Rate Of Reaction

ในบทนี้ผมขอสรุปเป็นเนื้อหาเด่นๆดีกว่านะครับ เพราะโดยเนื้อหาบทนี้มันเป็น concept ดี

อัตราการเกิดปฏิกริยาเคมีคืออะไร

คือปริมาณสารตั้งต้น ที่ลดลง หรือ ปริมาณของproducts ที่เพิ่มขึ้นในหนึ่งหน่วยเวลา

A + B -------> C + D

ให้ r คือ rate of reaction (อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี) จะได้ว่า

r = ปริมาณที่ลดลงของ A หรือ B / เวลา <----- มองที่สารตั้งต้น(ractants)
หรือ
r = ปริมาณที่เพิ่มขึ้นของ C หรือ D / เวลา <------ มองที่products

ทีนี้ลองดูปฏิกิริยานี้
2A + B ------> 3C
จะได้ว่า
อัตราการลดลงของ A (r_a) = ปริมาณ A ที่ลดลง / เวลา
อัตราการลดลงของ B (r_b) = ปริมาณ B ที่ลดลง / เวลา
อัตราการเพิ่มของ C (r_c) = ปริมาณ C ที่เพิ่มขึนหรือเกิดขึ้น / เวลา
อัตราการเพิ่มของ D (r_d) = ปริมาณ D ที่เพิ่มขึนหรือเกิดขึ้น / เวลา
ดังนั้นจะได้ว่า
อัตราการเกิดปฏิกิริยา (r) = 1/2 (r_a) = r_b = 1/2 (r_c) = 1/3 (r_d)
นั่นก็คือ จากสมการของความสัมพันธ์ข้างบน แปลว่า ถ้าเรารู้อัตราการเกิด หรือ ลด ของสารใดสารหนึ่ง เราสามารถคำนวณหา อัตราการเกิดปฏิกิริยาได้ ดังนั้นแล้วจึงมีการนำเอาเลขโมลข้างหน้าสารในสมการเคมี "มาหารอัตราการเกิด(ลด) ของสารแต่ละตัวของใครของมัน" ดังนั้นเลขโมลจึงเปรียบเหมือน conversion factor (ตัวเปลี่ยนค่า) ที่ใช่เปลี่ยน อัตราการเกิด(ลด) ของสาร ไปเป็น อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี ในที่นี้ เลขโมลหน้า B เท่ากับ 1 จึงสรุปว่า อัตราการลดลงของ B ก็คือ อัตราการเกิดปกิริยานั่นเอง

การวัดอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี
- จะวัดอย่างไงขึ้นอยู่กับความง่ายในการวัด
- ชั่งมวลดูว่าเพิ่ม/ลด เท่าไหร่ภายในเวลาที่กำหนด
- วัดปริมาตรที่เพิ่มขึ้น ถ้าปฏิกิริยา มี gas เกิดขึ้น
- วัดปริมาตรที่ลดลง ถ้าปฏิกิริยา มี gas เป็นสารตั้งตน และ productsที่ได้ไม่ใช่ gas
- สำหรับระบบที่มี gas นอกจากวัด ปริมาตร เรายังวัด ความดัน ที่เกิดขึ้น หรือ ลดลงได้ แทนการวัดปริมาตร ซึ่งในบางครั้งทำได้ง่ายกว่า
- วัดสี หากปฏิกิริยาเป็นปฏิกิริยาที่มีสีเกี่ยวข้อง หมายความว่าเราอาจวัดการลดลง หรือ เพิ่มขึ้นของสีได้

แล้วสารมันทำปฏิกิริยาได้อย่างไงล่ะหาาา

ก็มีคนเก่งได้ตั้ง theory ไว้อธิบายให้เราได้เห็นภาพ ถึง 2 theories

1) Collision theory ( ทฤษฎี การชนกัน)
theory นี้บอกว่า โมเลกุลของสารต้องมีการเคลื่อนที่นะ แล้วเคลื่อนที่มาชนกันด้วย ดังนั้นจึงมี 2 ปัจจัยหลัก ที่ควบคุมเหตุการณ์นี้อยู่
1.1) พลังงานจลน์ ของอนุภาค ต้องมากพอที่จะขับเคลื่อน ให้อนุภาคของสารเคื่อนที่แล้วชนกันเกิดพลังงานศักย์มากพอที่จะ สลายพนธะเก่าแล้วสร้างพัธะใหม่ (เกิดปฏิกิริยานั่นเอง)
1.2) ทิศทางการชนกัน ต้องชนกันในทิศทางที่เหมาะสม จึงจะเกิดปฏิกิริยา
*ดังนั้นสรุปได้ว่า ถ้าว่าด้วยหลังของทฤษฎีการชนกัน อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีจะขึ้นกับ
- ความถี่ในการชนกัน
- % การชนกันของอนุภาคที่เป็นผลสำเร็จ (ชนแล้วเกิดproduct)
เพื่อความเข้าใจทฤษฎี นี้อย่างสมบูรณ์ จึงมีการใช่เรื่องของ activation energy ( พลังงานกระตุ้น) มาช่วยอธิบาย
*** จึงกล่าวว่า การชนกันต้องเกิดพลังงานศักย์ค่าหนึ่งอย่างน้อยสุดต้องเท่า พลังงานกระตุ้นจึงจะเกิดปกิกิริยา***

เมื่อเราใช่ activation energy มาร่วมพิจรณา จึงสรุปได้ว่า อัตราปฏิกิริยาขึ้นกับ

1. พลังงานกระตุ้น (E_a) ซึ่งถ้า E_a มีค่ายิ่งน้อย ปฏิกิริยาจะยิ่งเกิดง่าย ( the less the better)
2. จำนวนอนุภาคที่มีพลังงานสูงพอที่จะทำให้เกิดการชนกันแล้วได้พลังงานเท่า E_a

2) Activated Complex Theory หรือ Transition State Theory

ทฤษฎีนี้บอกว่า อนุภาค หรือ โมเลกุลของสารจะเคลื่อนที่มาอยู่ใกล้กันแล้วรวมตัวเกิดป็น activated complex (สารประกอปเชิงซ้อนที่ถูกกระตุ้น) ที่ไม่อยู่ตัว(stable)พร้อมจะเปลี่ยนแปลงกลับ ไปเป็น สารตั้งต้นอย่างเดิม หรือ เปลี่ยนแปลงต่อไปเกิดเป็น products ขึ้นอยู่กับว่า activated complex นั้นมีพลังงานสูงพอ อย่างน้อยเท่ากับ E_a หรือไม่

ค่า E_a กับ ปฏิกิริยาหลายขั้นตอน

ก่อนอื่นเราต้องรู้จัก กลไกลของปฏิกิริยาก่อน
4Hbr_(g) + O_2(g) -------> 2H₂O_(l) + 2Br_(g) ---------(1)

Hbr + O₂ -----> HOOBr -----(2) เกิดช้า
HOOBr + Hbr -----> 2HOBr -----(3) เกิดเร็ว
HOBr + HBr -----> H₂O + Br₂ -----(4) เกิดเร็ว

เมื่อดูที่ (1) จะเกิดได้ต้องหมายความว่า โมเลกุลทั้ง 5 ต้องมาชนพร้อมๆกันพอดี ซึ่งเป็นไปได้ยากมาก แต่ปฏิกิริยาเกิดขึ้นได้ เพราะมันมีการชนกันเป็นขั้นๆ ซึ่ง (2), (3), (4) เป็น ปฏิกิริยาย่อยของ (1) ซึ่งทั้ง 3 ปฏิกิริยาย่อย เป็นปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นจาก การชนกันของ 2 อนุภาคเท่านั้น และสำหรับปฏิกิริยาหลายขั้นตอนแบบนี้ ความเร็วของอัตราการเกิดปฏิกิริยา ขึ้นกับ ปฏิกิริยาย่อยที่เกิดช้าสุดเรียกว่า rate limiting step สำหรับสมการข้างบน (2) เป็น เป็น rate limiting step ( ขั้นตอนกำหนดอัตรา) ดังนั้น E_a ของ (1) จึงเท่ากับ E_a ของ (2)

ปัจจัยที่มีผลต่อปฏิกิริยาเคมี

1. ธรรมชาติของสาร
2. ความเข้มข้นของสารตั้งต้น
3. พื้นที่ผิว
4. อุณหภูมิ
5. ความดัน การเพิ่มความดันในระบบที่มี gas ก้เป็นการเพิ่มความเข้มข้นนั้นเอง
6. ตัวเร่ง และตัวหน่วง ปฏิกิริยา มันจะไปลด / เพิ่ม E_aของปฏิกิริยา

ผมขอเลือกพูดแต่ตัวที่มีเนื้อหามากแล้วกันนะครับ ตัวอื่นน้องๆคงอ่านกันเองได้โดยง่าย

ผลของความเข้มข้นของสารตั้งต้นที่มีต่อ r

- อัตราของปฏิกิริยา(r) อาจขึ้นกับ ความเข้มข้น [] ของสารตั้งต้นทุกตัวหรือ ตัวใดตัวหนึ่งก้ได้
- ในบางปฏิกิริยา r ก้ไม่ขึ้นกับ [] ของสารตั้งต้นเลย เช่นในสภาวะที่มีสารตั้งต้นในปริมาณมากๆๆๆเกินพอ

กฏอัตรา และ ค่าคงที่ของอัตรา

nA + mB -----> C

r = K[A]ⁿ[B]^m

เมื่อ
K = rate constant , คงที่ ณ temp หนึ่งๆ อาจเรียกว่า specific constant ก็ได้
n และ m เป็นค่าที่หาได้จากการทดลอง แต่ในบางกรณี n และ m มีค่าเท่ากับเลขโมลหน้าสารในสมการที่ดุลแล้ว
แต่!!!!!!!!!!!!!!!!!!
ในปฏิกริยาหลายขั้นตอน ค่า n และ m มีค่าไม่เท่ากับเลขโมลหน้าสาร เพราะ r ขึ้นกับ ปฏิกิริยาที่เกิดช้าสุด เช่น

2NO + 2H₂ -----> N₂ + 2H₂O ----- (1)
มี 2 ขั้นตอน
2NO + H₂ -----> N₂ + H₂O₂ -----(2) เกิดช้า
H₂O₂ + H₂ -----> 2H₂O ----- (3) เกิดเร็ว
ฉนั้น
r = K[NO]²[H₂]
ไม่ใช่
r = K[NO]²[H₂]²
ดังนั้นในกรณีแบบนี้ n และ m เป็นค่าที่หาได้จากการทดลองเท่านั้น

การที่เพิ่ม [ ] ของสารตั้งต้นแล้วทำให้ r เพิ่ม เพราะ เมื่อ [ ] เพิ่ม อนุภาคของสารจะมากขึ้น มีอนุภาคพลังงานสูงมากขึ้น เป็นการเพิ่ม % การชนกัน และความถี่ในการชนกันนั่นเอง

ผลของพื้นที่ผิว

- จะมีผลกับปฏิกิริยาเนื้อผสมเท่านั้น เช่า gas กับของแข็ง, ของเหลวกับของแข็ง
- ถ้าเราเพิ่ม พ.ท ผิว โดยการบดของแข็งให้ละเอียด หรือ ตีมันให้เป็นแผ่นบางลง ไม่ใช่โดยการเพิ่มปริมาณ จะทำให้ ปฏิกิริยาเกิดเร็วขึ้น และสิ้นสุดเร็วขึ้น ได้ products เท่าเดิม เมื่อเทียบกับยังที่ไม่ได้บด
- ถ้าเพิ่ม พ.ท. ผิว โดยเพิ่ม ปริมาณ ปฏิกิริยาเกิดเร็วขึ้นพร้อมทั้ง ได้ product เพิ่งขึ้นด้วย
- การเพิ่ม พ.ท. ผิวก็คือการเพิ่มความถี่ในการชนกันนั้นเอง

ผลของ temperature

- การเพิ่ม Temp เป็นการเพิ่มพลังงานจลน์ให้แก่อนุภาค ทำให้อนุภาคเคลื่อนที่เร็วขึ้น จึงเพิ่มโอกาศการชนกัน แต่!!!! นี่ไม่ใช่เหตุผมหลักนะครับ
- การเพิ่ม Temp เป็นการเพิ่มจำนวนอนุภาคพลังงานสูง ที่เมื่อชนกันแล้วเกิดผลสำเร็จ ได้ พลังงานศักย์ = พลังงานกระตุ้น คือเกิดปฏิกิริยา นี่เป็นเหตุผลหลักครับ

-------------------THE END--------------------