|
อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี
การเกิดปฏิกิริยาเคมี เป็นการเปลี่ยนแปลงของสารที่ได้ผลิตภัณฑ์ของสารที่แตกต่างจากสารเดิมโดยอาจ สังเกตจากการเปลี่ยนสีของสาร การเกิดตะกอน หรือการเกิดกลิ่นใหม่
ทฤษฎีที่ใช้อธิบายปฏิกิริยาเคมี มีอยู่ 2 ทฤษฎี คือ
1. ทฤษฎีการชน (The Collision Theory) ปฏิกิริยาเคมีจะเกิดขึ้นได้ ก็ต่อเมื่ออนุภาคของสารตั้งต้นต้องมาปะทะกันหรือมาชนกัน และการชนกันนั้นมีทั้งการชนที่ประสบผลสำเร็จ ดังภาพ
แบบจำลองการเกิดปฏิกิริยาเคมีตาม ทฤษฎีการ
2. ทฤษฎีแอกติเวเตดคอมเพลกซ์หรือทฤษฎีสภาวะทรานซิชัน (The Activated Complex Theory or The Transition State Theory) เป็น ทฤษฎีที่ดัดแปลงมาจากทฤษฎีการชน โดยทฤษฎีนี้จะกล่าวถึงการชนอย่างมีประสิทธิภาพของสารตั้งต้นในลักษณะที่ เหมาะสม โดยจะเกิดเป็นสารประกอบใหม่ชั่วคราว ที่เรียกว่า สารเชิงซ้อนกัมมันต์ (Activated Complex) ซึ่งในระหว่างการเกิดสารชนิดนี้พันธะเคมีของสารตั้งต้นจะอ่อนลง และเริ่มมีการสร้างพันธะใหม่ระหว่างคู่อะตอมที่เหมาะสม จนในที่สุดพันธะเก่าจะถูกทำลายลงอย่างสิ้นเชิง และจะมีพันธะใหม่ถูกสร้างขึ้นมาแทนที่ ดัง แบบจำลองการเกิดปฏิกิริยาเคมีต่อไปนี้
แบบจำลองการเกิดปฏิกิริยาเคมีตาม ทฤษฎีแอกติเวเตดคอมเพลกซ์
พลังงานกับการเกิดปฏิกิริยา
ในการเกิดปฏิกิริยาของสารแต่ละปฏิกิริยานั้น ต้องมีพลังงานเข้ามาเกี่ยวข้องกับการเกิดปฏิกิริยาเคมี 2 ขั้นตอน ดังนี้
ขั้นที่ 1 เป็นขั้นที่ดูดพลังงานเข้าไปเพื่อสลายพันธะในสารตั้งต้น
ขั้นที่ 2 เป็นขั้นที่คายพลังงานออกมาเมื่อมีการสร้างพันธะในผลิตภัณฑ์
ดังนั้นการเกิดปฏิกิริยาเคมีจะเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงพลังงาน ดังนี้
1. ปฏิกิริยาดูดความร้อน ( Endothermic reaction) เป็นปฏิกิริยาที่ดูดพลังงานเข้าไปสลายพันธะมากกว่าที่คายออกมาเพื่อสร้าง พันธะ โดยในปฏิกิริยาดูดความร้อนนี้สารตั้งต้นจะมีพลังงานต่ำกว่าผลิตภัณฑ์ จึงทำให้สิ่งแวดล้อมเย็นลง อุณหภูมิลดลง เมื่อเอามือสัมผัสภาชนะจะรู้สึกเย็น ดังภาพ
2. ปฏิกิริยาคายความร้อน ( Exothermic reaction) เป็นปฏิกิริยาที่ดูดพลังงานเข้าไปสลายพันธะน้อยกว่าที่คายออกมาเพื่อสร้าง พันธะ โดยในปฏิกิริยาคายความร้อนนี้สารตั้งต้นจะมีพลังงานสูงกว่าผลิตภัณฑ์ จึงให้พลังงานความร้อนออกมาสู่สิ่งแวดล้อม ทำให้อุณหภูมิสูงขึ้น เมื่อเอามือสัมผัสภาชนะจะรู้สึกร้อน ดังภาพ
............
แผนภูมิพลังงานของปฏิกิริยาดูดความร้อน .......แผนภูมิพลังงานของปฏิกิริยาคายความร้อน
อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี
อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี หมายถึง ปริมาณสารตั้งต้นที่หายไปต่อหนึ่งหน่วยเวลา หรือปริมาณผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นต่อหนึ่งหน่วยเวลา
เมื่อพิจารณาจากปฏิกิริยาต่อไปนี้
A + 2B -------------> C ………..(1)
ในขณะที่ปฏิกิริยาดำเนินไป สาร A และสาร B เป็นสารตั้งต้นถูกใช้ไปดังนั้นความเข้มข้นของสาร A และ B จะลดลง ส่วนความเข้มข้นของสาร C ซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์จะเพิ่มขึ้น จากปฏิกิริยา (1) จะพบว่าอัตราการลดลงของสาร A เป็นครึ่งหนึ่งของการลดลงของสาร B
ดังนั้นเมื่อเขียนความสัมพันธ์ระหว่างอัตราการเกิดปฏิกิริยาในรูปของสารต่างๆ จะต้องคิดต่อ 1 โมลของสารนั้น ซึ่งสามารถเขียนได้ดังนี้
อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี = ปริมาณของสารตั้งต้นที่ลดลง/ เวลา
= ปริมาณของสารผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้น / เวลา
อัตราเร็วเฉลี่ย หมายถึง อัตราเร็วโดยเฉลี่ย ตั้งแต่เริ่มต้น จนปฏิกิริยาเกิดขึ้นในช่วงเวลาหนึ่ง เช่น อัตราเร็วเฉลี่ยในช่วง 10 วินาที ( หาได้จากการทดลอง)
อัตราเร็ว ณ เวลาหนึ่ง หมายถึง อัตราเร็วของปฏิกิริยาที่ตำแหน่งใดตำแหน่งหนึ่ง เช่น อัตราเร็ว ณ 10 วินาที ( หาจากค่าความชันของกราฟระหว่างปริมาณสารกับเวลา)
ปัจจัยที่มีผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยา
1. ความเข้มข้นของสารตั้งต้น กรณีที่สารตั้งต้นเป็นสารละลาย ถ้าสารตั้งต้นมีความเข้มข้นมากจะเกิดเร็ว เนื่องจากตัวถูกละลายมีโอกาสชนกันมากขึ้นบ่อยขึ้น ในทางตรงกันข้ามถ้าเราเพิ่มปริมาตรของสารละลายโดยความเข้มข้นเท่าเดิม อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะเท่าเดิม
2. พื้นที่ผิวสัมผัส กรณีที่สารตั้งต้นมีสถานะเป็นของแข็ง สารที่มีพื้นที่ผิวสัมผัสมากจะทำปฏิกิริยาได้เร็วขึ้น เนื่องจากสัมผัสกันมากขึ้น ใช้พิจารณากรณีที่สารตั้งต้นมีสถานะของแข็ง ดังภาพ
ความแตกต่างของ พื้นที่ผิว
3. ความดัน กรณีที่สารตั้งต้นมีสถานะเป็นก๊าซ ถ้าความดันมากปริมาตรก็ลดลง และปฏิกิริยาก็จะเกิดได้เร็ว เนื่องจากอนุภาคของสารมีโอกาสชนกันมากขึ้นบ่อยขึ้นในพื้นที่ที่จำกัดนั่นเอง ดังภาพ
4. อุณหภูมิ การที่อุณหภูมิของสารตั้งต้นเพิ่มขึ้นอัตราการเกิดปฏิกิริยาจะเพิ่มขึ้น เนื่องจากเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น โมเลกุลของสารในระบบจะมีพลังงานจลน์สูงขึ้นและมีการชนกันของโมเลกุลมากขึ้น
ปฏิกิริยาที่อุณหภูมิต่ำ ปฏิกิริยาที่อุณหภูมิสูง
5. ตัวเร่งปฏิกิริยา (Catalyst) หมายถึงสารเคมีที่ช่วยทำให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาเร็วขึ้นเนื่องจากตัวเร่ง จะช่วยในการลดพลังงานกระตุ้นโดยช่วยปรับกลไกในการเกิดปฏิกิริยาให้เหมาะสม กว่าเดิม โดยจะเข้าไปช่วยตั้งแต่เริ่มปฏิกิริยาแต่เมื่อสิ้นสุดปฏิกิริยาจะ กลับมาเป็นสารเดิม
6. ธรรมชาติของสาร เนื่องจากสารมีแรงยึดเหนี่ยวซึ่งแตกต่างกัน โดยปกติสารประกอบไอออนิกจะเคลื่อนที่ได้เร็วกว่าสารประกอบโควาเลนต์ ดังนั้นสารประกอบไอออนิกจะเกิดปฏิกิริยาเร็วกว่าสารประกอบโควาเลนต์
กลไกการเกิดปฏิกิริยา
- ปฏิกิริยาเคมีโดยทั่วไปไม่ได้เกิดขึ้นในขั้นตอนเดียว (single step) ตามสมการเคมี แต่จะเกิดขึ้นเป็นขั้นย่อยๆที่เรียกว่า Elememtary reaction
- Elementary reaction คือ ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในขั้นตอนเดียว และอันดับของปฏิกิริยาจะเท่ากับจำนวนโมเลกุลอะตอมของสารตั้งต้นที่เข้าทำปฏิกิริยาดังนั้น อันดับปฏิกิริยาของ Elememtary reaction จึงเรียกว่า molecularityElementary reaction ที่มี molecularity เป็น 1 เรียกว่า umimolecular reaction
2 เรียกว่า bimolecular reaction
3 เรียกว่า termolecular reaction
ตัวอย่างของ umimolecular reaction เช่น ปฏิกิริยา isomerization ของ cyclopropane ไปเป็น propane
โดยปกติแล้ว กฎอัตรา จะหาได้จากการทดลองเท่านั้น แต่ถ้าปฏิกิริยานั้นเป็น single step reaction หรือเป็น elementary reaction กฎอัตราสามารถดูได้จากสมการเคมีที่ดุลแล้ว
- Elementary reaction ที่มี molecularity มากกว่า 2 เกิดขึ้นได้ยากมาก ดังนั้นปฏิกิริยาใดที่มี molecularity ตั้งแต่ 2 ขึ้นไป น่าจะไม่ใช่ elementary reaction เช่น 2NO(g) + F2(g) ® 2ONF(g)
มี rate law จากการทดลองเป็นดังนี้
rate = k[NO][F2]
จึงมีอันดับรวมปฏิกิริยาเป็น 2 สามารถเขียนการเกิดปฏิกิริยาเป็นปฏิกิริยาย่อยที่เป็น elementary reaction ได้ 2 ขั้นดังนี้ คือ
NO + F2 ® ONF + F มี rate = k1[NO][F2] เกิดช้า (1)
NO + F ® ONF มี rate = k2[NO][F] เกิดเร็ว (2)
F ไม่พบในปฏิกิริยารวม เรียกว่า intermediate ซึงหมายถึงสารที่ไม่เสถียร ที่เกิดขึ้นเพียงชั่วขณะหนึ่งเท่านั้นในปฏิกิริยาแล้วเปลี่ยนไปเป็นสารอื่นอย่างรวดเร็ว
จากปฏิกิริยาพบว่า F เกิดช้าในขั้นที่ 1 แต่ใช้ไปอย่างรวดเร็วในขั้นที่ 2 ดังนั้นปฏิกิริยารวมจะเกิดเร็วหรือช้าขึ้นอยู่กับขั้นที่ 1 เรียกว่าขั้นกำหนดอัตรา
ขั้นกำหนดอัตรา (rate determining step) คือ ขั้นที่ช้าที่สุดของปฏิกิริยาเคมี เป็นขั้นที่ใช้ตัดสินว่าปฏิกิริยารวมเกิดขึ้นช้าหรือเร็วเพียงใด
ดังนั้นจากปฏิกิริยาที่ยกตัวอย่าง อัตราการเกิดปฏิกิริยารวมจึงขึ้นอยู่กับขั้นตอนที่ 1 rate law ของปฏิกิริยารวมที่ได้จากการทดลองจึงเขียนเหมือนขั้นตอนที่ 1
โดยทั่วไปแล้วสมการเคมีจะบอกไม่ได้ว่าปฏิกิริยาเกิดขึ้นขั้นตอนเดียวหรือมากกว่า
ปฏิกิริยาเคมีในชีวิตประจำวัน
รอบๆ ตัวเราและในร่างกายเรามีปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้นอยู่ตลอดเวลา ปฏิกิริยาเคมีเกิดจากกระบวนการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของสารต่างๆ มีผลให้พลังงานของระบบเปลี่ยนไป และให้ผลิตภัณฑ์หรือสารใหม่เกิดขึ้น ปฏิกิริยาเคมีบางชนิดเกิดขึ้นเอง แต่บางชนิดต้องได้รับพลังงานจำนวนหนึ่งก่อนจึงจะเกิดปฏิกิริยาได้ ปฏิกิริยาเคมีหลายชนิดสามารถนำมาใช้ประโยชน์ในชีวิตประจำวัน ในอุตสาหกรรม เกษตรกรรมและทางการแพทย์ ในขณะเดียวกันปฏิกิริยาบางชนิดก็ให้ผลลบต่อสิ่งแวดล้อมและชีวิตของมนุษย์เอง ปฏิกิริยาเคมีแต่ละชนิดมีอัตราการเกิดปฏิกิริยาที่แตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับปัจจัยหลัก 5 ประการ ได้แก่ ความเข้มข้น พื้นที่ผิว อุณหภูมิ ตัวเร่งปฏิกิริยา และธรรมชาติของสาร ผลของปัจจัยดังกล่าวสามารถหาได้จากการทดลอง การที่มนุษย์สามารถปรับเปลี่ยนและควบคุมปัจจัยต่างๆ ดังกล่าวได้ ทำให้มนุษย์สามารถใช้ประโยชน์จากปฏิกิริยาได้อย่างกว้างขวาง
สาร ต่าง ๆ ในโลก รวมทั้งสิ่งของเครื่องใช้ต่าง ๆ ล้วนแต่เป็นผลผลิตที่เกิดจากการทำปฏิกิริยาเคมีของสารที่มีอยู่บนพื้นโลก เกือบทั้งสิ้น เมื่อเราทราบวิธีการเกิดปฏิกิริยาเคมีแล้ว เราก็สามารถนำความรู้มาใช้ในการสร้างผลิตภัณฑ์ต่าง ๆ และป้องกันการเกิดปฏิกิริยาเคมีที่ไม่ต้องการกับสิ่งต่าง ๆ ในชีวิตประจำวัน เพื่อรักษาสภาพของสิ่งนั้นให้สามารถใช้งานได้นานขึ้น
1.ผลผลิตจากปฏิกิริยาเคมี
จากการเกิดปฏิกิริยาเคมีต่าง ๆ สามารถนำผลที่เกิดจากปฏิกิริยาเคมีมาประยุกต์ใช้ให้เกิดประโยชน์ ดังนี้
1.1โซดาไฟ
โซดาไฟสามารถนำมาทำความสะอาดพื้น เช่น พื้นห้องน้ำ ซึ้งจะเกิดปฏิกิริยาดังสมการ
โซเดียม + น้ำ --------------> โซเดียมไฮดรอกไซด์ (โซดาไฟ)
1.2 โซดาซักผ้า
สามารถนำมาใช้ในการซักผ้า ซึ่งเรียกว่า โซดาซักผ้า ที่เกิดปฏิกิริยาดังสมการ
โซเดียมคลอไรด์ + หินปูน --------------> โซเดียมคาร์บอเนต (โซดาซักผ้า)
1.3 สารที่ใช้ถลุงโลหะ (แคลเซียมออกไซด์)
สารที่ใช้ถลุงดลหะส่วนใหญ่นิยมใช้ในการอุตสาหกรรมถลุงแร่ ซึ่งเกิดปฏิกิริยา ดังสมการ
หินปูน ---------------------> แคลเซียมออกไซด์
1.4 การเผาแก้ว
มนุษย์นำแก้วมาผลิตเป็นเครื่องใช้ต่าง ๆ เช่น แก้ว จาน และขวดต่าง ๆ เป็นต้น เกิดปฏิกิริยาดังสมการ
ทราย + แคลเซียมออกไซด์ + โซเดียมคาร์บอเนต --------------------> แก้ว
1.5 สบู่
ในปัจจุบันมนุษย์นำสบู่มาใช้ทำความสะอาดร่างกาย เพื่อล้างเหงื่อไคลและฆ่าเชื้อโรค เกิดปฏิกิริยาดังสมการ
ไขมัน + โซเดียมไฮดรอกไซด์ -----------------> สบู่
1.6 พลาสติก
พลาสติก เป็นสารสังเคราะห์ที่นำมาใช้ทำวัสดุเพื่อทดแทนวัสดุสิ้นเปลือง ต่าง ๆ ซึ่งแพร่หลายมากที่สุดโดยนำพลาสติกมาใช้ในการก่อสร้างบ้านเรือนและเครื่อง ใช้ต่าง ๆ โดยมีการเกิดปฏิกิริยาเคมี ดังนี้
1) ถ่านหิน + แก๊สธรรมชาติ ---------------> สไตรีน
เราสามารถนำสไตรีนมาประยุกต์ใช้ทำโฟม อุปกรณ์ไฟฟ้า เลนส์ จาน ชาม
2) เกลือแกง + แก๊สธรรมชาติ ----------------> ไวนิลคลอไรด์
ไวนิลคลอไรด์ สามารถนำมาใช้ทำสิ่งของเครื่องใช้ต่าง ๆ ได้แก่ กระเป๋า เสื้อกันฝน รองเท้า สายยาง และฉนวนหุ้มสายไฟฟ้า เป็นต้น
3) ถ่านโค้ก + หินปูน -----------------> ไวนิลอะซีเตต
ไวนิลอะซีเตต สามารถนำมาใช้ทำกาว และทำสี
1.7 เรยอง
เรยอง เป็นเส้นใยที่สังเคราะห์ขึ้น นิยมใช้ในอุตสาหกรรม เกิดจากปฏิกิรยา ดังสมการ
เยื่อไม้ + โซเดียมไฮดรอกไซด์ ---------------> เรยอง
1.8 อุตสาหกรรมปุ๋ย
ปุ๋ยที่สังเคราะห์ขึ้น เช่น ปุ๋ยไนโตรเจน เกิดปฏิกิริยา ดังสมการ
แอมโมเนีย + กรดซัลฟิวริก ------------> แอมโมเนียมซัลเฟต
แอมโมเนีย + คาร์บอนไดออกไซด์ -----------------> ยูเรีย
2. ปฏิกิริยาเคมีกับสิ่งมีชีวิตและสิ่งแวดล้อม
โดยทั่วไปสารเคมีที่ปนเปื้อนอยุ่ในสิ่งแวดล้อมมีอยู่หลายชนิดที่อาจก่อ ให้เกิดมลพิษกับสิ่งแวดล้อม เช่น สารเคมีปราบศัตรูพืช วัสดุอนินทรีย์ ผงซักฟอก เป็นต้น
3.การป้องกันการสึกกร่อนของโลหะ
จากความรู้เรื่องปฏิกิริยาเคมีและผลของปฏิกิริยาเคมี ทำให้เราทราบการเกิดปฏิกิริยาเคมีของสารและผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากปฏิกิริยา เคมี ดังนั้นเราสามารถนำความรู้เรื่องปฏิกิริยาเคมีมาประยุกต์ใช้ประโยชน์ใน เรื่องการสึกกร่อนของโลหะ โดยสามารถนำมาแก้ปัญหาเกี่ยวกับวัสดุอุปกรณ์สิ่งของเครื่องใช้ ยานพาหนะที่ทำด้วยเหล็ก หรือมีเหล็กเป็นส่วนประกอบ ซึ่งมักจะเกิดสนิม และเหล็กจะสูญเสียความแข็งแรง ตลอดจนทำให้รูปร่างของวัสดุอุปกรณ์หรือสิ่งของเครื่องใช้นั้นเปลี่ยนแปลงรูป ร่าง หรือเกิดการหักพังกลายเป็นสิ่งที่ไม่มีประโยชน์ เหล็กเป็นโลหะที่ทำปฏิกิริยากับสารต่าง ๆ ได้ง่าย เช่น ทำปฏิกิริยากับแก็สออกซิเจน ซึ่งมีวิธีป้องกันหลายวิธี
วิธีป้องกันการเกิดสนิม
1.วิธีป้องกันสนิมหรือทำให้เกิดสนิมช้าลง ก็คือ ทาสิ่งป้องกันไม่ให้เหล็กสัมผัสกับแก๊สออกซิเจนและน้ำ
2.วิธีเคลือบเหล็กด้วยโลหะบางชนิด เช่น การเคลือบเหล็กด้วยสังกะสี (Galvanize) เป็นเหล็กที่มีราคาแพง ส่วนใหญ่ใช้ในวงการอุตสาหกรรมผลิตรถยนต์
3.การผสมเหล็กกับโลหะอื่น เช่น ผสมกับโครเมียม เรียกว่า เหล็กกล้า (stainless) ซึ่งมีคุณสมบัติไม่เป็นสนิม
แหล่งข้อมูล :
www.muslimthai.comwww.electron.rmutphysics.com
www.sci.nu.ac.th
www.nmt.ac.t
Happy New Year!!
ตอบลบNew Year's 2011 Fireworks Celebrations Around the World
http://fireworks2011.blogspot.com/
Demo on YouTube
http://youtu.be/yiPvT_nhHt8?hd=1