Transcript ปฏิกิริยาอันดับหนึ่ง

กฎอัตรา
จากทฤษฎีการชนกันกล่าวว่าปฏิกิริยาเกิดจากการชนกันของโมเลกุลแล้วทาปฏิกิริยากัน
ดังนั้น อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะสามารถหาได้จากจานวนครั้งของการชนของตัวทาปฏิกิริยาใน
1 หน่วยเวลา ความถี่ในการชนกันของโมเลกุลตัวทาปฏิกิริยาขึ้นอยูก่ บั จานวนโมเลกุลตัวทา
ปฏิกิริยาและจานวนโมเลกุลแปรผันกับความเข้มข้นของตัวทาปฏิกิริยา เช่น
อัตราการเกิดปฏิกิริยาสามารถเขียนเป็ น
rate = k
 A m  B  n
เมื่อ k คือ ค่าคงตัวของอัตราการเกิดปฏิกิริยา(rate constant)เป็ นค่าที่บอกถึงอัตราการเกิด
ปฏิกิริยาหนึ่งว่าเกิดได้เร็ วหรื อช้า
m,n เป็ นค่าที่ได้จากการทดลองเรี ยกว่าอันดับปฏิกริ ิยาของตัวทาปฏิกิริยา โดย
m เป็ นอันดับปฏิกิริยาของสารA
n เป็ นอันดับปฏิกิริยาของสารB
m + n เป็ นอันดับปฏิกิริยาทั้งหมด เช่น ปฏิกิริยาที่มี m = 1 , n = 0
m + n = 1 เรี ยกว่า ปฏิกิริยาอันดับหนึ่ง
การเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของสารในปฏิกิริยามักจะทาให้อตั ราการเกิดปฏิกิริยาเกิด
การเปลี่ยนแปลงด้วย ซึ่ งเราใช้กฎอัตรา (rate law) หรื อสมการอัตรา (rate equation)
แสดงความสัมพันธ์ระหว่างอัตราการเกิดปฏิกิริยากับความเข้มข้นของสารตั้งต้น
เราจาเป็ นต้องทดลองหาอัตราการเกิดปฏิกิริยาเมื่อเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของสาร A และ
สาร B โดยให้สารชนิดหนึ่ งคงที่ แล้วเปลี่ยนความเข้มข้นของสารอีกชนิดหนึ่ ง เราก็จะทราบ
อัตราการเกิดปฏิกิริยาของปฏิกิริยานี้ วา่ ขึ้นอยูก่ บั สารชนิ ดใด
ปฏิกริ ิยาอันดับศูนย์
ปฏิกิริยาอันดับหนึ่งและปฏิกิริยาอันดับสองเป็ นปฏิกิริยาที่พบมากที่สุด ส่ วนปฏิกิริยาอันดับศูนย์
(zero order) นั้นมีไม่มากนัก ปฏิกิริยาอันดับศูนย์เป็ นปฏิกิริยาที่ศึกษาได้ง่ายเพราะมีกฎอัตราเป็ นดังนี้
r = k[A]0 = k
ดังนั้น ปฏิกิริยาชนิดนี้จึงมีอตั ราการเกิดคงที่เสมอ ไม่ข้ ึนกับความเข้มข้นของสารตั้งต้น
ตัวอย่ าง การสลายตัวของ NH3 บนผิวของโมลิบดีนมั (ตัวเร่ งปฏิกิริยา) การเพิ่มความดัน (เพิ่มความเข้มข้น)
ของแก๊สไม่ได้ช่วยเพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยา ซึ่ งเราจะเรี ยกว่า เป็ นปฏิกิริยาอันดับศูนย์ (zero-order reaction)
กราฟแสดงความสัมพันธ์ ระหว่าง [A] กับ t
สาหรับปฏิกริ ิยาอันดับศูนย์
จะเห็นได้ ว่า อัตราการเกิดปฏิกริ ิยาจะคงทีต่ ลอดเวลาทีเ่ กิดปฏิกริ ิยา
ถ้ าเราเขียนกราฟแสดงความสั มพันธ์ ระหว่ าง [A] กับ t ก็จะได้ กราฟ
เป็ นเส้ นตรงทีม่ คี วามชัน -k
สาหรับปฏิกิริยาอันดับศูนย์ เราสามารถหาครึ่ งชีวติ ได้โดยการแทนค่า [A] = [A]0/2 ลงใน
สมการ จะได้
จะสังเกตได้วา่ ค่าครึ่ งชีวติ ของปฏิกิริยาอันดับศูนย์แตกต่างจากค่าครึ่ งชีวติ ของปฏิกิริยา
อันดับหนึ่งและอันดับสอง เราจึงสามารถบอกความแตกต่างของปฏิกิริยาอันดับศูนย์จาก
ปฏิกิริยาหนึ่งและอันดับสองโดยใช้ครึ่ งชีวติ ได้
ปฏิกริ ิยาอันดับหนึ่ง
ปฏิกริ ิยาอันดับหนึ่ง (first-order reaction) คือ ปฏิกิริยาที่อตั ราการเกิดปฏิกิริยาขึ้นอยูก่ บั ความเข้มข้น
ของสารตั้งต้นยกกาลังหนึ่ง ปฏิกิริยา
อัตราการเกิดปฏิกิริยา
จัดสมการใหม่เป็ น
ทาการอินทิเกรตจาก t = 0 ถึง t = t
จะได้ (เมื่อ [A]0 เป็ นความเข้มข้นของ A ที่เวลา t = 0)
หรื อ
•ถ้ าเราเขียนกราฟของ [A] กับเวลา t จะได้ กราฟทีแ่ สดงการลดลงของความเข้ มข้ นของสารตั้งต้ นเมื่อ
เวลาเปลีย่ นไป
•ถ้ าเราเขียนกราฟของ ln [A] กับเวลา t จะได้ กราฟเป็ นเส้ นตรงทีม่ คี วามชัน - k (k = ค่ าคงทีอ่ ตั รา)
เมือ่ เวลาผ่ านไป ค่ า [A] ก็จะลดลงไปเช่ นกัน
กราฟแสดงลักษณะเฉพาะตัวของปฏิกริ ิยาอันดับหนึ่ง
ก) กราฟแสดงความสั มพันธ์ ระหว่ าง [A] กับ t
ข) กราฟแสดงความสั มพันธ์ ระหว่ าง ln [A] กับ t
* จากกราฟ ข) เราก็จะทราบค่าคงที่อตั ราจากค่าความชันของกราฟ
* จากกราฟ ก) เมื่อปริ มาณ [A] ลดลงไปครึ่ งหนึ่ง (เริ่ มต้น [A]0 เหลือ [A]0/2) ณ เวลา t นั้นเราจะเรี ยกว่า
ครึ่งชีวติ (half-life, t1/2) ของปฏิกิริยา ซึ่ งเป็ นค่าคงตัวของปฏิกิริยา และขึ้นอยูก่ บั ค่า k เท่านั้น
ในการหาครึ่งชีวติ ของปฏิกริ ิยาอันดับหนึ่ง
ปฏิกริ ิยาอันดับสอง
ปฏิกริ ิยาอันดับสอง (second-order reaction) คือ ปฏิกิริยาที่อตั ราการเกิดปฏิกิริยาขึ้นอยูก่ บั ความเข้มข้นของ
สารตั้งต้นยกกาลังสอง หรื อขึ้นอยูก่ บั ความเข้มข้นของสารตั้งต้นสองชนิด แต่ละชนิดยกกาลังหนึ่ง
กรณีทมี่ สี ารตั้งต้ นชนิดเดียว
อัตราการเกิดปฏิกิริยา
จากวิธีทางแคลคูลสั จะได้วา่
กราฟแสดงความสั มพันธ์ ระหว่ าง 1/[A] กับ t สาหรับปฏิกริ ิยาอันดับสอง
สาหรับปฏิกิริยาอันดับสอง เราสามารถหาครึ่ งชีวติ ได้โดยการแทนค่า [A] = [A]0/2
ลงในสมการ จะได้
** จะสังเกตได้วา่ ค่าครึ่ งชีวติ ของปฏิกิริยาอันดับสองมีค่าขึ้นอยูก่ บั ความเข้มข้นเริ่ มต้นของสารตั้ง
ต้น ซึ่งแตกต่างจากค่าครึ่ งชีวติ ของปฏิกิริยาอันดับหนึ่ง เราจึงสามารถบอกความแตกต่างของ
ปฏิกิริยาอันดับหนึ่งและอันดับสอง โดยใช้ครึ่ งชีวติ ได้
กรณีที่มีสารตั้งต้ น 2 ชนิด
อัตราการเกิดปฏิกริ ิยา
อันดับรวมของปฏิกิริยานี้เป็ นอันดับสอง หรื อเราอาจบอกว่า เป็ นปฏิกิริยาอันดับหนึ่งเมื่อเทียบกับ
สาร A หรื อ B ก็ไม่ผดิ
หมายเหตุ : ในที่นีจ้ ะไม่ ขอกล่ าวถึงรายละเอียดของปฏิกริ ิยาที่มีสารตั้งต้ นตั้งแต่ สองชนิดขึน้ ไป
เพราะจะมีความซับซ้ อนมาก
เราสามารถทีจ่ ะตรวจว่ า ปฏิกริ ิยานั้นๆ เป็ นปฏิกริ ิยาอันดับใดได้ ไม่ ยากนัก
* ถ้าเขียนกราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่าง ln C (C = ความเข้มข้น) กับเวลา t แล้วได้กราฟเป็ นเส้นตรง
เราก็บอกได้ทนั ทีวา่ ปฏิกริ ิยานั้นเป็ นปฏิกริ ิยาอันดับหนึ่ง
* ถ้าเขียนกราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่าง 1/C (C = ความเข้มข้น) กับเวลา t แล้วได้กราฟเป็ นเส้นตรง
เราก็บอกได้ทนั ทีวา่ ปฏิกริ ิยานั้นเป็ นปฏิกริ ิยาอันดับสอง
ในความเป็ นจริ งแล้วยังมีปฏิกิริยาที่เป็ นปฏิกิริยาอันดับสาม (third-order reaction) อยูด่ ว้ ย ซึ่งกฎอัตราของ
ปฏิกิริยาอันดับสามอาจเป็ นได้หลายแบบ เช่น
หรื อเราจะบอกว่า ปฏิกิริยาเป็ นปฏิกิริยาอันดับสองเมื่อเทียบกับสาร [A] หรื อเป็ นปฏิกิริยาอันดับหนึ่ง
เมื่อเทียบกับสาร [B] ก็ได้
หมายเหตุ : ปฏิกิริยาอันดับสามมีความซับซ้อนมาก จึงไม่อธิบายในส่ วนของรายละเอียด