วิชาการ.คอม-บทเรียนออนไลน์-แนวคิดเกี่ยวกับการเกิดปฏิกิริยาเคมี | บทเรียน วิชาการ.คอม
เคมี
 

แนวคิดเกี่ยวกับการเกิดปฏิกิริยาเคมี

สร้างเมื่อ 12 ก.ค. 2555 15:40:51
  • ระดับม.5
  • 18,515 view

                                                                                                    แนวคิดเกี่ยวกับการเกิดปฏิกิริยาเคมี

          นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าในการเกิดปฏิกิริยาเคมีอนุภาคของสารตั้งต้นซึ่งอาจเป็นโมเลกุล อะตอม หรือ ไอออนจะต้องชนกัน ถ้าการชนกันทุกครั้งทำให้เกิดปฏิกิริยาเคมี จะเป็นผลให้ปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว แต่จากการทดลองพบว่าการชนกันของอนุภาคไม่สามารถทำให้เกิดปฏิกิริยาเคมีได้ทุกครั้ง มีเพียงบางครั้งเท่านั้นที่มีปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้น นักเรียนคิดว่าเป็นเพราะเหตุใด

          จากความรู้เกี่ยวกับทฤษฎีจลน์ที่ได้ศึกษามาแล้วอธิบายได้ว่า ณ อุณหภูมิหนึ่ง โมเลกุลของแก๊สชนิดเดียวกันเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วแตกต่างกัน โมเลกุลที่เคลื่อนที่ช้าจะมีพลังงานจลน์ต่ำ ส่วนโมเลกุลที่เคลื่อนที่เร็วจะมีพลังงานจลน์สูง ถ้าโมเลกุลที่มีพลังงานจลน์สูงหรือมีอัตราเร็วสูงชนกันพลังงานที่เกิดจากการชนกันก็มีค่าสูงด้วย และถ้าพลังงานมีค่าสูงพอก็จะเกิดการสลายพันธะในสารตั้งต้นแล้วสร้าพันธะใหม่เกิดเป็นผลิตภัณฑ์ซึ่งก็คือการเกิดปฏิกิริยาเคมี แต่ถ้าโมเลกุลที่มีพลังงานจลน์ต่ำเกิดการชนกันและพลังงานมีค่าไม่สูงพอก็จะไม่มีปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้น

          -  นอกจากพลังงานที่เกิดจากการชนกันของอนุภาคจะต้องมีค่าสูงพอแล้ว นักเรียนคิดว่ามีปัจจัยอื่นอีกหรือไม่ที่ทำให้เกิดปฏิกิริยาเคมีได้

 

         เมื่ออนุภาคของสารชนกันแล้วจะมีปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้นหรือไม่ ยังขึ้นอยู่กับทิศทางในการชนกันด้วย เช่น ปฏิกิริยาระหว่างแก๊สไฮโดรเจนกับแก๊สไอโอดีน ดังสมการ

        \displaystyleH_2(g)+I_2(g)\to+2HI(g)

          การที่จะได้แก๊สไฮโดรเจนไอโอไดด์เกิดขึ้น โมเลกุลของแก๊สไฮโดรเจนกับแก๊สไอโอดีนจะต้องมีการชนกันและอาจจัดตัวขณะชนกันได้ดังรูป 6.4

 

รูป 6.4 แสดงการจัดเรียงโมเลกุลของ \displaystyle H_2 และ \displaystyle I_2 ขณะชนกัน

 

          เมื่อพิจารณาการชนกันของโมเลกุล \displaystyle H_2 กับ \displaystyle I_2 พบว่าการชนกันแบบ ข. มีโอกาสที่จะเกิดปฏิกิริยาเคมีได้มากกว่าแบบ ก. เนื่องจากทิศทางในการชนกันของโมเลกุลทั้งสองมีความเหมาะสม

          จากข้อมูลที่กล่าวมาแล้วช่วยให้สรุปได้ว่าปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้นได้เมื่ออนุภาคของสารตั้งต้นชนกันในทิศทางที่เหมาะสม รวมทั้งต้องมีพลังงานที่เกิดจากการชนกันอย่างน้อยที่สุดปริมาณหนึ่งซึ่งเท่ากับ พลังงานก่อกัมมันต์ ใช้สัญลักษณ์ย่อเป็น \displaystyle E_a

          พลังงานก่อกัมมันต์เป็นค่าที่คำนวณจากผลการทดลอง ซึ่งในแต่ละปฏิกิริยาจะมีค่าพลังงานก่อกัมมันต์ไม่เท่ากัน โดยปกติโมเลกุลที่มีพลังงานเท่ากับหรือมากกว่าพลังงานก่อกัมมันต์มีจำนวนน้อยมาก เพื่อให้เข้าใจดีขึ้นจึงอาจเปรียบเทียบการเกิดปฏิกิริยาเคมีกับการเดินทางข้ามภูเขาดังรูป 6.5

                                                                  รูป 6.5 การเดินทางข้ามภูเขา

          จากรูป 6.5 คนที่จะเดินข้ามภูเขาได้ต้องแข็งแรงมากหรือมีพลังงานมาก ดังนั้นจำนวนคนที่จะเดินข้ามภูเขาได้ภายในเวลาที่กำหนด จึงขึ้นอยู่กับองค์ประกอบที่สำคัญ 2 ประการ คือ (1) จำนวนคนที่แข็งแรงหรือมีพลังงานมา และ (2) ความสูงของภูเขา

          ถ้าอุปมาอุปไมยจำนวนคนที่แข็งแรงหรือมีพลังงานสูงกับจำนวนอนุภาคที่มีพลังงานสูง และความสูงของภูเขากับค่าพลังงานก่อกัมมันต์ของปฏิกิริยานั้น ช่วยให้อธิบายได้ว่าการที่บางปฏิกิริยาเกิดขึ้นช้ามาก เพราะปฏิกิริยานั้นมีค่าพลังงานก่อกัมมันต์สูงมาก และอนุภาคที่มีพลังงานสูงมีจำนวนน้อย โอกาสที่จะชนกันเพื่อให้ได้พลังงานสูงเท่ากับพลังงานก่อกัมมันต์จึงมีน้อยด้วย ในกรณีของปฏิกิริยาที่เกิดได้เร็วก็อธิบายได้ในทำนองเดียวกัน

          สำหรับการอธิบายการเกิดปฏิกิริยาเคมีอีกแนวคิดหนึ่งอธิบายว่า เมื่อสารเข้าทำปฏิกิริยากันจะมีสารใหม่เกิดขึ้นเป็นผลิตภัณฑ์ และในระหว่างที่สารตั้งต้นเปลี่ยนเป็นผลิตภัณฑ์นั้น จะมี สารเชิงซ้อนกัมมันต์เกิดขึ้นก่อนเพียงชั่วขณะแล้วสารเชิงซ้อนกัมมันต์ก็สลายให้ผลิตภัณฑ์ต่อไป เช่น ปฏิกิริยาระหว่างแก็ส CO กับ \displaystyle NO_2 เกิดเป็นแก็ส \displaystyle CO_2 และ NO ซึ่งอาจเขียนแผนภาพแสดงดังรูป 6.6

 

                           รูป 6.6 แสดงการเกิดสารเชิงซ้อนกัมมันต์แล้วเปลี่ยนเป็นผลิตภัณฑ์

ทางด้านสารตั้งต้นจะมีพันธะระหว่างอะตอม C กับ O ในโมเลกุล CO และ N กับ O ในโมเลกุล\displaystyle NO_2 เท่านั้น เมื่อเกิดเป็นสารเชิงซ้อนกัมมันต์ ความแข็งแรงของพันธะระหว่างอะตอม N กับ O ใน \displaystyle NO_2 จะลดลง และเริ่มมีพันธะอย่างอ่อน ๆ เกิดขึ้นระหว่างอะตอมของ C ใน CO กับ O ใน \displaystyle NO_2 เมื่อสารเชิงซ้อนกัมมันต์สลายตัวให้ผลิตภัณฑ์ จะมีการสลายพันธะเดิมระหว่างอะตอม N กับ O และมีพันธะระหว่างอะตอม C กับ O เกิดขึ้นแทนที่ สารเชิงซ้อนกัมมันต์อยู่ในสภาวะที่ไม่เสถียรเพราะมีพลังงานสูงมาก สภาวะดังกล่าวนี้เรียกว่า  สภาวะแทรนซิชันจึงอาจกล่าวได้ว่าพลังงานของสภาวะแทรนซิชันจะมีค่าประมาณพลังงานก่อกัมมันต์นั่นเอง ทั้งนี้เพราะการที่ปฏิกิริยาเคมีจะเกิดขึ้นได้อนุภาคของสารที่ชนกันจะต้องมีพลังงานอย่างน้อยที่สุดเท่ากับพลังงานก่อกัมมันต์

                                             

6.3 พลังงานกับการดำเนินไปของปฏิกิริยาเคมี

          การเกิดปฏิกิริยาเคมีจะมีพลังงานเข้ามาเกี่ยวข้องด้วยเนื่องจากมีการสลายและสร้างพันธะระหว่างอะตอมของสารในระบบ อาจะเขียนแสดงด้วยกราฟ ดังรูป 6.7 และ 6.8

 

 

 

รูป 6.7 การเปลี่ยนแปลงพลังงานของปฏิกิริยา \displaystyle CO(g)+NO_2 (g)\to+CO_2 (g)+NO(g)

          จากกราฟรูป 6.7 อธิบายได้ว่าสารตั้งต้นมีพลังงาน \displaystyle E_1 เมื่อโมเลกุลของสารตั้งต้นชนกันมีพลังงานสูงขึ้นเป็น \displaystyle E_2 หลังจากนั้นก็จะเปลี่ยนเป็นผลิตภัณฑ์ซึ่งมีพลังงานเป็น \displaystyle E_3 ผลต่างระหว่างพลังงาน \displaystyle E_2 กับ \displaystyle E_1 คือพลังงานก่อกัมมันต์ของปฏิกิริยา (\displaystyle E_a) เนื่องจากผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นมีพลังงานเท่ากับ \displaystyle E_3 ซึ่งมีค่าน้อยกว่า \displaystyle E_1 ระบบจึงคายพลังงานออกมามีค่าเท่ากับ \displaystyle E_3 - E_1 =- \Delta E ปฏิกิริยานี้จึงเป็น ปฏิกิริยาคายพลังงาน

 

      รูป 6.8 การเปลึ่ยนแปลงพลังงานของปฎิกิริยา \displaystyle 2HI(g) \to H_2 (g) + I_2 (g)

 

          กราฟในรูป 6.8 อธิบายได้ว่าสารตั้งต้นมีพลังงาน \displaystyle E_1 พลังงานก่อกัมมันต์ของปฏิกิริยาเท่ากับ \displaystyle E_a และผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นมีพลังงาน \displaystyle E_3 เนื่องจากในปฏิกิริยานี้ \displaystyle E_3 มีค่าสูงกว่า \displaystyle E_1 ระบบจึงดูดพลังงานเข้าไปมีค่าเท่ากับ \displaystyle E_3 - E_1 =+ \Delta E                ปฏิกิริยาดูดพลังงาน

          จากคำอธิบายที่กล่าวมาแล้วช่วยให้สรุปได้ว่าปฏิกิริยาเคมีใด ๆ ที่เป็นปฏิกิริยาคายพลังงาน ผลิตภัณฑ์จะมีพลังงานต่ำกว่าสารตั้งต้น ในทางตรงกันข้ามถ้าเป็นปฏิกิริยาดูดพลังงาน ผลิตภัณฑ์จะมีพลังงานสูงกว่าสารตั้งต้น

6.4 ปัจจัยที่มีผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี

          จากตัวอย่างการคำนวณหาอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีของสารในช่วงเวลาต่าง ๆ โดยใช้ข้อมูลในตาราง 6.1 และพิจารณาจากความชันของกราฟ ทำให้ทราบว่าปฏิกิริยาเกิดขึ้นเร็วในช่วงแรกหรือเมื่อเริ่มเกิดปฏิกิริยา และจะเกิดช้าลงเมื่อเวลาผ่านไป นักเรียนคิดว่าเป็นเพราะเหตุใด และมีปัจจัยใดบ้างที่มีผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี

    6.4.1 ความเข้มข้นของสารกับอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี

จากการศึกษาอัตราการสลายตัวของไดไนโตรเจนเพนตะออกไซด์ในช่วงเวลาต่าง ๆ ดังแสดงในตาราง 6.2 พบว่าเมื่อเวลาผ่านไปอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีมีค่าลดลงนักเรียนคิดว่าเป็นผลมาจากความเข้มข้นของสารตั้งต้นลดลงหรือไม่ เพื่อตรวจสอบว่าความเข้มข้นของสารมีผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีหรือไม่ ให้นักเรียนศึกษาจากการทดลองต่อไปนี้

การทดลอง 6.2 ความเข้มข้นของสารกับอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี

ตอนที่ 1 ใช้สารละลายโซเดียมไทโอซัลเฟตที่มีความเข้มข้นต่างกันทำปฏิกิริยากับสารละลายกรดไฮโดรคลอริกที่มีความเข้มข้นคงที่

1.               รินสารละลายกรดไฮโดรคลอริด 3 \displaystyle mol/dm^3 จำนวน 10 \displaystyle cm^3 ลงในหลอดทดลองขนาดใหญ่

2.               นำกระดาษสีขาวที่ทำเครื่องหมายกากบาทไว้มาวางชิดข้างหลอดทดลองด้านหนึ่ง โดยให้เครื่องหมายกากบาทอยู่สูงจากก้นหลอดประมาณ 2.5 cm

3.               เติมสารละลายโซเดียมไทโอซัลเฟต 0.3 \displaystyle mol/dm^3 จำนวน 10 \displaystyle cm^3 ลงในหลอดทดลองในข้อ 1 เขย่าให้เข้ากัน สังเกตเครื่องหมายและจับเวลาผสมสารละลายเข้าด้วยกันจนกระทั่งเริ่มมองไม่เห็นเครื่องหมายกากบาท

4.               ทำการทดลองอีก 4 ครั้ง โดยใช้โซเดียมไทโอซัลเฟตผสมกับน้ำกลั่นตามปริมาตรที่กำหนดให้ในตาราง แต่ใช้ปริมาตรของกรดไฮโดรคลอริกเท่าเดิม

ตารางกำหนดปริมาตรของสารละลายโซเดียมไทโอซัลเฟตและน้ำที่ใช้ในการทดลองตอนที่ 1

หลอดที่

ปริมาตรของสารละลาย \displaystyle Na_2 S_2 O_3 \left( {cm^3 } \right)

ปริมาตรของน้ำ(\displaystyle   cm^3 )

1

2

3

4

5

10

8

6

4

2

0

2

4

6

8

ตอนที่ 2 ใช้สารละลายกรดไฮโดรคลอริกที่มีความเข้มข้นต่างกันทำปฏิกิริยากับสารละลายโซเดียมไทโอซัลเฟตที่มีความเข้มข้นคงที่

          ทำการทดลองเช่นเดียวกับตอนที่ 1 แต่ใช้สารละลายกรดไอโดรคลอริกที่มีความเข้มข้น 0.3 \displaystyle mol/dm^3 ผสมกับน้ำกลั่นตามปริมาตรที่กำหนดในตาราง และใช้สารละลายโซเดียมไทโอซัลเฟตเข้มข้น 0.3 \displaystyle mol/dm^3 ปริมาตรคงที่ 10 \displaystyle cm^3

 

ตารางกำหนดปริมาตรของสารละลายกรดไฮโดรคลอริกและน้ำที่ใช้ในการทดลองตอนที่ 2

หลอดที่

          ปริมาตรของสารละลาย \displaystyle HCI \left( {cm^3 } \right)

ปริมาตรของน้ำ(\displaystyle   cm^3 )

1

2

3

4

5

10

8

6

4

2

0

2

4

6

8

  

 

          - ตะกอนที่เกิดขึ้นในหลอดทดลองคือสารใด

          -จะวัดอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีได้อย่างไร

          -ความเข้มข้นของ  \displaystyleNa_2S_2O_3  และ HCI มีผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมรหรือไม่ อย่างไร

          -จากผลการทดลองทั้งสองตอนสรุปได้ว่าอย่างไร

 

          ในการทดลองตอนที่ 1 เมื่อใส่สารละลายโซเดียมไทโอซัลเฟต 0.3 \displaystyle mol/dm^3 ลงในหลอดที่ 1 โดยไม่มีการเติมน้ำ ความเข้มของสารละลายในหลอดนี้ยังคงเป็น 0.3 \displaystyle mol/dm^3 ส่วนหลอดที่ 2 นำสารละลายโซเดียมไทโอซัลเฟต 0.3 \displaystyle mol/dm^3 จำนวน 8 \displaystyle cm^3 มาเติมน้ำให้เป็น 10 \displaystyle cm^3 ความเข้มข้นของสารละลายในหลอดคำนวณได้ดังนี้

          จำนวนโมลของโซเดียมไทโอซัลเฟตในสารละลายโซเดียมไทโอซัลเฟต 0.3 \displaystyle mol/dm^3 จำนวน 8 \displaystyle cm^3 เป็นดังนี้

 

= \displaystyle 2.4 \times 10^{ - 3} mol

          เมื่อเติมน้ำ 2 \displaystyle cm^3 ทำให้สารละลายมีปริมาตรรวม 10 \displaystyle cm^3 ความเข้มข้นของสารละลายโซเดียามไทโอซัลเฟตในหน่วย \displaystyle mol/dm^3 เป็นดังนี้

 

 

= 0.24 \displaystyle mol/dm^3

 

          แสดงว่าสารละลายโซเดียมไทโอซัลเฟตในหลอดที่ 2 มีความเข้มข้น 0.24 \displaystyle mol/dm^3 สำหรับความเข้มข้นของสารละลายโซเดียมไทโอซัลเฟตในหลอดอื่นก็คำนวณได้ในทำนองเดียวกัน

          เมื่อโซเดียมไทโอซัลเฟตทำปฏิกิริยากับกรดไฮโดรคลอริกจะเกิดปฏิกิริยา ดังสมการ

 

Na\displaystyleNa_2S_2O(aq)+2HCI(aq)\to2NaCl(aq)+H_2O(l)+SO_2(g)+S(s)

หรือ

          S \displaystyleS_2O_3^{2-}(aq)+2H^+(aq)\toH_2 O(l)+SO_2(g)+S(s)

 

          จากการทดลอง นักเรียนได้วัดระยะเวลาของการเกิดปฏิกิริยาตั้งแต่เริ่มต้นจนได้ปริมาณของกำมะถันที่เกิดขึ้นเท่ากัน คือเมื่อเริ่มมองไม่เห็นเครื่องหมายกากบาท ดังนั้นจึงกล่าวได้ว่า ปฏิกิริยาของสารในทุกหลอดเริ่มต้นจากจุดเดียวกันและดำเนินไปจนถึงจุดหมายปลายทางเดียวกัน อัตราการเกิดปฏิกิริยาเฉลี่ยเขียนแสดงได้ดังนี้

 

 

ถ้านำอัตราการเกิดปฏิกิริยาเฉลี่ยของสารในแต่ละหลอดมาเปรียบเทียบกันจะเป็นดังนี้

อัตราการเกิดปฏิกิริยาเฉลี่ยของสารในหลอดที่ 1 : อัตราการเกิดปฏิกิริยาเฉลี่ยของสารในหลอดที่ 2

 

 

                   

          เนื่องจากปริมาณของกำมะถันที่เกิดขึ้นในแต่ละหลอดเท่ากันดังนั้น

         

          จากความสัมพันธ์นี้จึงกล่าวได้ว่า ถ้าต้องการเปรียบเทียบอัตราการเกิดปฏิกิริยาเฉลี่ยของสารในแต่ละหลอด อาจใช้ส่วนกลับของระยะเวลาที่สารในแต่ละหลอดเกิดปฏิกิริยามาเปรียบเทียบกันได้ สารในหลอดที่ใช้ระยะเวลาการเกิดปฏิกิริยาน้อย แสดงว่ามีอัตราการเกิดปฏิกิริยาสูงกว่าสารในหลอดที่ใช้ระยะเวลามากกว่า

          จากผลการทดลอง 6.2 จะพบว่าเมื่อให้ความเข้มข้นของไฮโดรเจนไอออนคงที่ แต่เปลี่ยนความเข้มข้นของไทโอซัลเฟตไอออน อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะเปลี่ยนไปในทำนองเดียวกันการเปลี่ยนความเข้มข้นของไฮโดรเจนไอออนโดยให้ความเข้มข้นของไทโอซัลเฟตคงที่ก็มีผลทำให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาเปลี่ยนแปลงด้วย แสดงว่าความเข้มข้นของสารตั้งต้นทั้งสองชนิดในปฏิกิริยานี้มีผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี

          เนื่องจากการเพิ่มหรือลดความเข้มข้นของสารตั้งต้นมีความสัมพันธ์กับการเพิ่มหรือลดจำนวนอนุภาคของสารตั้งต้นในระบบ ดังนั้นในกรณีของการเพิ่มความเข้มข้นของสารตั้งต้น จะทำให้จำนวนอนุภาคของสารตั้งต้นในระบบเพิ่มขึ้น โอกาสที่อนุภาคที่มีพลังงานสูงก็มีจำนวนมากขึ้นดังรูป 6.9  และอนุภาคที่มีพลังงานสูงก๊มีจำนวนมากขึ้นด้วยด้วย จึงมีผลทำให้อัตราการเกิดปฏิกิริยามีค่าสูง

 

 

 

รูป 6.9 ผลของความเข้มข้นต่อจำนวนการชนกันของอนุภาค

(ก)         โมเลกุล A กับ B ชนกันได้ 4 แบบ

(ข)        เมื่อเพิ่มความเข้มข้นของ A หรือ B เป็น 2 เท่าโมเลกุลจะชนกันได้ 8 แบบ

(ค)        เมื่อเพิ่มความเข้มข้นของทั้ง A และ B เป็น 2 เท่าโมเลกุลจะชนกันได้ 16 แบบ

 

          โดยทั่วไปเราพบว่าการเพิ่มความเข้มข้นของสารตั้งต้นจะมีผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี อย่างไรก็ตามยังมีบางปฏิกิริยาที่อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสารตั้งต้นชนิดใดชนิดหนึ่งเท่านั้น หรือบางปฏิกิริยาอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีก็ไม่ขึ้นกับความเข้มข้นของสารตั้งต้น กล่าวคืออัตราการเกิดปฏิกิริยาจะคงที่ไม่ว่าจะมีสารตั้งต้นมากหรือน้อยเพียงใด เช่น ปฏิกิริยาการกำจัดแอลกอฮอล์เข้าสู่กระแสเลือด ร่างกายจะต้องกำจัด

ออกทั้งในรูปแอลกอฮอล์โดยตรงและการสลายเป็นสารอื่น อัตราการสลายตัวของแอลกอฮอล์เป็นสารอื่นจะมีค่าคงที่ โดยไม่ขึ้นกับปริมาณของแอลกอฮอล์ในเลือดว่ามีอยู่มากน้อยเพียงใด

          จากตัวอย่างที่กล่าวมาแล้ว ถ้าเราทราบชนิดของสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นในปฏิกิริยา เราสามารถเขียนสมการแสดงปฏิกิริยานั้นได้ แต่ไม่สามารถทำนายอัตราการเกิดปฏิกิริยาได้ว่าสูงหรือต่ำ และขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสารใดบ้าง ข้อมูลเหล่านี้จะต้องได้จากการทดลองเท่านั้น

 

6.4.2 พื้นที่ผิวของสารกับอัตรากรเกิดปฏิกิริยาเคมี

          นักเรียนได้ทราบแล้วว่าความเข้มข้นของสารเป็นปัจจัยหนึ่งที่มีผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี รวมทั้งได้ศึกษาปฏิกิริยาระหว่างลวดแมกนีเซียมกับกรดไฮโดรคลอริกมาแล้วในการทดลองที่ 6.1 นักเรียนคิดว่าถ้านำลวดแมกนีเซียมที่มีมวลเท่ากันต่ามีพื้นที่ผิวไม่เท่ากันมาทำปฏิกิริยากับกรดไฮโดรคลอริก อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะแตกต่างกันหรือไม่ อย่างไร ศึกษาได้จากการทดลองต่อไปนี้

การทดลอง 6.3 พื้นที่ผิวของสารกับอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี</b>

1.               ทำการทดลองเช่นเดียวกับการทดลอง 6.1 แต่เริ่มจับเวลาเมื่อสารละลายในกระบอกตวงอยู่ที่ขีด 1 \displaystyle cm^3 และทุก ๆ 1 \displaystyle cm^3 จนถึงขีด 5 \displaystyle cm^3

2.               ทำการทดลองเช่นเดียวกับข้อ 1 แต่พับลวดแมกนีเซียมให้เหลือความยาวประมาณ 3 cm

 

          - อัตราการเกิดปฏิกิริยาของกรดไฮโดรคลอริกกับลวดแมกนีเซียมที่พับและที่ขดเป็นสปริงแตกต่างกันหรือไม่ อย่างไร      

 

          จากการทดลองพบว่าแมกนีเซียมที่มีมวลเท่ากัน แต่มีพื้นที่ผิวไม่เท่ากัน มีอัตราการเกิดปฏิกิริยาแตกต่างกัน กล่าวคือ แมกนีเซียมที่มีพื้นที่ผิวมากมีอัตราการเกิดปฏิกิริยาสูงกว่าแมกนีเซียมที่มีพื้นที่ผิวน้อย ซึ่งอธิบายได้ว่าการที่สารตั้งต้นมีพื้นที่ผิวมาก มีผลให้อนุภาคของสารมีโอกาสเข้าชนกันได้มาก ปฏิกิริยาจึงเกิดได้เร็วขึ้น

 

6.4.3 อุณหภูมิกับอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี

          เมื่อวางชิ้นโลหะแมกนีเซียมไว้ในอากาศที่อุณหภูมิห้อง ผิวของโลหะจะเปลี่ยนเป็นสีเทาอย่างช้า ๆ เนื่องจากเกิดปฏิกิริยากับออกซิเจนในอากาศได้แมกนีเซียมออกไซด์ฉาบอยู่ที่ผิว แต่ถ้านำโลหะแมกนีเซียมไปเผาในอากาศจะได้ผงแมกนีเซียมออกไซด์ภายในเวลาไม่กี่นาที ทำให้ตั้งข้อสังเกตได้ว่าอุณหภูมิน่าจะเป็นอีกปัจจัยหนึ่งที่ทำให้ปฏิกิริยาเคมีเกิดเร็วหรือช้า การทดลองต่อไปนี้เป็นการศึกษาว่าการเพิ่มหรือลดอุณหภูมิมีผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีอย่างไร

 

การทดลอง 6.4 อัตราการเกิดปฏิกิริยาระหว่างกรดออกซาลิกกับโพแทสเซียมเปอร์แมงกาเนตที่อุณหภูมิต่าง ๆ

ใส่สารละลายกรดออดซาลิก 0.05 \displaystyle mol/dm^3 10 หยด และสารละลายกรดซัลฟิวริก 1.0 \displaystyle mol/dm^3 5 หยด ในหลอดทดลองขนาดเล็ก แล้วเติมสารละลาย

 

1.               โพแทสเซียมเปอร์แมงกาเนต 0.005 \displaystyle mol/dm^3 ลงไป 10 หยด เขย่าและจับเวลาตั้งแต่เติมสารละลายโพแทสเซียมเปอร์แมงกาเนตลงไปจนกระทั่งสารละลายเปลี่ยนเป็นไม่มีสี

2.               ทำการทดลองเช่นเดียวกับข้อ 1 แต่นำหลอดใส่สารละลายผสมระหว่างกรดออกซาลิกกับกรดซัลฟิวริกไปแช่น้ำที่ควบคุมอุณหภูมิให้คงที่ประมาณ  \displaystyle60{}^\circC  เป็นเวลา 5 นาที แล้วจึงเติมสารละลายโพแทสเซียมเปอร์แมงกาเนต เขย่าและจับเวลา

3.               ทำการทดลองเช่นเดียวกับข้อ 2 อีก 2 ครั้ง โดยควบคุมอุณหภูมิของน้ำเป็นประมาณ \displaystyle40{}^\circC  และ  \displaystyle20{}^\circC  ตามลำดับ

 

          - เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นหรือลดลงจากอุณหภูมิห้องเวลาที่ใช้ในการเกิดปฏิกิริยาเป็นอย่างไร

          - อุณหภูมิมีผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาหรือไม่อย่างไร

 

          เมื่อกรดออกซาลิกทำปฏิกิริยากับสารละลายโพแทสเซียมเปอร์แมงกาเนตจะเกิดปฏิกิริยาดังสมการ

\displaystyle5H_2C_2O_4(aq)+2MnO_{_4 }^-(aq)+6H^+(aq)\to 10CO_2(g)+2Mn^{2 + }(aq)+8H_2O(l)

          ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นนี้ จะสังเกตได้จากการเปลี่ยนสีของสารละลายจากสีม่วงเป็นสีชมพูอ่อน เนื่องจากเปอร์แมงกาเนตไอออน \displaystyle\left({MnO_{_4 }^-}\right)  สีม่วง เมื่อทำปฏิกิริยาจะเปลี่ยนไปเป็นแมงกานีส (II) ไอออน \displaystyle \left( {Mn^{2 + } } \right) ซึ่งเป็นสารสีชมพูอ่อน แต่ถ้าเจือจางมากจะได้สารละลายใสที่ไม่มีสี

          จากการทดลองทำให้ทราบว่าที่อุณหภูมิสูงปฏิกิริยาเคมีเกิดได้เร็วกว่าที่อุณหภูมิต่ำ แสดงว่าอุณหภูมิมีผลต่าอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี กล่าวคือเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นอัตราการเกิดปฏิกิริยาจะมีค่าเพิ่มขึ้น และเมื่ออุณหภูมิลดลงอัตราการเกิดปฏิกิริยาจะมีค่าน้อยลง ตามทฎษฎีจลน์อธบายได้ว่า เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น โมเลกุลของแก๊สจะเคลื่อนที่ด้วยอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีจึงสูงขึ้น จากการคำนวณได้ผลว่าเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น 10 องศาเซลเซียส อัตราการชนกันของโมเลกุลเพิ่มขึ้นเพียง 0.01 เท่า แต่ในทางปฏิบัติปรากฏว่าเมื่อเพิ่มอุณหภูมิขึ้น 10 องศาเซลเซียส อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะเพิ่มขึ้น 2-3 เท่า นักเรียนคิดว่าเป็นเพราะเหตุใด

          เราอาจะเขียนกราฟแสดงการกระจายพลังงานจลน์ของโมเลกุลของแก๊สที่อุณหภูมิต่าง ๆ ได้ดังรูป 6.10

 

รูป 6.10 แสดงการกระจายพลังงานจลน์ของโมเลกุลของแก๊สที่อุณหภูมิต่างกัน

 

          จากรูป 6.10 จะพบว่าพื้นที่ใต้กราฟทางด้านขวาของพลังงาน E ที่อุณหภูมิ \displaystyle T_1 มีค่าน้อยกว่าที่อุณหภูมิ \displaystyle T_2 แสดงว่าที่อุณหภูมิ \displaystyle T_1 โมเลกุลที่มีพลังงานสูงกว่า E มีจำนวนน้อยกว่าที่อุณหภูมิ \displaystyle T_2 โดยทั่วไปการชนกันที่ทำให้เกิดปฏิกิริยาเคมีเป็นการชนกันของโมเลกุลที่มีพลังงานสูง ซึ่งเมื่อชนกันแล้วทำให้พลังงานที่เกิดขึ้นมีค่าเท่ากับหรือมากกว่าพลังงานก่อกัมมันต์ นอกจากนี้การชนกันของโมเลกุลที่มีพลังงานสูงมาก ๆ กับ โมเลกุลที่มีพลังงานต่ำก็อาจทำให้เกิดปฏิกิริยาได้เช่นเดียวกัน แสดงว่าอุณหภูมิเป็นอีกปัจจัยหนึ่งที่มีผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี

 

 

6.4.4 ตัวเร่งและตัวหน่วงปฏิกิริยาเคมี

          จากการทดลองที่ผ่านมาช่วยให้ทราบว่าพื้นที่ผิวสัมผัส ความเข้มข้นของสารที่เข้าทำปฏิกิริยาและอุณหภูมิมีผลต่าอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี ต่อไปจะศึกษาว่าเมื่อเติมสารบางชนิดปริมาณเล็กน้อยลงไปจะมีผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาหรือไม่ โดยศึกษาจากการทดลองต่อไปนี้

 

การทดลอง 6.5 ผลของสารบางชนิดต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี

 

ตอนที่ 1ผลของสารละลายแมงกานีส (II) ซัลเฟตต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาระหว่างสารละลายโพแทสเซียมเปอร์แมงกาเนตกับสารละลายกรดออกซาลิก

1.               นำหลอดทดลองขนาดกลางมา 2 หลอด แต่ละหลอดใส่สารละลายกรดออกซาลิก 0.05 \displaystyle mol/dm^3 จำนวน 2 \displaystyle cm^3 และสารละลายกรดซัลฟิวริก 1.0 \displaystyle mol/dm^3 จำนวน 1 \displaystyle cm^3

2.               นำหลอดที่ 1 มาเติมสารละลายโพแทสเซียมเปอร์แมงกาเนต 0.005 \displaystyle mol/dm^3 จำนวน 2 \displaystyle cm^3 เขย่าพร้อมทั้งเริ่มจับเวลาจนกระทั่งสารละลายเปลี่ยนเป็นไม่มีสี

3.               นำหลอดที่ 2 มาเติมสารละลายโพแทสเซียมเปอร์แมงกาเนต 0.005 \displaystyle mol/dm^3 จำนวน 2 \displaystyle cm^3 และสารละลายแมงกานีส (II) ซัลเฟต 0.1 \displaystyle mol/dm^3 จำนวน 5 หยด เขย่าพร้อมทั้งเริ่มจับเวลาสารละลายเปลี่ยนเป็นไม่มีสี

ตอนที่ 2 ผลของโซเดียมฟลูออไรด์ต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาระหว่างเปลือกไข่กับสารละลายกรดแอซีติก

1.               ใส่เปลือกไข่ที่ตากแห้งและบดละเอียดลงในหลอดทดลองขนาดกลาง 2 หลอด ๆ ละ 1 g

2.               ใส่ผงโซเดียมฟลูออไรด์ 0.1 g ลงบนเปลือกไข่ในข้อ 1 เพียง 1 หลอด คลุกเคล้าให้ทั่ว

3.               นำหลอดทดลองจากข้อ 1 และจากข้อ 2 มาเติมสารละลายกรดแอซีติก 0.5 \displaystyle mol/dm^3 หลอดละ 3 \displaystyle cm^3 สังเกตการณ์เปลี่ยนแปลง

 

          - อัตราการเกิดปฏิกิริยาของสารทั้ง 2 หลอดในตอนที่ 1 แตกต่างกันอย่างไร

          - อัตราการเกิดปฏิกิริยาของสารทั้ง 2 หลอดในตอนที่ 2 แตกต่างกันอย่างไร

          - การทดลองทั้งสองตอนนี้ สรุปผลได้อย่างไร

 

          เมื่อเติมสารบางชนิดปริมาณเล็กน้อยลงไปแล้วทำให้ปฏิกิริยาเคมีเกิดได้เร็วขึ้น สารที่เติมลงไปนี้เรียกว่า  ตัวเร่งปฏิกิริยาแสดงว่าในการทดลอง 6.5 ตอนที่ 1 แมงกานีส (II) ซังเฟต ทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาระหว่างสารละลายกรดออกซาลิกกับสารละลายโพแทสเซียมเปอร์แมงกาเนต ส่วนสารที่เติมลงไปแล้วทำให้ปฏิกิริยาเคมีเกิดช้าลงเรียกสารนั้นว่า ตัวหน่วงปฏิกิริยา จากผลการทดลองตอนที่ 2 ปฏิกิริยาของสารในหลอดที่เติมโซเดียมฟลูออไรด์เกิดช้ากว่า จึงกล่าวได้ว่าโซเดียมฟลูออไรด์เป็นตัวหน่วงปฏิกิริยา จากผลการทดลองทั้งสองตอนสรุปได้ว่า ตัวเร่งปฏิกิริยาและตัวหน่วงปฏิกิริยามีผลทำให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาเปลี่ยนแปลงได้

          จากการศึกษาที่ผ่านมาได้เปรียบเทียบการเกิดปฏิกิริยาเคมีกับการเดินทางข้ามภูเขา และพลังงานก่อกัมมันต์เปรียบได้กับความสูงของภูเขา ถ้าภูเขาสูงมากคนที่มีกำลังมากพอเท่านั้นจึงจะผ่านไปได้ แต่เมื่อมีการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาซึ่งเปรียบเสมือนการเดินทางสายใหม่ที่ไปถึงจุดหมายปลายทางได้ อีกทั้งข้ามภูเขาไม่สูงมากหรือกล่าวได้ว่ามีพลังงานก่อกัมมันต์ของปฏิกิริยานั้นลดลงต่ำ ดังรูป 6.11 ทำให้คนที่จะเดินทางไปถึงจุดหมายปลายทางมีจำนวนเพิ่มม ากขึ้น นั่นคือโมเลกุลที่ชนกันแล้วมีพลังงานสูงกว่าพลังงานก่อกัมมันต์จะมีจำนวนมากกว่าเมื่อไม่มีตัวเร่งปฏิกิริยา จึงเป็นผลให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาสูงขึ้น ความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานก่อกัมมันต์ในกรณีที่มีและไม่มีตัวเร่งปฏิกิริยาแสดงได้ดังรูป 6.12

 

                                            รูป 6.11 ผลของตัวเร่งปฏิกิริยาต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี

 รูป 6.12 เปรียบเทียบจำนวนโมเลกุลที่มีพลังงานสูงกว่าพลังงานก่อกัมมันต์ในกรณีที่มีและไม่มีตัวเร่งปฏิกิริยา

 

ในปฏิกิริยาที่มีตัวเร่งปฏิกิริยาอยู่นั้น เมื่อปฏิกิริยาสิ้นสุดแล้ว สมบัติของตัวเร่งปฏิกิริยาจะเป็นอย่างไร ศึกษาได้จากการทดลองต่อไปนี้

 

การทดลอง 6.6 สมบัติของตัวเร่งปฏิกิริยา

1.               ใส่โซเดียมโพแทสเซียมทาร์เทรด 0.5 g ในหลอดทดลองขนาดกลาง เติมน้ำเดือด 5 \displaystyle cm^3 เขย่าจนสารละลายหมด แล้วแบ่งสารละลายครึ่งหนึ่งใส่ในหลอดทดลองขนาดกลางอีกหลอดหนึ่ง

2.               เติมสารละลายไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์เข้มข้นร้อยละ 6 จำนวน 3 \displaystyle cm^3 ลงในแต่ละหลอดพร้อมกัน

3.               เติมสารละลายโคบอลต์ (II) คลอไรด์ 0.1 \displaystyle mol/dm^3 2-3 หยด ลงในหลอดทดลองที่ 1

4.               เขย่าหลอดทดลองทั้งสองเบา ๆ ตลอดเวลาสังเกตการณ์เปลี่ยนแปลง

 

          -ในขณะที่ปฏิกิริยากำลังดำเนินไป โคบอลต์ (II) คลอไรด์ มีการเปลี่ยนแปลงหรือไม่ อย่างไร

          - การทดลองนี้สรุปผลได้ว่าอย่างไร

 

          สารละลายโคบอลต์ (II) คลอไรด์มีสีชมพู ขณะเกิดปฏิกิริยาจะเปลี่ยนเป็นสีเขียวและเมื่อปฏิกิริยาสิ้นสุดลงจะกลับเป็นสีชมพูเหมือนเดิมแสดงว่าขณะที่ปฏิกิริยาดำเนินไปตัวเร่งปฏิกิริยาจะเข้าไปมีส่วนร่วมในปฏิกิริยาด้วยโดยเปลี่ยนแปลงเป็นสารอื่นชั่วขณะหนึ่ง แต่เมื่อปฏิกิริยาสิ้นสุดแล้วจะกลับมาเป็นสารเดิม การที่จะทราบว่าตัวเร่งปฏิกิริยาเข้าไปมีส่วนร่วมในปฏิกิริยาอย่างไรนั้นจะได้ศึกษาในขั้นสูงต่อไป

          ตัวเร่งปฏิกิริยามีประโยชน์มากทั้งในชีวิตประจำวันและในกระบวนการอุตสาหกรรม เช่น การย่อยอาหารในร่างกายใช้เอนไซม์หลายชนิดเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาการผลิตแอมโมเนียใช้เหล็กเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในกระบวนการเติมไฮโดรเจนแก่สารอินทรีย์ใช้นิกเกิลเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาและในกระบวนการแตกสลายไฮโดรคาร์บอนในการกลั่นน้ำมันใช้ซิลิคอนไดออกไซด์และอะลูมิเนียมออกไซด์เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา การใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อช่วยให้ปฏิกิริยาเกิดเร็วขึ้น ต้องคำนึงถึงปัจจัยหลายอย่าง เช่น ความปลอดภัย ความยากง่ายในการแยกตัวเร่งปฏิกิริยาออกจากผลิตภัณฑ์ และราคาของตัวเร่งปฏิกิริยา

          สำหรับตัวหน่วงปฏิกิริยา นอกจากโซเดียมฟลูออไรด์ซึ่งเป็นตัวหน่วงปฏิกิริยาระหว่างกรดแอซีติกับแคลเซียมคาร์บอเนตจากเปลือกไข่แล้ว ยังมีสารอื่นอีกที่ทำหน้าที่เป็นตัวหน่วงปฏิกิริยา เช่น ปฏิกิริยาการสลายตัวของไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ได้น้ำและแก๊สออกซิเจนดังสมการ

           \displaystyle 2H_2 O_2 (l) \to 2H_2 O(l) + O_2 (g)

          เมื่อเติมกรดไฮโดรคลอริกเจือจางหรือกลีเซอรอลลงไปเล็กน้อย จะทำให้ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์สลายตัวได้ช้าลง

          จากผลการทดลอง 6.1-6.5 และความรู้ที่ได้ศึกษามาแล้ว สามารถสรุปปัจจัยที่มีผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีได้ดังนี้

1.               ปฏิกิริยาเคมีส่วนใหญ่ เมื่อเพิ่มความเข้มข้นของสารตั้งต้นปฏิกิริยาจะเกิดเร็วขึ้น และเมื่อลดความเข้มข้นของสารตั้งต้นปฏิกิริยาจะเกิดช้าลง

2.               สารที่มีพื้นที่ผิวมากจะเกิดปฏิกิริยาเคมีได้เร็วกว่าสารที่มีพื้นที่ผิวน้อย

3.               การเพิ่มอุณหภูมิจะทำให้ปฏิกิริยาเกิดเร็วขี้นและการลดอุณหภูมิจะทำให้ปฏิกิริยาเกิดช้าลง

4.               ตัวเร่งปฏิกิริยาจะทำให้ปฏิกิริยาเคมีเกิดเร็วขึ้นและตัวหน่วงปฏิกิริยาจะทำให้ปฏิกิริยาเคมีเกิดช้าลง