Transcript จลศาสตร์เคมี 5635 Kb 04/11/14

จลนศาสตร์ เคมี
(Chemical kinetics)
Soontorn Pornjumreon
Chemistry Department
Mahidolwittanusorn School
www.mwit.ac.th/~sp
อัตราการเกิดปฏิกริ ิยาเคมี
อ.สุ นทร พรจาเริญ
สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์
อัตราการเกิดปฏิกริ ิยาเคมี
 การเกิดปฏิกริ ิยาเคมี หมายถึงการทีส่ ารตั้งต้ น(reactant)เปลีย่ นไปเป็ นสาร
ใหม่ หรือสารผลิตภัณฑ์ (product)โดยปริมาณหรือความเข้ มข้ นของสารตั้ง
ต้ นจะลดลง แต่ ปริมาณหรือความเข้ มข้ นของสารผลิตภัณฑ์ จะลดลง
 อัตราการเกิดปฏิกริ ิยาเคมี หมายถึงการเปลีย่ นแปลงความเข้ มข้ นของสารตั้งต้ น
หรือสารผลิตภัณฑ์ ต่อหน่ วยเวลา
อ.สุ นทร พรจาเริญ
สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์
อัตราการเกิดปฏิกริ ิยาเคมี
ปริมาณสารผลิตภัณฑ์ ที่เกิดขึน้
อัตราการเกิดปฏิกริ ิยาเคมี =
เวลา
อัตราการเกิดปฏิกริ ิยาเคมี = ปริมาณสารตั้งต้ นที่ลดลง
เวลา
อ.สุ นทร พรจาเริญ
สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์
อัตราการเกิดปฏิกริ ิยาเคมี
aA + bB
cC + dD
1 [A]
อัตราการเกิดปฏิกริ ิยา(r) = อัตราการลดลงของสารA = - a t
1 [B]
= อัตราการลดลงของสารB = - b t
1 [C]
= อัตราการเกิดสารC = + c t
1 [D]
= อัตราการเกิดสารD = + d t
อ.สุ นทร พรจาเริญ
สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์
อัตราการเกิดปฏิกริ ิยาเคมี
 ปฏิกิริยาเคมีดงั สมการ
Mg(s) + 2HCl(aq)
MgCl2(aq) + H2(g)
สามารถวัดอัตราการเกิดปฏิกิริยานี้ ได้อย่างไรบ้าง และเขียน
ความสัมพันธ์ของอัตราการเกิดปฏิกิริยาได้อย่างไร
 จากการวัดอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีหนึ่ ง พบว่ามีค่าเท่ากับอัตราการ
ลดลงของแก๊ส N2 เท่ากับ 1/3อัตราการลดลงของแก๊ส H2 และ
เท่ากับ 1/2อัตราการเกิดแก๊ส NH3 จงเขียนสมการเคมีแสดง
ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้น
อ.สุ นทร พรจาเริญ
สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์
อัตราการเกิดปฏิกริ ิยาเคมี
ชนิดของอัตราการเกิดปฏิกริ ิยา
อัตราการเกิดปฏิกริ ิยาเฉลีย่
(Average rate)
อ.สุ นทร พรจาเริญ
อัตราการเกิดปฏิกริ ิยา
ณ ขณะใดขณะหนึ่ง
(Instantaneous rate)
สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์
อัตราการเกิดปฏิกริ ิยาเคมีเฉลีย่
อัตราการเกิดปฏิกิริยาเฉลี่ย(Average rate) หมายถึงปริ มาณ
ของสารผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นทั้งหมด หรื อปริ มาณของสารตั้งต้นที่
ลดลงทั้งหมดต่อเวลาทั้งหมดที่ใช้ในการเกิดปฏิกิริยา
ปริ มาณสารผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นทั้งหมด
 อัตราการเกิดปฏิกิริยาเฉลี่ย =
เวลาทั้งหมดที่ใช้ในการเกิดปฏิกิริยา
ปริ มาณสารตั้งต้นที่ลดลงทั้งหมด
 อัตราการเกิดปฏิกิริยาเฉลี่ย =
เวลาทั้งหมดที่ใช้ในการเกิดปฏิกิริยา
อ.สุ นทร พรจาเริญ
สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์
อัตราการเกิดปฏิกริ ิยาเคมี ณ ขณะใดขณะหนึ่ง
 อัตราการเกิดปฏิกิริยา ณ ขณะใด
ขณะหนึ่ง(Instantaneous
rate) หมายถึงปริ มาณสารตั้งต้น
ที่เกิดขึ้น ณ ขณะใดขณะหนึ่ง หรื อ
ปริ มาณสารผลิตภัณฑ์ที่ลดลง ณ
ขณะใดขณะหนึ่งต่อเวลาที่ใช้ในการ
เกิดปฏิกิริยาในช่วงนั้น ซึ่ งอัตราการ
เกิดปฏิกิริยาชนิดนี้หาได้จากค่า
ความชัน(slope)ของกราฟ
อ.สุ นทร พรจาเริญ
สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์
ทฤษฎีจลนศาสตร์ เคมี
 ทฤษฎีจลนศาสตร์เป็ นทฤษฎีที่ใช้อธิบายการเกิดปฏิกิริยาเคมีของสารตั้งแต่ 2
ชนิดขึ้นไป
ทฤษฎีจลนศาสตร์ เคมี
ทฤษฎีการชน
ทฤษฎีสารเชิงซ้ อนกัมมันต์
(Collision theory)
(Activated-complex theory)
อ.สุ นทร พรจาเริญ
สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์
ทฤษฎีการชน(Collision theory)
ปฏิกริ ิยาเคมีเกิดขึน้ ได้ เมื่อ
อนุภาคของสารตั้งต้ นจะต้ องชนกัน
ทิศทางในการชนต้ องเหมาะสม
พลังงานรวมในการชนต้ องเท่ ากับพลังงานก่ อกัมมันต์
อ.สุ นทร พรจาเริญ
สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์
ทิศทางในการชนที่เหมาะสม
NO2+CO
อ.สุ นทร พรจาเริญ
NO+CO2
NO+NO3
2NO2
สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์
พลังงานก่อกัมมันต์ (Activation energy)
 พลังงานก่ อกัมมันต์ หมายถึงพลังงานต่าทีส่ ุ ดทีท
่ าให้ เกิดปฏิกริ ิยาเคมีได้
อ.สุ นทร พรจาเริญ
สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์
ทฤษฎีสารเชิงซ้ อนกัมมันต์
(Activated-complex theory)
 ทฤษฎีสารเชิงซ้อนกัมมันต์เรี ยกอีก
ชื่อหนึ่งว่า ทฤษฎีสภาวะแทรนซิชนั
(Transition state
theory) เมื่ออนุภาคของสารตั้ง
ต้นชนกันจะเกิดสารที่ไม่เสถียรและ
มีพลังงานสู ง เรี ยกว่าสารเชิงซ้อนกัม
มันต์(Activated
complex)
อ.สุ นทร พรจาเริญ
สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์
ทฤษฎีสารเชิงซ้ อนกัมมันต์
(Activated-complex theory)
อ.สุ นทร พรจาเริญ
สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์
ทฤษฎีสารเชิงซ้ อนกัมมันต์
(Activated-complex theory)
อ.สุ นทร พรจาเริญ
สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์
พลังงานกับการดาเนินไปของปฏิกริ ิยา
E2
Ea
พลัง
งาน
(E)
2NO(g)
E
E1
N2(g) + O2(g)
การดาเนินไปของปฏิกริ ิยา
รู ปที่ 6 แสดงปฏิกริ ิยาดูดความร้ อนของปฏิกริ ิยา N2(g) + O2(g)
อ.สุ นทร พรจาเริญ
E3
2NO(g)
สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์
พลังงานกับการดาเนินไปของปฏิกริ ิยา
E2
พลัง
งาน
(E)
Ea
N2(g) + 3H2(g)
E1
E
2NH3(g)
E3
การดาเนินไปของปฏิกริ ิยา
รู ปที่ 7 แสดงปฏิกริ ิยาคายความร้ อนของปฏิกริ ิยา N2(g) + 3H2(g)
อ.สุ นทร พรจาเริญ
2NH3(g)
สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์
พลังงานกับการดาเนินไปของปฏิกริ ิยา
อ.สุ นทร พรจาเริญ
สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์
กลไกของปฏิกริ ิยา
(Reaction mechanism)
 กลไกของปฏิกิริยา หมายถึงลาดับขั้นย่อยของปฏิกิริยา และเรี ยก
สมการย่อยแต่ละสมการที่แทนปฏิกิริยาว่า กระบวนการปฐม
(Elementary process) หรื อปฏิกิริยาปฐม
(Elementary reaction)
 ขั้นกาหนดอัตรา(Rate determining step) หมายถึง
กระบวนการปฐมที่เกิดช้าที่สุดของกลไกปฏิกิริยา
 สารมัธยันตร์ (Intermediate) หมายถึงสารที่เกิดขึ้นระหว่างที่
ปฏิกิริยาดาเนินไป แต่ไม่ปรากฎสารนี้ในสมการรวมของปฏิกิริยา
อ.สุ นทร พรจาเริญ
สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์
กลไกของปฏิกริ ิยา
(Reaction mechanism)

NO2 + CO
CO2 + NO
มีข้ นั ตอนการเกิดดังนี้
ขั้นที่1 NO2 + NO2
NO3 + NO …..เกิดช้า
ขั้นที่2 NO3 + CO
NO2 + CO2 …..เกิดเร็ ว
Rate determining step คือ ขั้นที่1
Intermediate คือ NO3
อ.สุ นทร พรจาเริญ
สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์
โมเลกุลาริตี(Molecularity)
โมเลกุลาริ ตี หมายถึงการจาแนกกระบวนการปฐมตามจานวน
โมเลกุลของสารตั้งต้นที่เข้าชนกัน
 กระบวนการหนึ่งโมเลกุล(Unimolecular process)
N2O4
2NO2
 กระบวนการสองโมเลกุล(Bimolecular process)
NO + O2
NO3
 กระบวนการสามโมเลกุล(Termolecular process)
2NO + Br2
2NOBr
อ.สุ นทร พรจาเริญ
สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์
พลังงานกับปฏิกริ ิยาเคมีหลายขั้นตอน
E4
พลัง
งาน
(E)
E3
Ea3
E2
E1
E5
Ea1
A
Ea2
Ea4
X
B
E
การดาเนินไปของปฏิกริ ิยา A
อ.สุ นทร พรจาเริญ
B
สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์
พลังงานกับปฏิกริ ิยาเคมีหลายขั้นตอน
อ.สุ นทร พรจาเริญ
สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์
พลังงานกับปฏิกริ ิยาเคมีหลายขั้นตอน
อ.สุ นทร พรจาเริญ
สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์
พลังงานกับปฏิกริ ิยาเคมีหลายขั้นตอน
อ.สุ นทร พรจาเริญ
สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์
พลังงานกับปฏิกริ ิยาเคมีหลายขั้นตอน
อ.สุ นทร พรจาเริญ
สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์
ปัจจัยที่มีผลต่ ออัตราการเกิดปฏิกริ ิยา
 ธรรมชาติของสารตั้งต้น
 ความเข้มข้นของสารตั้งต้น
 พื้นที่ผวิ ของสารตั้งต้น
 ความดัน
 อุณหภูมิ
 ตัวเร่ งปฏิกิริยา
อ.สุ นทร พรจาเริญ
สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์
ธรรมชาติของสารตั้งต้ น
อ.สุ นทร พรจาเริญ
สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์
พืน้ ที่ผวิ ของสารตั้งต้ น
ตะปูเหล็กในแก๊สออกซิ เจน
อ.สุ นทร พรจาเริญ
ฝอยเหล็กในแก๊สออกซิ เจน
สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์
อุณหภูมิ
อ.สุ นทร พรจาเริญ
สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์
สมการอาร์ เรเนียส
 ค่าคงที่อตั รา(k) แปรผันตามอุณหภูมิ
 k = Ae-Ea/RT




อ.สุ นทร พรจาเริญ
A = frequency factor
Ea = activation energy
R = gas constant
= 8.314 J/mol.K
T = อุณหภูมิเคลวิน (K)
สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์
สมการอาร์ เรเนียส
 เขียนสมการอาร์ เรเนียสในรู ปลอกการิ ทึม จะได้
Ln k = ln A – Ea/RT
log k = log A – Ea/2.303RT………(1)
ถ้าให้ k1 และ k2 เป็ นค่าคงที่อตั ราที่อุณหภูมิ T1 และ T2
log k1 = log A – Ea/2.303 RT1 ……...(2)
log k2 = log A – Ea/2.303 RT2 ………(3)
(2)-(3): log k1/k2 = Ea/2.303 R(1/T2-1/T1)
อ.สุ นทร พรจาเริญ
สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์
สมการอาร์ เรเนียส
log k = log A – Ea/2.303 RT
จากสมการหมายความว่ า ถ้ าเขียนกราฟระหว่ าง log k กับ 1/T
จะได้ กราฟเส้ นตรงทีม่ คี วามชัน = - Ea/2.303 R
อ.สุ นทร พรจาเริญ
สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์
ตัวเร่ งปฏิกริ ิยา(Catalyst)
ตัวเร่ งปฏิกริ ิยา หมายถึงสารทีเ่ ปลีย่ นความเร็วของปฏิกริ ิ ยา โดยตัวเร่ ง
ปฏิกริ ิยาจะไม่ เกิดการเปลีย่ นแปลงทางเคมีอย่ างถาวรในปฏิกริ ิ ยาเมื่อ
สิ้นสุ ดปฏิกริ ิยาจะได้ ตวั เร่ งปฏิกริ ิยากลับคืนมา
 ตัวเร่ งปฏิกิริยาเอกพันธ์(Homogeneous catalyst)
หมายถึงตัวเร่ งปฏิกิริยาที่มีวฏั ภาคเดียวกันกับสารตั้งต้น
 ตัวเร่ งปฏิกิริยาวิวธิ ภัณฑ์(Heterogeneous catalyst)
หมายถึงตัวเร่ งปฏิกิริยาที่มีวฏั ภาคต่างจากสารตั้งต้น
อ.สุ นทร พรจาเริญ
สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์
ตัวเร่ งปฏิกริ ิยา(Catalyst)
อ.สุ นทร พรจาเริญ
สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์
ตัวเร่ งปฏิกริ ิยา(Catalyst)
อ.สุ นทร พรจาเริญ
สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์
ตัวเร่ งปฏิกริ ิยา(Catalyst)
ปฏิกริ ิยาการสลาย HCOOH เป็ น CO และ H2O โดยใช้ H2SO4 เป็ นตัวเร่ งปฏิกริ ิยา
อ.สุ นทร พรจาเริญ
สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์
ตัวเร่ งปฏิกริ ิยา(Catalyst)
อ.สุ นทร พรจาเริญ
สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์
ตัวเร่ งปฏิกริ ิยา(Catalyst)
C2H4 + H2
อ.สุ นทร พรจาเริญ
Ni
C2H6
สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์
ตัวเร่ งปฏิกริ ิยา(Catalyst)
E + S
อ.สุ นทร พรจาเริญ
ES
E + P
สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์
ตัวเร่ งปฏิกริ ิยา(Catalyst)
E1
ปฏิกริ ิยาทีไ่ ม่ มีตัวเร่ ง
E2
พลั
งงา
น
จล
น์
จานวนโมเลกุล
Ea1
พลั
งงา
น
ปฏิกริ ิยาทีม่ ีตัวเร่ ง
Ea2
E
การดาเนินไปของปฏิกริ ิยา
อ.สุ นทร พรจาเริญ
สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์
ตัวหน่ วงปฏิกริ ิยา(Inhibitor)
ปฏิกริ ิยาทีม่ ีตัวหน่ วงปฏิกริ ิยา
Ea2
พลัง
งาน
ปฏิกริ ิยาทีไ่ ม่ มีตัวหน่ วงปฏิกริ ิยา
Ea1
E
การดาเนินไปของปฏิกริ ิยา
 ตัวหน่วงปฏิกิริยา หมายถึงสารที่เติมลงไปในปฏิกิริยาแล้วทาให้
ปฏิกิริยาเคมีน้ นั เกิดช้าลง
อ.สุ นทร พรจาเริญ
สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์
กฎอัตรา(Rate law)
 กฎอัตรา คือสมการที่แสดงว่าอัตราการเกิดปฏิกิริยาขึ้นกับความ
เข้มข้นของสารตั้งต้นแต่ละชนิดอย่างไร ซึ่ งเขียนความสัมพันธ์น้ ีได้
ตาม Law of mass action “อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะเป็ น
สัดส่ วนโดยตรงกับสารตั้งต้นที่เข้าทาปฏิกิริยากัน”
aA + bB
จากสมการเขียนกฎอัตราได้ดงั นี้
cC + dD
r  [A]x[B]y
r = k [A]x[B]y
อ.สุ นทร พรจาเริญ
สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์
อันดับปฏิกริ ิยา
(Order of reaction)
 อันดับปฏิกิริยาเป็ นค่าตัวเลขใดๆ (x, y) อาจเป็ นเลขจานวนเต็ม หรื อเศษส่ วนก็
ได้ ซึ่งตัวเลขอันดับปฏิกิริยานี้ได้จากการทดลองหาอัตราการเกิดปฏิกิริยาเมื่อ
เปลี่ยนความเข้มข้นของสารตั้งต้นเท่านั้น
ปฏิกริ ิยาเคมี
กฎอัตรา
อันดับปฏิกริ ิยา
2HI
CH3CHO
2NO + Br2
อ.สุ นทร พรจาเริญ
H2 + I2
r = k[HI]0
CH4+CO r = k[CH3CHO]2
2NOBr
r = k[NO]2[Br2]
0
2
3
สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์
การคานวณเกีย่ วกับกฎอัตรา
 จากปฏิกิริยา 2NO+O2
2NO2 ที่ 25C ได้ผลการทดลองดัง
ตาราง จงคานวณหากฎอัตรา อันดับปฏิกิริยา และค่าคงที่อตั รา
การทดลองที่ ความเข้มข้นเริ่ มต้น (mol.dm-3)
อัตราเริ่ มต้นการเกิดNO2
NO
O2
(mol.dm-3.s-1)
1
0.01
0.01
0.007
2
0.01
0.02
0.014
3
0.01
0.03
0.021
4
0.02
0.03
0.084
อ.สุ นทร พรจาเริญ
สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์
การคานวณเกีย่ วกับกฎอัตรา
จากสมการเคมี 2NO + O2
2NO2
เขียนกฎอัตราได้ดงั นี้ r = k[NO]x[O2]y …..(1)
จากการทดลองที่3 และ 4 แทนค่าในสมการ(1) ไดดังนี้
0.021 = k[0.01]x[0.03]y …..(2)
(3)/(2),
อ.สุ นทร พรจาเริญ
0.084 = k[0.02]x[0.03]y …..(3)
4 = 2x
x=2
สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์
การคานวณเกีย่ วกับกฎอัตรา
จากการทดลองที่1 และ 2 แทนค่าในสมการ(1)
0.007 = k[0.01]x[0.01]y
…..(4)
0.014 = k[0.01]x[0.02]y
…..(5)
(5)/(4),
2 = 2y ,
y=1
กฎอัตราของปฏิกิริยานี้คือ
r = k[NO]2[O2]
อันดับของปฏิกิริยานี้คือ ปฏิกิริยาอันดับสาม
แทนค่า x,y ลงในสมการ(4), 0.007 = k[0.01]2[0.01]
k = 7.00x103 dm6.mol-2.s-1
อ.สุ นทร พรจาเริญ
สาขาวิชาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์
จลนศาสตร์ เคมี
(Chemical kinetics)
Soontorn Pornjumreon
Chemistry Department
Mahidolwittanusorn School
www.mwit.ac.th/~sp