อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี
(rate of chemical reaction)
อัตราการเกิดปฏิกิริยา (reaction rate, r) หมายถึง การเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของสารตั้งต้นหรือสารผลิตภัณฑ์เมื่อเวลาเปลี่ยนไป
ความสัมพันธ์ระหว่างความเข้มข้นของสารตั้งต้นและสารผลิตภัณฑ์กับเวลา
ในขณะที่เกิดปฏิกิริยาโมเลกุลของสารตั้งต้นก็จะเปลี่ยนเป็นสารผลิตภัณฑ์ ทำให้ความเข้มข้นของสารตั้งต้นลดลง ส่วนความเข้มข้นของสารผลิตภัณฑ์ก็จะเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ เราจึงสามารถติดตามการดำเนินไปของปฏิกิริยาได้จาก
• การวัดความเข้มข้นที่ลดลงของสารตั้งต้น
• การวัดความเข้มข้นที่เพิ่มขึ้นของสารผลิตภัณฑ์
หมายเหตุ ในการวัดอัตราการเกิดปฏิกิริยามีสิ่งที่ต้องคำนึงถึง คือ
1. ต้องทำการผสมสาร (เขย่า) ด้วยความสม่ำเสมอ
2. เมื่อผสมสารเสร็จต้องรีบทำการวัดทันที
3. การผสมสารด้วยมือ จะหาอัตราการเกิดปฏิกิริยาเริ่มต้น (initial rate) จริงๆ ได้ ยากมากเพราะเมื่อผสมสารด้วยมือเสร็จแล้วทำการวัด ก็หมายความว่า เวลาได้ผ่านไปแล้วอย่างน้อย 3 วินาที
4. ต้องทำการทดลองที่ความเข้มข้นต่ำๆ ตั้งแต่ระดับมิลลิโมลาร์ (mM) ลงมา
พิจารณาปฏิกิริยา
ถ้าแทนความเข้มข้นของสารในปฏิกิริยา คือ [A], [B] และ [C] เราจะสามารถหาอัตราการเกิดปฏิกิริยาได้จาก
อัตราการเกิดของสารผลิตภัณฑ์ C
อัตราการลดลงของสารตั้งต้น A หรือ B ตัวใดตัวหนึ่ง
( อัตราการลดลงใส่เครื่องหมายลบ )
ตัวอย่างที่ 1 การสลายตัวของ H2O2 ได้เป็น O2 และ H2O
อัตราการเกิดปฏิกิริยา คือ
จะได้ว่า
พิจารณาปฏิกิริยา
จะได้ว่า
อัตราการเกิดสารผลิตภัณฑ์ C = 3 x (อัตราการลดลงของสารตั้งต้น A)
อัตราการเกิดปฏิกิริยา คือ
ตัวอย่างที่ 2 จากปฏิกิริยาการสลายตัวของ NOBr พบว่า อัตราการเกิด NO มีค่าเท่ากับ 1.6 x 10-4 mol L-1 s-1 จงคำนวณอัตราการเกิดปฏิกิริยา และอัตราการลดลงของ NOBr ?
วิธีคิด
จากสมการเคมี จะได้ว่า
ดังนั้น อัตราการเกิดปฏิกิริยา หาได้จาก
อัตราการเกิดปฏิกิริยา มีค่าเท่ากับ 8.0 x 10-5 mol L-1 s-1
และเนื่องจาก อัตราการลดลงของ NOBr เป็น 2 เท่าของอัตราการเกิดปฏิกิริยา จึงได้ว่า
เมื่อมีการเปลี่ยนแปลงสภาวะต่าง ๆ ของปฏิกิริยา เช่น อุณหภูมิ หรือความเข้มข้น นักเรียนคิดว่า อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะมีการเปลี่ยนแปลงไปอย่างไร? จากการทดลองพบว่า ปัจจัยที่เกี่ยวข้องกับอัตราการเกิดปฏิกิริยามี 6 ปัจจัย ดังนี้
1. ธรรมชาติของสารทำปฏิกิริยา
2. ความเข้มข้นของสารทำปฏิกิริยา
3. ความดันของสารทำปฏิกิริยา
4. อุณหภูมิ
5. ตัวเร่งปฏิกิริยา
6. พื้นที่ผิว
สารแต่ละชนิดมีสมบัติในการทำปฏิกิริยาเร็ว - ช้าแตกต่างกัน เช่น
ธาตุไนโตรเจนเฉื่อยต่อปฏิกิริยามากจึงไม่ค่อยทำปฏิกิริยากับสารใด
โลหะโซเดียมทำปฏิกิริยาอย่างรวดเร็วกับน้ำ เกิดประกายไฟและแก๊สไฮโดรเจน ในขณะที่โลหะแมกนีเซียมเกิดปฏิกิริยากับน้ำอย่างช้า ๆ ดังรูปแสดงการทดลองต่อไปนี้
ในบีกเกอร์ทั้งสองใบมีน้ำที่หยดสารละลายฟีนอล์ฟทาลีนเอาไว้แล้ว จะสังเกตได้ว่าน้ำยังคงไม่มีสี (เพราะเหตุใด) ทีนี้ลองใส่ก้อนโลหะโซเดียม (ขนาดเท่าเมล็ดถั่วเขียว) และแผ่นโลหะแมกนีเซียม (ขนาด 0.5 x 1.0 cm2) ลงไปซิ
ปฏิกิริยาของโลหะโซเดียม (Na) กับน้ำ ปฏิกิริยาของแผ่นโลหะแมกนีเซียม (Mg) กับน้ำ
(เมื่อมีฟีนอล์ฟทาลีนอยู่) (เมื่อมีฟีนอล์ฟทาลีนอยู่)
สมการการเกิดปฏิกิริยาเป็นดังนี้
ปฏิกิริยาในสองบีกเกอร์ต่างกันที่ใช้ Na หรือ Mg เท่านั้น แสดงว่าอัตราการเกิดปฏิกิริยาขึ้นอยู่กับธรรมชาติของสารตั้งต้น
ปฏิกิริยาส่วนใหญ่เมื่อเพิ่มความเข้มข้นของสารตั้งต้น อัตราการเกิดปฏิกิริยาก็มักจะเพิ่มขึ้น มีส่วนน้อยเท่านั้นที่ไม่มีการเปลี่ยนแปลง ข้อมูลเบื้องต้นที่ต้องทราบก็คือ อัตราการเกิดปฏิกิริยาที่เปลี่ยนแปลงไม่ได้เป็นสัดส่วนกับความเข้มข้นที่เพิ่มขึ้นเสมอไป การที่จะระบุว่าอัตราการเกิดปฏิกิริยาเปลี่ยนแปลงไปเท่าใด ได้มาจากการทดลองเท่านั้น
กรณีที่ 1: การเพิ่มความเข้มข้นมีผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยา
การเพิ่มความเข้มข้นของสารตั้งต้นในปฏิกิริยาก็เท่ากับการเพิ่มอนุภาคของสารที่เข้าทำปฏิกิริยา เมื่อมีอนุภาคของสารมากขึ้น โอกาสที่จะชนกันแล้วเกิดปฏิกิริยาก็จะมีมากขึ้นตามไปด้วย
ตัวอย่างปฏิกิริยา
ความดัน (pressure) ความเข้มข้นของแก๊สมักจะใช้การเปลี่ยนความดันเพื่อเปลี่ยนแปลงความเข้มข้น ในเมื่อการเปลี่ยนแปลงความดันเปรียบเหมือนกับการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้น ดังนั้นความดันจึงเป็นปัจจัยหนึ่งที่มีผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยา
• ทำไมการเพิ่มความดันของแก๊สจึงเหมือนกับการเพิ่มความเข้มข้น
ให้พิจารณาสมการ
ลองเปลี่ยนรูปสมการนี้ใหม่
n คือจำนวนโมล และ V คือปริมาตร ดังนั้น n/V ก็คือความเข้มข้น และพบว่าในเทอม RT จะคงที่ตราบใดที่ T คงที่ เมื่อ n/V คือความเข้มข้น ดังนั้นความดัน (P) จึงเป็นแปรผันตรงกับความเข้มข้น (n/V) นั่นเอง (นักเรียนสามารถศึกษาเรื่องความดันเพิ่มเติมได้ในเรื่อง "แก๊ส")
การเพิ่มอุณหภูมิเป็นสภาวะที่สามารถเพิ่มการชนได้ เพราะเมื่อเพิ่มอุณหภูมิหรือให้ความร้อนแก่สารในปฏิกิริยา อนุภาคจะมีพลังงานจลน์เพิ่มขึ้น จะเคลื่อนที่ได้เร็วขึ้น ชนกันมากขึ้น โอกาสที่จะชนกันแล้วเกิดปฏิกิริยาก็จะมีมากขึ้น เมื่อเกิดปฏิกิริยามากขึ้นอัตราการเกิดปฏิกิริยาก็เพิ่มขึ้นนั่นเอง
ปฏิกิริยาเคมีโดยทั่วไปเมื่อมีการเพิ่มอุณหภูมิจะส่งผลให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาเพิ่มขึ้น แต่ในบางปฏิกิริยาอุณหภูมิก็ไม่มีส่วนที่จะทำให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาเพิ่มขึ้น เช่น ปฏิกิริยาระหว่างไฮโดรเจนไอออนและไฮดรอกไซด์ไอออนในปฏิกิริยาสะเทิน(neutralization reaction) เป็นต้น
การอธิบายว่าอุณหภูมิเป็นปัจจัยที่มีผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยา ต้องใช้ทฤษฎีการชน และกราฟการแจกแจงพลังงานของอนุภาคของแมกซ์เวล-โบลซ์มันน์ ดังนี้
การแจกแจงพลังงานของอนุภาคของแมกซ์เวล-โบลซ์มันน์
อนุภาคในพื้นที่ใต้กราฟทางด้านขวาของพลังงานก่อกัมมันต์เท่านั้นที่มีโอกาสชนกันแล้วเกิดปฏิกิริยาเพราะเป็นอนุภาคที่มีพลังงานสูง ส่วนอนุภาคในพื้นที่ใต้กราฟทางด้านซ้ายของพลังงานก่อกัมมันต์ซึ่งเป็นอนุภาคส่วนใหญ่จะมีโอกาสชนกันได้แต่ไม่มีพลังงานมากพอที่จะเกิดปฏิกิริยา ถ้าลองสร้างกราฟการแจกแจงพลังงานของอนุภาคเมื่อให้ความร้อนแก่สารในปฏิกิริยาเปรีย