ิแตกตา่ งไปจากสารเดิม โดยแต่ละปฏกิ ิริยาจะใชเ้ วลาในการเกดิ ไมเ่ ท่ากนั อัตราการเกดิ ปฏิกริ ิยาเคมี หมายถงึ ปริมาณสารตัง้ ต้นท่ีลดลง หรอื ปรมิ าณผลิตภณั ฑท์ ีเ่ กดิ ข้นึ จากปฏิกิริยาใน 1 หนว่ ยเวลา อัตราการเกิดปฏิกริ ิยาเคมี = ปรมิ าณผลติ ภณั ฑ์ทีเ่ พิ่มขึน้ อตั ราการเกิดปฏิกริ ยิ าเคมี = เวลา ปริมาณสารตั้งตน้ ท่ีลดลง เวลา

อตั ราการเกิดปฏิกริ ยิ าเคมี อตั ราการเกดิ ปฏกิ ิริยาเคมีจาแนกออกได้เป็น 3 ประเภท ดงั นี้ อตั ราการเกดิ ปฏิกิริยาเฉลยี่ อัตราการเกิดปฏิกริ ยิ าท่ีคิดจากการเปลย่ี นแปลงของสารตงั้ ตน้ ทีล่ ดลง หรอื ผลิตภณั ฑ์ที่เพิม่ ขึน้ ตลอดการเกิดปฏกิ ริ ยิ า อตั ราการเกิดปฏกิ ริ ิยา ณ ชว่ งเวลาใดเวลาหนงึ่ อัตราการเกิดปฏกิ ิรยิ าท่คี ดิ จากการเปลย่ี นแปลงของสารตงั้ ต้นท่ลี ดลง หรือผลติ ภณั ฑท์ ่ีเพมิ่ ขึ้น ณ ชว่ งเวลาใดเวลาหนึ่ง อตั ราการเกดิ ปฏิกิรยิ า ณ จุดใดจุดหน่งึ ของเวลา อตั ราการเกิดปฏกิ ิริยาทค่ี ิดจากการเปลย่ี นแปลงของสารต้งั ตน้ ท่ีลดลง หรือผลิตภัณฑท์ ี่เพิม่ ข้ึน ณ เวลาใดเวลาหนง่ึ ซง่ึ สามารถหาได้จากกราฟ น่ันคอื คา่ ความชัน (slope) ของกราฟระหวา่ งปรมิ าณของสารทเี่ ปลีย่ นแปลงกบั เวลา

แนวคดิ เกย่ี วกับการเกดิ ปฏิกิริยาเคมี ทฤษฎีการชน “ปฏกิ ิรยิ าเคมจี ะเกิดขน้ึ ไดก้ ็ต่อเมื่ออนุภาคของสารซึ่งมลี กั ษณะเปน็ ทรงกลมตัน ท่เี ข้าทาปฏกิ ริ ยิ ากนั จะต้องมีการชนกัน แตก่ ารชนกนั ของอนภุ าคไมส่ ามารถทาให้เกดิ ปฏิกิรยิ าเคมไี ดท้ ุกครง้ั การชนกนั ของอนภุ าคจะทาใหเ้ กิดปฏิกริ ิยาเคมีได้ ก็ต่อเม่อื อนภุ าคต้องชนกนั ในทศิ ทางทเ่ี หมาะสม และอนภุ าคทีช่ นกันต้องมีพลังงานสงู พอท่จี ะทาลายพันธะเกา่ แลว้ สรา้ งพนั ธะใหมข่ ึ้นมา”

แนวคดิ เกีย่ วกบั การเกิดปฏกิ ริ ิยาเคมี ทศิ ทางการชนกันของอนุภาค อนุภาคของสารตั้งตน้ จะตอ้ งชนกนั ในทิศทางทเี่ หมาะสม จงึ จะทาให้เกิดปฏกิ ิรยิ าเคมีได้ ตวั อยา่ งเช่น ปฏกิ ริ ิยา NO(g) + N2O (g) NO2(g) + N2(g) การชนรปู แบบท่ี 1 ขณะชน เกิดปฏิกิรยิ า การชนรูปแบบท่ี 2 ขณะชน ไม่เกดิ ปฏกิ ริ ิยา ก่อนชน กอ่ นชน การชนรูปแบบที่ 3 ขณะชน ไม่เกิดปฏกิ ิริยา กอ่ นชน

แนวคดิ เกย่ี วกับการเกดิ ปฏิกิริยาเคมี พลงั งานกอ่ กมั มันต์ พลงั งานก่อกัมมนั ต์ (activation energy ; Ea) คือ พลงั งานปรมิ าณน้อยทสี่ ดุ ทเ่ี กิดจาก การชนกันของอนุภาคสารตง้ั ตน้ แล้วทาให้เกดิ ปฏิกิรยิ าเคมี มหี นว่ ยเป็น กโิ ลจลู /โมล (kJ/mol) โดยพลังงานกอ่ กมั มนั ต์จะมผี ลต่อความยากงา่ ยในการเกดิ ปฏิกิรยิ าเคมี Ea ต่า ปฏกิ ิริยาเกิดงา่ ย Ea สงู ปฏิกิริยาเกดิ ยาก ความสมั พนั ธร์ ะหว่างค่าพลังงานก่อกมั มนั ตก์ ับการเกิดปฏกิ ริ ยิ าเปรยี บเหมือนกับการเดินขึน้ ภเู ขา



พลงั งานกบั การดา่ เนินไปของปฏกิ ริ ยิ า ปฏกิ ริ ยิ าดดู พลังงาน หรอื ปฏกิ ิรยิ าดดู ความรอ้ น >ปฏกิ ิรยิ าทีใ่ ช้พลงั งานในการสลายแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอม พลังงานท่ีถกู ปล่อยออกมาเพื่อสร้างแรงยึดเหนีย่ วระหว่างอะตอม E2 E1 = พลังงานของสารตั้งต้น ผลิตภณั ฑ์ E2 = พลังงานของสารเชงิ ซ้อนที่ถูกกระตนุ้ E3 พลังงาน Ea ∆E E3 = พลังงานของผลติ ภณั ฑ์ Ea = พลงั งานก่อกมั มนั ต์ของปฏกิ ริ ยิ า สารตงั้ ตน้ ∆E = พลังงานทรี่ ะบบดดู เขา้ ไป E1 มคี ่าเท่ากบั E3 - E1 การดาเนนิ ไปของปฏกิ ริ ยิ า

พลงั งานกับการดา่ เนินไปของปฏกิ ิรยิ า ปฏกิ ิรยิ าคายพลังงาน หรอื ปฏิกิริยาคายความรอ้ น ปฏิกิรยิ าทใ่ี ชพ้ ลังงานในการสลายแรงยดึ เหนีย่ วระหว่างอะตอม > พลังงานท่ถี ูกปล่อยออกมาเพื่อสรา้ งแรงยดึ เหนย่ี วระหวา่ งอะตอม สารตงั้ ต้น E2 E1 = พลงั งานของสารต้งั ต้น E1 Ea E2 = พลงั งานของสารเชงิ ซอ้ นทีถ่ กู กระตนุ้ ∆E E3 = พลงั งานของผลิตภัณฑ์ พลังงาน Ea = พลงั งานก่อกัมมนั ต์ของปฏิกิรยิ า ∆E = พลงั งานท่รี ะบบคายออกมา ผลิตภณั ฑ์ E3 มีค่าเทา่ กบั E3 - E1 การดาเนนิ ไปของปฏกิ ริ ยิ า

ปจั จัยทีม่ ผี ลตอ่ อตั ราการเกิดปฏิกิริยาเคมี ความเขม้ ขน้ ของสารกับอตั ราการเกดิ ปฏิกิริยาเคมี เมอ่ื เพมิ่ ความเขม้ ขน้ ของสารตั้งตน้ จานวนอนุภาคของสารตั้งตน้ มากขึ้น ทาใหส้ ารอยใู่ กล้กันมากขนึ้ เกิดการชนกันมากข้ึน อตั ราการเกดิ ปฏกิ ิรยิ าจงึ สูงขึ้น สารละลายกรดออ่ น สารละลายกรดแก่ เจอื จาง เข้มขน้ HCI CaCO3 HCI CaCO3 0.5 mol/dm3 2.0 mol/dm3 อตั ราการเกิดปฏิกริ ิยาตา่ อัตราการเกิดปฏิกริ ิยาสงู = อนุภาคกรด = อนภุ าคนา้่ = อะตอมแมกนเี ซียม อตั ราการเกดิ ปฏกิ ริ ยิ าต่า อตั ราการเกดิ ปฏกิ ิริยาสูง

ปจั จยั ทมี่ ีผลต่ออัตราการเกิดปฏกิ ิรยิ าเคมี พื้นทีผ่ ิวของสารตั้งต้นกับอตั ราการเกิดปฏกิ ริ ิยาเคมี เม่อื สารต้งั ต้นมีพน้ื ทผ่ี วิ มาก จะมีพน้ื ทผ่ี ิวสมั ผสั ของสารทเ่ี ขา้ ทาปฏกิ ิริยากนั ไดม้ าก ทาใหอ้ นภุ าคสารเกดิ การชนกันมากข้นึ อตั ราการเกิดปฏิกริ ิยาจงึ สูงขึน้ พืน้ ทผี่ ิวนอ้ ย พ้นื ทผี่ วิ มาก แกส๊ CO2 แก๊ส CO2 เกดิ อย่างชา้ ๆ เกิดอย่างรวดเรว็ HCI HCI 1.0 mol/dm3 1.0 mol/dm3 อัตราการเกดิ ปฏิกิรยิ าต่า อัตราการเกดิ ปฏกิ ริ ิยาสูง หนิ ปูน = อนุภาคกรด อัตราการเกดิ ปฏิกิรยิ าต่า = อนุภาคน่้า = อะตอมแมกนีเซียม อัตราการเกิดปฏิกริ ยิ าสูง

ปจั จยั ทม่ี ีผลต่ออตั ราการเกดิ ปฏกิ ิริยาเคมี อณุ หภมู ิกับอัตราการเกิดปฏกิ ิริยาเคมี เมื่ออณุ หภูมสิ งู ขนึ้ อตั ราการเกดิ ปฏิกริ ยิ าเคมีจะมคี ่าเพมิ่ ขึ้น แต่เม่ืออณุ หภมู ติ า่ ลง อัตราการเกดิ ปฏิกิริยาเคมีจะมีคา่ ลดลง จานวนโมเลกุล เมอื่ T2 > T1 คอื จา่ นวนโมเลกลุ ทีม่ ีพลงั งานจลน์สูง E พอท่อี ุณหภมู ิ T1 + คอื จ่านวนโมเลกลุ ที่มีพลังงานจลนส์ ูง T1 T2 พอที่อณุ หภมู ิ T2 E คือ พลงั งานจลน์จ่านวนนอ้ ยทส่ี ุดท่โี มเลกลุ พลังงานจลน์ Ea ตอ้ งมี แล้วทา่ ให้การชนกันไดพ้ ลงั งานเท่ากบั หรอื มากกวา่ พลังงานก่อกัมมันต์ กราฟแสดงการกระจายของพลงั งานจลนข์ องโมเลกลุ ของสารท่อี ณุ หภูมิต่าง ๆ พ้นื ทใ่ี ต้กราฟทางดา้ นขวาของคา่ Ea ทอี่ ุณหภูมิ T มคี า่ นอ้1 ยกวา่ ที่อุณหภมู ิ T2 แสดงว่า ท่ีอณุ หภมู ิ T2 มจี านวนโมเลกุล ทมี่ ีพลังงานสงู กว่าคา่ E a มากกวา่ ทอี่ ุณหภมู ิ T1 ดังน้นั ที่อุณหภมู ิ T 2จงึ มีอตั ราการเกิดปฏิกริ ยิ าเคมีสงู กว่าที่อณุ หภูมิ T1

ปัจจัยทม่ี ผี ลตอ่ อัตราการเกดิ ปฏิกิรยิ าเคมี ตวั เร่งปฏกิ ริ ิยาเคมี ตัวเรง่ ปฏกิ ิรยิ า (catalyst) คอื สารท่ีเติมลงไปแล้วทาให้ปฏกิ ิรยิ าเคมีเกดิ เรว็ ข้ึน และเมอ่ื สิ้นสดุ ปฏิกิรยิ าแล้ว สารนน้ั ยังคงมสี มบตั ิเหมอื นเดิม ตัวเร่งปฏิกริ ิยาจะมีส่วนร่วมในปฏกิ ิริยาได้ 2 ลักษณะ ดังน้ี 1 ตวั เร่งปฏิกิริยาไปรวมตวั กบั สารต้ังตน้ ตัวใดตัวหนงึ่ 2 ตัวเรง่ ปฏกิ ิรยิ ามีสว่ นรว่ มในการเกดิ ปฏิกิริยากบั แล้วจดั โครงสรา้ งใหม่ให้อยใู่ นสภาพที่เหมาะสมใน สารต้งั ตน้ ทาใหเ้ กดิ ปฏกิ ริ ิยาไปในวิถที างใหม่ การเกดิ ปฏิกิรยิ าทาใหเ้ กิดปฏิกิรยิ าง่ายขน้ึ โดยเกดิ กลไกหลายขนั้ ตอน E1 ปฏิกิรยิ าทีไ่ ม่มตี วั เรง่ ปฏกิ ริ ยิ า E1 ปฏกิ ริ ยิ าท่ไี ม่มีตัวเร่งปฏกิ ิรยิ า A ปฏิกริ ิยาที่มตี ัวเรง่ ปฏิกริ ิยา B E2 พลังงาน (kJ)E2 ปฏกิ ิริยาทมี่ ตี ัวเร่งปฏกิ ิรยิ า ∆E พลังงาน (kJ) ∆E E3 X การดาเนนิ ไปของปฏกิ ริ ยิ า การดาเนนิ ไปของปฏิกริ ิยา การด่าเนนิ ไปของปฏกิ ริ ยิ าทตี่ วั เร่งปฏิกริ ยิ า การด่าเนนิ ไปของปฏกิ ิริยาทตี่ วั เรง่ ปฏิกิรยิ า ไปรวมตวั กบั สารตั้งต้นตัวใดตัวหนงึ่ มีส่วนรว่ มในการเกดิ ปฏิกริ ิยาทา่ ให้เกิดกลไกหลายขน้ั ตอน

ปัจจัยที่มผี ลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี ตัวหน่วงปฏิกริ ิยา ตัวหน่วงปฏิกริ ิยา (inhibitor) คือ สารทเี่ ติมลงไปในปฏิกิรยิ าเคมี แล้วทาใหป้ ฏิกิรยิ าเคมีเกิดช้าลง ทาให้อัตราการเกิดปฏกิ ริ ิยาเคมลี ดลง และเม่ือสน้ิ สุดปฏิกริ ิยาเคมี สารนัน้ จะกลบั คืนมา ตัวหนว่ งปฏกิ ิริยาจะทาให้ค่าพลังงานก่อกัมมนั ต์ (Ea) เพ่มิ มากข้นึ แตพ่ ลงั งานของสารตง้ั ตน้ ผลิตภัณฑ์ และพลงั งานของปฏกิ ิรยิ ามคี ่าเท่าเดมิ พ ัลงงาน (kJ) Ea2 ปฏิกริ ิยาท่ีมตี ัวหน่วงปฏกิ ิริยา ปฏกิ ิรยิ าท่ไี ม่มตี ัวหนว่ งปฏกิ ริ ยิ า Ea1 ∆E การดาเนินไปของปฏกิ ิรยิ า การด่าเนินไปของปฏกิ ิรยิ าทีต่ วั หนว่ งปฏกิ ิรยิ าและไม่มีตัวหน่วงปฏกิ ริ ยิ า