บทเรียนที่ 2 ปัจจัยที่มีผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยา

ปัจจัยที่มีผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี

ปฏิกิริยาต่างๆจะเกิดเร็วหรือช้า ขึ้นอยู่กับสิ่งต่อไปนี้

• ธรรมชาติของสาร
• ความเข้มข้นของสาร
• พื้นที่ผิว
• อุณหภูมิ
• คะตะลิสต์
• ความดัน

ธรรมชาติของสาร

ธรรมชาติของสารจะมีผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี กล่าวคือ ปฏิกิริยาจะเกิดเร็วหรือช้าขึ้นอยู่กับธรรมชาติของสาร เช่น

• สารที่ทำปฏิกิริยาเป็นสารไอออนิกทั้งคู่ จะเกิดปฏิกิริยาเร็วกว่าสารที่เป็นสารโคเวเลนต์
• สารที่ทำปฏิกิริยเป็นก๊าซทั้งคู่ จะทำปฏิกิริยาได้เร็วกว่าปฏิกิริยาที่สารอยู่ในสถานะที่ต่างกัน

ความเข้มข้นของสาร

ความเข้มข้นของสารจะมีผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี เราวัดปริมาณของสารในสารละลายได้จากความเข้มข้นของสารที่เข้าทำปฏิกิริยากัน ดังนั้นในระหว่างเกิดปฏิกิริยาความเข้มข้นของสาร จึงเป็นสิ่งสำคัญที่มีผลให้ปฏิกิริยาเกิดเร็วหรือช้าจากปฏิกิริยาระหว่างกรดไฮโดรคลอริกกับโซเดียมไทโอซัลเฟต(Na2S2O3)ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นคือ

Na2S2O3+ 2HCl --->2 NaCl +H2O+H2O+SO2 +S

เราศึกษาผลของความเข้มข้นที่มีผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาโดยการเปลี่ยนความเข้มข้นของสารเป็น 2 ตอน คือ
ตอนที่ 1 เปลี่ยนความเข้มข้นของ HCl เมื่อความเข้มข้นของ Na2S2O3คงที่ จะพบว่าอัตราการเกิดปฏิกิริยา (ตะกอนของกำมะถัน) เปลี่ยนไป
ตอนที่ 2 เปลี่ยนความเข้มข้น Na2S2O3 เมื่อความเข้มข้นของ HCl คงที่จะพบว่า อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะเปลี่ยนแปลง

จากการศึกษาทั้งสองตอนสรุปได้ว่า ปฏิกิริยานี้ความเข้มข้นของ Na2S2O3และ HCl จะมีผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาทั้งสองสาร ซึ่งถ้าไม่ทำการทดลองหรือไม่มีข้อมูลมาให้จะไม่สามารถทราบได้ว่าสารตัวใดมีผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยา

พื้นที่ผิวของสาร

พื้นที่ผิวจะมีผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี จากการศึกษามาแล้วเกี่ยวกับปฏิกิริยาของโลหะแมกนีเซียมกับกรดไฮโดรคลอริกจะเกิดก๊าซ H2
จากการทดลองพบว่าเมื่อเปลี่ยนความยาวของลวดแมกนีเซียม อัตราการเกิดปกิกิริยาจะเพิ่มขึ้น ซึ่งถือว่าพื้นที่ผิวมีผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี พื้นที่ผิวจะมีผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาในปฏิกิริยาเนื้อผสม (heterogeneous) เท่านั้น เช่น ปฏิกิริยาที่กล่าวมา
Mg(s) + 2HCl(aq)-----> MgCl(aq) +H2(g) ถ้าทำให้ลวดแมกนีเซียมเป็นชิ้นเล็กๆจะพบว่าปฏิกิริยาจะเกิดเร็วกว่าลวดแมกนีเซียมที่เป็นแผ่นหรือขดเป็นสปริง

อุณหภูมิ

อุณหภูมิจะมีผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี โดยทั่วไปพบว่าอุณหภูมิเพิ่มขึ้น 10 องศาเซลเซียสอัตราการเกิดปฏิกิริยาจะเร็วขึ้นประมาณ 2 เท่า ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับชนิดของปฏิกิริยา
จากการทดลองปฏิกิริยาระหว่างกรดออกซาลิก (H2C2O4) กรดซัลฟิวริก (H2SO4) และโพแทสเซียมเปอร์แมงกาเนต (KMnO4) เกิดปฏิกิริยาดังนี้
2KMnO4(aq) + 5H2C2O4(aq) +3H2SO4(aq)-----> K2SO4(aq) +2MnSO4(aq) +8H2O(l) +10CO2(g)
พบว่าเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น อัตราการหายไปของสีม่วงแดงของ KMnO4 จะเร็วขึ้น

คะตะลิสต์

คะตะลิสต์ (catalyst) หมายถึง สารที่เติมลงไปในปฏิกิริยาทำให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาเกิดเร็วขึ้น โดยในขณะที่เกิดปฏิกิริยาตัวคะตะลิสต์จะมีการเปลี่ยนแปลง แต่เมื่อสิ้นสุดปฏิกิริยาแล้วจะได้กลับคืนมาในในขนาดและปริมาณเดิม เช่น ในปฏิกิริยาระหว่างโซเดียมโพแทสเซียมทาร์เตรต (NaKC4 H4O6) กับไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์(H2O2) จะได้ก๊าซ O2 ถ้าใส่ CoCl2 (สีชมพู) จะพบว่าปฏิกิริยานี้จะสลายตัวให้ก๊าซ O2 เร็วขึ้นและในระหว่างเกิดปฏิกิริยา จะพบว่า CoCl2 เปลี่ยนเป็นสีเขียว และเมื่อปฏิกิริยาสิ้นสุดจะได้สีชมพูกลับคืนมาปริมาณเท่าเดิม

ความดัน

ความดันจะมีผลต่อปฏิกิริยาในกรณีปฏิกิริยาที่เกี่ยวกับก๊าซ กล่าวคือ เมื่อเพิ่มความดันในโมเลกุลของก๊าซจะมีการชนกันมากขึ้นปฏิกิริยาจะมีอัตราการเกิดเร็วขึ้น

การอธิบายการเกิดปฏิกิริยาเคมี

ปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้นได้อย่างไร นักวิทยาศาสตร์ได้พยายามอธิบาย โดยใช้แบบจำลองของทฤษฎีการชนกันของโมเลกุล (Collision Theory) ซึ่งกล่าวว่าปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่ออนุภาคของสารที่เข้าทำปฏิกิริยามาชนกัน เมื่อชนกันแล้วถ้ามีพลังงานมากพอก็จะมีการจัดอะตอมใหม่ พันธะเดิมหมดไปเกิดพันธะใหม่ได้สารใหม่ในปฏิกิริยา ตามหลักการนี้ปฏิกิริยาจะเกิดได้ง่ายเมื่อสารอยู่ในสถานะของเหลวและก๊าซ เนื่องจากอนุภาคเคลื่อนไหวได้ง่าย ซึ่งถ้าเป็นของแข็งต้องใช้ความดันช่วยบีบอัดให้อนุภาคเข้ามาชิดกัน

ตามทฤษฎีการชน อัตราเร็วของปฏิกิริยาขึ้นอยู่กับจำนวนการการชนกันของสารต่อหน่วยเวลาและจำนวนการชนที่จะเกิดปฏิกิริยา มิใช่ว่าการชนกันทุกครั้งต้องเกิดปฏิกิริยาเคมีแล้วให้สารใหม่เสมอไป อาจมีเพียง 1 ใน 1014 ครั้งเท่านั้นที่จะเกิดปฏิกิริยาได้ นอกจากนี้การเกิดปฏิกิริยาเคมีไม่เพียงแต่การชนกั้นเท่านั้นจะต้องมีแฟกเตอร์อื่นด้วย จึงมีการใช้ทฤษฎีจลน์ของโมเลกุลเข้ามาเสริมด้วย ซึ่งกล่าวว่า โมเลกุลของก๊าซมีการเคลื่อนไหวทุกขณะ แต่ละโมเลกุลเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วต่างกันบางโมเลกุลเคลื่อนที่ช้ามากทำให้มีพลังงานจลน์ต่ำ บางโมเลกุลเคลื่อนที่เร็วทำให้มีพลังงานจลน์สูง ดังนั้นในการชนกันแล้วจะมีปฏิกิริยาเกิดขึ้นได้โมเลกุลที่มาชนกันต้องมีพลังงานมากพอ ซึ่งพลังงานอย่างต่ำที่โมเลกุลต้องชนกันแล้วจะมีปฏิกิริยาเกิดขึ้นได้ เรียกว่า พลังงานกระตุ้น ( activation energy = Eac)
โดยสรุป ในการเกิดปฏิกิริยาเคมีต้องมีปัจจัยที่เกี่ยวข้อง 4 ประการคือ

• จำนวนโมเลกุลต้องมากพอ
• ต้องมีการชนกัน
• ต้องมีพลังงานมากพออย่างน้อยเท่ากับพลังงานกระตุ้นหรือพลังงานก่อกัมมันต์
• ต้องมีทิศทางที่เหมาะสม

พลังงานกระตุ้นกับปฏิกิริยาเคมี

พลังงานกระตุ้นเป็นพลังงานอย่างต่ำที่โมเลกุลของสารจะต้องมีจึงจะเกิดปฏิกิริยาได้ ในปฏิกิริยาเคมีต่างกันจะมีค่าของพลังงานกระตุ้นต่างกัน กล่าวคือปฏิกิริยาใดที่เกิดเร็วมากแสดงว่ามีค่าพลังงานกระตุ้นต่ำ ปฏิกิริยาใดที่เกิดช้าแสดงว่ามีพลังงานกระตุ้นสูงมาก
ในระหว่างที่เกิดเป็นปฏิกิริยาเคมีเมื่ออนุภาคมีการชนกันในทิศทางที่เหมาะสมที่จะเกิดปฏิกิริยาได้ ระยะเวลาหนึ่งสารตั้งต้นจะรวมตัวกันเกิดเป็นสารชนิดหนึ่งที่ไม่เสถียรมีอายุการเกิดสั้นมาก แล้วจะเกิดกสารใหม่ที่มีความเสถียรขึ้น เรียกว่า สารเชิงซ้อนถูกกระตุ้น (activated complex) ซึ่งเป็นสารที่เกิดจากพันธะเคมีของสารตั้งต้นเริ่มจะคลายออกจากกันและพันธะเคมีของสารใหม่จะเริ่มขึ้น เรียกสถานะนี้ว่า transition state ดังนั้นอนุภาคของสารตั้งต้นจะเกิดปฏิกิริยาได้อย่างน้อยจะต้องมีพลังงานสูงกว่าสภาวะอันนี้

ในขณะที่เกิดปฏิกิริยาเคมี มีการเปลี่ยนแปลงพลังงานของโมเลกุลของสารตั้งต้นเพราะมีการสลายพันธะเก่าและสร้างพันธะใหม่ ถ้าสารใหม่ที่ได้มีพลังงานต่ำกว่าสารตั้งต้นเรียกปฏิกิริยานี้ว่า ปฏิกิริยาคายความร้อน แต่ถ้าสารใหม่ที่ได้มีพลังงานสูงกว่าสารตั้งต้น จะเรียกว่า ปฏิกิริยาดูดความร้อน

ในการอธิบายเกี่ยวกับอัตราการเกิดปฏิกิริยาตามทฤษฎีการชนกันของโมเลกุลโดยพิจารณาพลังงานกระตุ้น สรุปได้ว่า

• พลังงานกระตุ้น หมายถึง พลังงานอย่างต่ำที่โมเลกุลของสารตั้งต้นจะต้องมี จึงจะเกิดปฏิกิริยาได้
• พลังงานกระตุ้นส่วนใหญ่เป็นพลังงานจลน์ ไม่เกี่ยวกับพลังงานสลายพันธะ ซึ่งเป็นพลังงานศักย์
• ปฏิกิริยาหนึ่งๆ มีพลังงานกระตุ้นมากน้อยไม่เท่ากัน ค่านี้หาได้จากการทดลองและการคำนวณ
• ปฏิกิริยาที่มี Eac ต่ำ จะเกิดเร็วกว่าปฏิกิริยาที่มี Eac สูง
• ค่า Eac ไม่เกี่ยวกับการดูดหรือคายความร้อนของปฏิกิริยา ปฏิกิริยาที่คายความร้อน อาจมีพลังงานกระตุ้นต่ำหรือสูงก็ได้
• ผลต่างของค่า Ea จะเป็นตัวบอกความร้อนของปฏิกิริยา