อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี

อัตราการเกิดปฏิ กิริยาเคมี

ปฏิกิริยาเคมี หมายถึง การที่สารตั้งต้นเปลี่ยนไปเป็นผลิตภัณฑ์(สารใหม่) เมื่อเวลา ผ่านไปปริมาณของสารตั้งต้นจะลดลงขณะที่ปริมาณสารใหม่จะเพิ่มขึ้นจนในที่สุด
ก. ปริมาณสารตั้งต้นหมดไป หรือเหลือสารใดสารหนึ่งและมีสารใหม่เกิดขึ้น เรียกว่า ปฏิกิริยาเกิดสมบูรณ์ (ไม่เกิดสมดุลเคมี) เช่น A + B                    C
                จากปฏิกิริยาบอกได้ว่า A และ B หมดทั้งคู่หรือเหลือตัวใดตัวหนึ่ง ขณะเดียวกันจะมีสารC เกิดขึ้น
ข. ปริมาณสารตั้งต้นยังเหลืออยู่(ทุกตัว) เกิดสารใหม่ขึ้นมา เรียกว่าปฏิกิริยาเกิดไม่สมบูรณ์(เกิดสมดุลเคมี) ซึ่งจะพบ ว่า ความเข้มข้นของสารในระบบจะคงที่ (สารตั้งต้นและสารผลิตภัณฑ์) อาจจะเท่ากัน มากกว่า หรือน้อยกว่าก็ได้ เช่น สมดุลของปฏิกิริยา A + B             C
            จากปฏิกิริยาบอกได้ว่าทั้งสาร A และ B เหลืออยู่ทั้งคู่ ขณะเดียวกันสาร C ก็เกิดขึ้น จนกระทั่งสมบัติของระบบคงที่
ชนิดของปฏิกิริยาเคมี

• ปฏิกิริยาเนื้อเดียว (Homogeneous Reaction) หมายถึง ปฏิกิริยาที่สารตั้งต้นทุกตัวในระบบอยู่ในสภาวะเดียวกัน หรือกลมกลืนเป็นเนื้อเดียวกัน เช่น

  3H₂(g) +N₂(g)                    2NH₃(g)

• ปฏิกิริยาเนื้อผสม (Heterogeneous Reaction) หมายถึง ปฏิกิริยาที่สารตั้งต้นอยู่ต่างสภาวะกันหรือไม่กลมกลืนเป็นเนื้อเดียวกัน เช่น

Mg(s) + 2HCl(aq)                 MgCl(aq) +H₂(g)

อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี

อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี (rate of chemical reaction) หมายถึง ปริมาณของสารใหม่ที่เกิดขึ้นในหนึ่งหน่วยเวลาหรือปริมาณของสารตั้งต้นที่ลด ลงในหนึ่งหน่วยเวลา
ชนิดของอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี

• อัตราการเกิดปฏิกิริยาเฉลี่ย (average rate) หมายถึง ปริมาณของสารใหม่ที่เกิดขึ้นทั้งหมดในหนึ่งหน่วยเวลา
• อัตราการเกิดในปฏิกิริยาขณะใดขณะหนึ่ง (instantaneous rate) หมายถึง ปริมาณของสารที่เกิดขึ้นขณะใดขณะหนึ่งในหนึ่งหน่วยเวลาของช่วงนั้น ซึ่งมักจะหาได้จากค่าความชันของกราฟ

หน่วยของอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี
                ในแต่ละปฏิกิริยาเมื่อมีการหาอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีก็จะมีหน่วยต่างๆกัน ขึ้นอยู่กับชนิดของสารที่นำมาหาอัตราการเกิดปฏิกิริยา ซึ่งหน่วยของอัตราการเกิดปฏิกิริยาก็คือหน่วยของปริมาณของสารที่เปลี่ยนแปลง ในหนึ่งหน่วยเวลาที่ใช้ เช่น
                ถ้าเป็นสารละลายจะใช้หน่วยความเข้มข้น คือ โมลต่อลิตรต่อวินาที หรือโมล.ลิตร-1วินาที-1 หรือ โมล/ลิตร.วินาที
                ถ้าเป็นก๊าซ จะใช้หน่วยปริมาตรคือลบ.ซม.ต่อวินาที หรือ ลบ.ดม.วินาที หรือลิตรต่อวินาที
                ถ้าเป็นของแข็งจะใช้หน่วยน้ำหนักคือกรัมต่อวินาที ซึ่งโดยทั่วไปหน่วยที่ใช้กันมากคือเป็นโมล/ลิตร.วินาที

การหาอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี

การหาอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี สามารถหาได้จากสารทุกตัวในปฏิกิริยา แต่มักจะใช้ตัวที่หาได้ง่ายและสะดวกเป็นหลัก ซึ่งจะมีวิธีวัดอัตราการเกิดเป็นปฏิกิริยาหลายอย่าง เช่น

• วัดจากปริมาณก๊าซที่เกิดขึ้น
• วัดจากความเข้มข้นที่เปลี่ยนไป
• วัดจากปริมาณสารที่เปลี่ยนไป
• วัดจากความเป็นกรด-เบสของสารละลาย
• วัดจากความดันที่เปลี่ยนไป
• วัดจากตะกอนที่เกิดขึ้น
• วัดจากการนำไฟฟ้าที่เปลี่ยนไป

เช่น การศึกษาอัตราการเกิดปฏิกิริยา
Mg(s) + 2HCl(aq)                 MgCl ₂ (aq) +H ₂ (g)
จะได้ว่า อัตราการเกิดปฏิกิริยา =      อัตราการลดลงของ Mg
                                           =   1/2อัตราการลดลงของ HCl
                                           =    อัตราการเกิดขึ้นของ MgCl ₂
                                           =    อัตราการเกิดขึ้นของ H₂
ในที่นี้จะพบว่าการหาปริมาตรของก๊าซ H₂ ที่เกิดขึ้นในหนึ่งหน่วยเวลาจะง่ายและสะดวกที่สุด
นอกจากนี้ ค.ศ. Guldberg และ Waag ได้ตั้ง Law of Mass Action (กฎอัตราเร็วของปฏิกิริยา) ซึ่งกล่าวว่า อัตราการเกิดของปฏิกิริยามีความสัมพันธ์โดยตรงกับความเข้มข้นของสารที่เข้า ทำปฏิกิริยา
ปฏิกิริยา                         aA +bB                  cC+dD
                              

                                    Rate  = K[A]^m[B]ⁿ
K          =          specific rate constant
m,n      =             อันดับของปฏิกิริยาในแง่ของสาร A และสาร B
m+n     =             อันดับของปฏิกิริยารวม
[A], [B] =             ความเข้มข้นของสาร
ซึ่งการหาค่า m และ n สามารถทำได้ดังนี้

• ถ้าความเข้มข้นเพิ่มขึ้น 2 เท่า และอัตราการเกิดปฏิกิริยาเพิ่มขึ้น 2 เท่า ค่า m และ n จะเท่ากับ 1-->2^m = 2 จะได้ m = 1
• ถ้าความเข้มข้นเพิ่มขึ้น 2 เท่า แต่อัตราการเกิดปฏิกิริยาเพิ่มขึ้น 4 เท่า ค่า m และ n จะเท่ากับ 2-->2^m =4 จะได้ m = 2
• ถ้าความเข้มข้นเพิ่มขึ้น 2 เท่า แต่อัตราการเกิดปฏิกิริยาเพิ่มขึ้น 8 เท่า ค่า m และ n จะเท่ากับ 3-->2^m = 8 จะได้ m = 3
• ถ้าความเข้มข้นเพิ่มขึ้น 2 เท่า แต่อัตราการเกิดปฏิกิริยาเพิ่มขึ้น 9 เท่า ค่า m และ n จะเท่ากับ 2-->3^m = 9 จะได้ m = 2
• ถ้าความเข้มข้นเพิ่มขึ้น 3 เท่า แต่อัตราการเกิดปฏิกิริยาลดลง 27 เท่า ค่า m และ n จะเท่ากับ -3-->3^m = 1/27 จะได้ m = -3

อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี

ปัจจัยที่มีผลต่ออัตราการ เกิดปฏิกิริยาเคมี
ปฏิกิริยาต่างๆจะเกิดเร็วหรือช้า ขึ้นอยู่กับสิ่งต่อไปนี้

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

ธรรมชาติของสาร
ธรรมชาติของสารจะมีผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี กล่าวคือ ปฏิกิริยาจะเกิดเร็วหรือช้าขึ้นอยู่กับธรรมชาติของสาร เช่น

• สารที่ทำปฏิกิริยาเป็นสารไอออนิกทั้งคู่ จะเกิดปฏิกิริยาเร็วกว่าสารที่เป็นสารโคเวเลนต์
• สารที่ทำปฏิกิริยเป็นก๊าซทั้งคู่ จะทำปฏิกิริยาได้เร็วกว่าปฏิกิริยาที่สารอยู่ในสถานะที่ต่างกัน

ความเข้มข้นของสาร
                ความเข้มข้นของสารจะมีผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี เราวัดปริมาณของสารในสารละลายได้จากความเข้มข้นของสารที่เข้าทำปฏิกิริยากัน ดังนั้นในระหว่างเกิดปฏิกิริยาความเข้มข้นของสาร จึงเป็นสิ่งสำคัญที่มีผลให้ปฏิกิริยาเกิดเร็วหรือช้า
จากปฏิกิริยาระหว่างกรดไฮโดรคลอริกกับโซเดียมไทโอซัลเฟต(Na₂S₂O₃)ปฏิกิริยา ที่เกิดขึ้นคือ
Na₂S₂O₃+ 2HCl 2 NaCl +H₂O +H₂O +SO₂ +S
เราศึกษาผลของความเข้มข้นที่มีผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาโดยการเปลี่ยนความ เข้มข้นของสารเป็น 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 ซึ่งถ้าไม่ทำการทดลองหรือไม่มีข้อมูลมาให้จะไม่สามารถทราบได้ว่าสารตัวใดมี ผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยา
พื้นที่ผิวของสาร
พื้นที่ผิวจะมีผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี จากการศึกษามาแล้วเกี่ยวกับปฏิกิริยาของโลหะแมกนีเซียมกับกรดไฮโดรคลอริกจะ เกิดก๊าซ H₂
จากการทดลองพบว่าเมื่อเปลี่ยนความยาวของลวดแมกนีเซียม อัตราการเกิดปกิกิริยาจะเพิ่มขึ้น ซึ่งถือว่าพื้นที่ผิวมีผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี พื้นที่ผิวจะมีผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาในปฏิกิริยาเนื้อผสม (heterogeneous) เท่านั้น เช่น ปฏิกิริยาที่กล่าวมา
Mg(s) + 2HCl(aq)                 MgCl(aq) +H₂(g) ถ้าทำให้ลวดแมกนีเซียมเป็นชิ้นเล็กๆจะพบว่าปฏิกิริยาจะเกิดเร็วกว่าลวด แมกนีเซียมที่เป็นแผ่นหรือขดเป็นสปริง
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 เมื่อเพิ่มความดันในโมเลกุลของก๊าซจะมีการชนกันมากขึ้นปฏิกิริยาจะมีอัตรา การเกิดเร็วขึ้น

การอธิบายการเกิดปฏิกิริยาเคมี

ปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้นได้อย่างไร นักวิทยาศาสตร์ได้พยายามอธิบาย โดยใช้แบบจำลองของทฤษฎีการชนกันของโมเลกุล (Collision Theory) ซึ่งกล่าวว่าปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่ออนุภาคของสารที่เข้าทำ ปฏิกิริยามาชนกัน เมื่อชนกันแล้วถ้ามีพลังงานมากพอก็จะมีการจัดอะตอมใหม่ พันธะเดิมหมดไปเกิดพันธะใหม่ได้สารใหม่ในปฏิกิริยา ตามหลักการนี้ปฏิกิริยาจะเกิดได้ง่ายเมื่อสารอยู่ในสถานะของเหลวและก๊าซ เนื่องจากอนุภาคเคลื่อนไหวได้ง่าย ซึ่งถ้าเป็นของแข็งต้องใช้ความดันช่วยบีบอัดให้อนุภาคเข้ามาชิดกัน
ตามทฤษฎีการชน อัตราเร็วของปฏิกิริยาขึ้นอยู่กับจำนวนการการชนกันของสารต่อหน่วยเวลาและ จำนวนการชนที่จะเกิดปฏิกิริยา มิใช่ว่าการชนกันทุกครั้งต้องเกิดปฏิกิริยาเคมีแล้วให้สารใหม่เสมอไป อาจมีเพียง 1 ใน 10¹⁴ ครั้งเท่านั้นที่จะเกิดปฏิกิริยาได้ นอกจากนี้การเกิดปฏิกิริยาเคมีไม่เพียงแต่การชนกั้นเท่านั้นจะต้องมี แฟกเตอร์อื่นด้วย จึงมีการใช้ทฤษฎีจลน์ของโมเลกุลเข้ามาเสริมด้วย ซึ่งกล่าวว่า โมเลกุลของก๊าซมีการเคลื่อนไหวทุกขณะ แต่ละโมเลกุลเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วต่างกันบางโมเลกุลเคลื่อนที่ช้ามากทำ ให้มีพลังงานจลน์ต่ำ บางโมเลกุลเคลื่อนที่เร็วทำให้มีพลังงานจลน์สูง ดังนั้นในการชนกันแล้วจะมีปฏิกิริยาเกิดขึ้นได้โมเลกุลที่มาชนกันต้องมี พลังงานมากพอ ซึ่งพลังงานอย่างต่ำที่โมเลกุลต้องชนกันแล้วจะมีปฏิกิริยาเกิดขึ้นได้ เรียกว่า พลังงานกระตุ้น ( activation energy = Eac)
โดยสรุป ในการเกิดปฏิกิริยาเคมีต้องมีปัจจัยที่เกี่ยวข้อง 4  ประการคือ

• จำนวนโมเลกุลต้องมากพอ
• ต้องมีการชนกัน
• ต้องมีพลังงานมากพออย่างน้อยเท่ากับพลังงานกระตุ้นหรือพลังงาน ก่อกัมมันต์
• ต้องมีทิศทางที่เหมาะสม

พลังงานกระตุ้นกับปฏิกิริยาเคมี
                พลังงานกระตุ้นเป็นพลังงานอย่างต่ำที่โมเลกุลของสารจะต้องมีจึงจะเกิด ปฏิกิริยาได้ ในปฏิกิริยาเคมีต่างกันจะมีค่าของพลังงานกระตุ้นต่างกัน กล่าวคือปฏิกิริยาใดที่เกิดเร็วมากแสดงว่ามีค่าพลังงานกระตุ้นต่ำ ปฏิกิริยาใดที่เกิดช้าแสดงว่ามีพลังงานกระตุ้นสูงมาก
                ในระหว่างที่เกิดเป็นปฏิกิริยาเคมีเมื่ออนุภาคมีการชนกันในทิศทางที่เหมาะสม ที่จะเกิดปฏิกิริยาได้ ระยะเวลาหนึ่งสารตั้งต้นจะรวมตัวกันเกิดเป็นสารชนิดหนึ่งที่ไม่เสถียรมีอายุ การเกิดสั้นมาก แล้วจะเกิดกสารใหม่ที่มีความเสถียรขึ้น เรียกว่า สารเชิงซ้อนถูกกระตุ้น (activated complex) ซึ่งเป็นสารที่เกิดจากพันธะเคมีของสารตั้งต้นเริ่มจะคลายออกจากกันและพันธะ เคมีของสารใหม่จะเริ่มขึ้น เรียกสถานะนี้ว่า transition state ดังนั้นอนุภาคของสารตั้งต้นจะเกิดปฏิกิริยาได้อย่างน้อยจะต้องมีพลังงานสูง กว่าสภาวะอันนี้
                ในขณะที่เกิดปฏิกิริยาเคมี มีการเปลี่ยนแปลงพลังงานของโมเลกุลของสารตั้งต้นเพราะมีการสลายพันธะเก่าและ สร้างพันธะใหม่ ถ้าสารใหม่ที่ได้มีพลังงานต่ำกว่าสารตั้งต้นเรียกปฏิกิริยานี้ว่า ปฏิกิริยาคายความร้อน แต่ถ้าสารใหม่ที่ได้มีพลังงานสูงกว่าสารตั้งต้น จะเรียกว่า ปฏิกิริยาดูดความร้อน
                ในการอธิบายเกี่ยวกับอัตราการเกิดปฏิกิริยาตามทฤษฎีการชนกันของโมเลกุลโดย พิจารณาพลังงานกระตุ้น  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 (    H)