อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี

04/10/54

1

อตราการเกดปฏกรยาเคม

โดย จรฎฐ สขใจเหลอ

โรงเรยนแมใจวทยาคม

เอกสารส าหรบเผยแพร วชาเคม ว.40223 ปการศกษา 2551


จรฎฐ สขใจเหลอ โรงเรยนแมใจวทยาคม

การเกดปฏกรยาเคม หมายถงการทสารตงตน(reactant)เปลยนไปเปนสารใหมหรอสารผลตภณฑ(product)โดยปรมาณหรอความเขมขนของสารตงตนจะลดลง แตปรมาณหรอความเขมขนของสารผลตภณฑจะเพมขน

04/10/54

2



อตราการเกดปฏกรยาเคม หมายถงการเปลยนแปลงความเขมขนของสารตงตนหรอสารผลตภณฑตอหนวยเวลา

A + B C + D

Mg(s) + 2HCl(aq) MgCl2(aq) + H2(g)

สารตงตนลดลง ผลตภณฑเพมขน



การทดลอง ปฏกรยา Mg กบ HCl


Mg(s) + 2H+ (aq) Mg2+ (aq) + H2(g)

V (H2) Time (s)

1-2 20

2-3 40

3-4 65

4-5 86

5-6 109

6-7 134

7-8 164

8-9 204

9-10 256

04/10/54

3





Mg(s) + 2H+ (aq) Mg2+ (aq) + H2(g)

V (H2) Time (s)

1-2 20

2-3 40

3-4 65

4-5 86

5-6 109

6-7 134

7-8 164

8-9 204

9-10 256

* การเกบแกส แตละชวงใชเวลาเทากนหรอไม

* นอกจากดปรมาตรH2 แลวดอะไรไดอกทเปลยนแปลงไดบาง




V (H2) Time (s)

1-2 20

2-3 40

3-4 65

4-5 86

5-6 109

6-7 134

7-8 164

8-9 204

9-10 256

Volume of Hydrogen gas

0

50

100

150

200

250

300

1 - 2 cm

2 - 3 cm

3 - 4 cm

4 - 5 cm

5 - 6 cm

6 - 7 cm

7 - 8 cm

8 - 9 cm

9 - 10 cm

Volume

Tim

e

Time (s)

04/10/54

4



ปรมาณสารตงตนทลดลง เวลา อตราการเกดปฏกรยาเคม =

A + B C + D

[A]

t อตราการเกดปฏกรยาเคม = =

[A2]- [A1]

t2 – t1

[B]


[B2]- [B1]

t2 – t1

Mg(s) + 2H+ (aq) Mg2+ (aq) + H2(g)

สตรตดลบ



เวลา อตราการเกดปฏกรยาเคม = ปรมาณสารผลตภณฑทเกดขน

A + B C + D

[C]


[C2]- [C1]

t2 – t1

Mg(s) + 2H+ (aq) Mg2+ (aq) + H2(g)

[D]


[D2]- [D1]

t2 – t1

สตรไมตดลบ

04/10/54

5



ชนดของอตราการเกดปฏกรยา

อตราการเกดปฏกรยาเฉลย (Average rate)

อตราการเกดปฏกรยา ณ ขณะใดขณะหนง (Instantaneous rate)



[] อตราการเกดปฏกรยาเฉลย(Average rate) หมายถงปรมาณของสารผลตภณฑทเกดขนทงหมด หรอปรมาณของสารตงตนทลดลงทงหมดตอเวลาทงหมดทใชในการเกดปฏกรยา อตราการเกดปฏกรยาเฉลย = อตราการเกดปฏกรยาเฉลย =

ปรมาณสารตงตนทลดลงทงหมด

เวลาทงหมดทใชในการเกดปฏกรยา

ปรมาณสารผลตภณฑทเกดขนทงหมด เวลาทงหมดทใชในการเกดปฏกรยา

04/10/54

6



อตราการเกดปฏกรยาเคม ณ ขณะใดขณะหนง

• อตราการเกดปฏกรยา ณ ขณะใดขณะหนง(Instantaneous rate) หมายถงปรมาณสารตงตนทเกดขน ณ ขณะใดขณะหนง หรอปรมาณสารผลตภณฑทลดลง ณ ขณะใดขณะหนงตอเวลาทใชในการเกดปฏกรยาในชวงนน ซงอตราการเกดปฏกรยาชนดนหาไดจากคาความชน(slope)ของกราฟ



ตวอยาง 2N2O5(g) 4NO2 (g) + O2(g)

Time (s) ความเขมขน ( mol/dm3)

N2O5 NO2 O2

0

100

200

300

400

500

600

0.0200

0.0169

0.0142

0.0120

0.0101

0.0086

0.0072

0.0000

0.0063

0.0115

0.0160

0.0197

0.0229

0.0256

0.0000

0.0016

0.0029

0.0040

0.0049

0.0057

0.0064

• ในชวงเวลา 0 -100 และ 500 – 600 วนาท อตราการสลายตวของแกส N2O5 มคาเทาใด

• ในชวงเวลา 0 -100 และ 500 – 600 วนาท อตราการเกดของแกส NO2 มคาเทาใด

04/10/54

7





04/10/54

8



สารตงตนลดลง

ผลตภณฑเพมขน

กราฟแสดงความสมพนธระหวางความเขมขน

กบเวลา

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0 100 200 300 400 500 600

เวาล วนาท

ความ

เขม

ขน

โม

ลาร

N2O5

NO2

O2



กราฟแสดงความสมพนธระหวางความเขมขน

กบเวลา

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0 100 200 300 400 500 600

เวาล วนาท

ความ

เขม

ขน

โม

ลาร

N2O5

NO2

O2

y x

•ความชน(slope)ของกราฟ

Slope = y x

Slope = 0.0087 250

Slope = 3. 5 x 10-5 mol/dm3.s

04/10/54

9



aA + bB cC + dD

อตราการเกดปฏกรยา(r) = อตราการลดลงของสารA = - -

= อตราการลดลงของสารB = - -

= อตราการเกดสารC = + -

= อตราการเกดสารD = + -

1 a

[A]

t

1 b

[B]

t

1 c

[C]

t

1 d

[D]

t



ตวอยาง ปฏกรยาการเกดแอมโมเนย (Ammonia) N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) (a) ถาความเขมขนของ ammonia เพมขนดวยอตราการเกดเทากบ 0.024 mol L-1s-1 จงหาอตราการหายไปของ H2

r [H2] t = -

1 3

[NH3] t =

1 2 [NH3] t

= 3 2

[H2] t

X 0.024 mol L-1s-1 = 3 2

= 0.036 mol L-1s-1

04/10/54

10

ทฤษฎจลนศาสตรเคม


ทฤษฎจลนศาสตรเปนทฤษฎทใชอธบายการเกดปฏกรยาเคมของสารตงแต 2 ชนดขนไป


ทฤษฎการชน (Collision theory)

ทฤษฎสารเชงซอนกมมนต (Activated-complex theory)



ทฤษฎการชน(Collision theory)

ปฏกรยาเคมเกดขนไดเมอ •อนภาคของสารตงตนจะตองชนกน •ทศทางในการชนตองเหมาะสม •พลงงานรวมในการชนตองเทากบพลงงานกอกมมนต

04/10/54

11



ทฤษฎการชน(Collision theory)

• ทศทางในการชนทเหมาะสม NO2+CO NO+CO2 NO+NO3 2NO2



พลงงานกอกมมนต(Activation energy)

พลงงานกอกมมนต หมายถงพลงงานต าทสดทท าใหเกดปฏกรยาเคมได EA

04/10/54

12



ทฤษฎสารเชงซอนกมมนต(Activated-complex theory)

• ทฤษฎสารเชงซอนกมมนตเรยกอกชอหนงวา ทฤษฎสภาวะแทรนซชน(Transition state theory) เมออนภาคของสารตงตนชนกนจะเกดสารทไมเสถยรและมพลงงานสง เรยกวาสารเชงซอนกมมนต(Activated complex)



พลงงานกบการด าเนนไปของปฏกรยาเคม

ผลตภณฑจะมพลงงานต ากวาสารตงตน

ปฏกรยาคายพลงงาน

ปฏกรยาทผลตภณฑมพลงงานต ากวาสารตงตน

E3 – E1 = - E

E1 + E2 = EA

04/10/54

13



พลงงานกบการด าเนนไปของปฏกรยาเคม

ผลตภณฑจะมพลงงานสงกวาสารตงตน

ปฏกรยาดดพลงงาน

ปฏกรยาทผลตภณฑมพลงงานสงกวาสารตงตน

E3 – E1 = E

E1 + E2 = EA



กลไกของปฏกรยา(Reaction mechanism)

• กลไกของปฏกรยา หมายถงล าดบขนยอยของปฏกรยา และเรยกสมการยอยแตละสมการทแทนปฏกรยาวา กระบวนการปฐม(Elementary process) หรอปฏกรยาปฐม(Elementary reaction) •ขนก าหนดอตรา(Rate determining step) หมายถงกระบวนการปฐมทเกดชาทสดของกลไกปฏกรยา •สารมธยนตร(Intermediate) หมายถงสารทเกดขนระหวางทปฏกรยาด าเนนไป แตไมปรากฎสารนในสมการรวมของปฏกรยา

04/10/54

14



กลไกของปฏกรยา(Reaction mechanism)

NO2 + CO CO2 + NO มขนตอนการเกดดงน

ขนท1 NO2 + NO2 NO3 + NO …..เกดชา ขนท2 NO3 + CO NO2 + CO2 …..เกดเรว

Rate determining step คอ ขนท1 Intermediate คอ NO3



พลงงานกบปฏกรยาเคมหลายขนตอน

พลงงาน (E)

E1

E2

E3

E4

E5 A

X

B

Ea4

Ea1

Ea2 Ea3

การด าเนนไปของปฏกรยา A B

E

04/10/54

15





- H

NOH3 เปน Intermediate





- H

N2O2 เปน Intermediate

04/10/54

16





- H

Cl และ COCl เปน Intermediate

ปจจยทมผลตออตราการเกดปฏกรยา


• ธรรมชาตของสารตงตน • ความเขมขนของสารตงตน • พนทผวของสารตงตน • ความดน • อณหภม • ตวเรงปฏกรยา

04/10/54

17



• ธรรมชาตของสารตงตน



•พนทผวของสารตงตน

ตะปเหลกในแกสออกซเจน ฝอยเหลกในแกสออกซเจน

04/10/54

18



•อณหภม



•สมการอารเรเนยส

• คาคงทอตรา(k) แปรผนตามอณหภม

• k = Ae-Ea/RT

A = frequency factor

Ea = activation energy

R = gas constant

= 8.314 J/mol.K

T = อณหภมเคลวน (K)

04/10/54

19



•สมการอารเรเนยส

เขยนสมการอารเรเนยสในรปลอกการทม จะได Ln k = ln A – Ea/RT log k = log A – Ea/2.303RT………(1) ถาให k1 และ k2 เปนคาคงทอตราทอณหภม 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)



•สมการอารเรเนยส log k = log A – Ea/2.303 RT จากสมการหมายความวา ถาเขยนกราฟระหวาง log k กบ 1/T จะไดกราฟเสนตรงทมความชน = - Ea/2.303 R

04/10/54

20



ตวอยางโจทย ก าหนดปฏกรยาCH4(g) + 2S2(g) CS2(g) + H2(g) ท

อณหภม 550 0C มคาคงทอตราการเกดปฏกรยาเปน 1.1 mol/dm3.sและทอณหภม 625 0C คาคงทอตราการเกดปฏกรยาเปน 6.4 mol/dm3.s จงหาพลงงานกอกมมนต Ea

ก าหนด log5.81 = 0.764



•ตวเรงปฏกรยา(Catalyst)

ตวเรงปฏกรยา หมายถงสารทเปลยนความเรวของปฏกรยา โดยตวเรง

ปฏกรยาจะไมเกดการเปลยนแปลงทางเคมอยางถาวรในปฏกรยาเมอ

สนสดปฏกรยาจะไดตวเรงปฏกรยากลบคนมา

ตวเรงปฏกรยาเอกพนธ(Homogeneous catalyst) หมายถงตวเรงปฏกรยาทมวฏภาคเดยวกนกบสารตงตน ตวเรงปฏกรยาววธภณฑ(Heterogeneous catalyst) หมายถงตวเรงปฏกรยาทมวฏภาคตางจากสารตงตน

04/10/54

21







04/10/54

22




ปฏกรยาการสลาย HCOOH เปน CO และ H2O โดยใช H2SO4 เปนตวเรงปฏกรยา




04/10/54

23




C2H4 + H2 C2H6 Ni




E + S ES E + P

04/10/54

24




จ านวนโมเลกล

พลงงานจลน

E1

E2 Ea1

Ea2

E

การด าเนนไปของปฏกรยา

พลงงาน

ปฏกรยาทไมมตวเรง

ปฏกรยาทมตวเรง

การด าเนนไปของปฏกรยา

ปฏกรยาทมตวหนวงปฏกรยา

ปฏกรยาทไมมตวหนวงปฏกรยา

พลงงาน

Ea1

Ea2

E



•ตวหนวงปฏกรยา(Inhibitor)

• ตวหนวงปฏกรยา หมายถงสารทเตมลงไปในปฏกรยาแลวท าใหปฏกรยาเคมนนเกดชาลง

04/10/54

25



•กฎอตรา(Rate law) กฎอตรา คอสมการทแสดงวาอตราการเกดปฏกรยาขนกบความเขมขนของสารตงตนแตละชนดอยางไร ซงเขยนความสมพนธนไดตาม Law of mass action “อตราการเกดปฏกรยาจะเปนสดสวนโดยตรงกบสารตงตนทเขาท าปฏกรยากน”

aA + bB cC + dD จากสมการเขยนกฎอตราไดดงน

r [A]x[B]y r = k [A]x[B]y



•อนดบปฏกรยา(Order of reaction)

• อนดบปฏกรยาเปนคาตวเลขใดๆ (x, y) อาจเปนเลขจ านวนเตม หรอเศษสวนกได ซงตวเลขอนดบปฏกรยานไดจากการทดลองหาอตราการเกดปฏกรยาเมอเปลยนความเขมขนของสารตงตนเทานน

ปฏกรยาเคม กฎอตรา อนดบปฏกรยา

2HI H2 + I2 r = k[HI]0 0

CH3CHO CH4+CO r = k[CH3CHO]2 2 2NO + Br2 2NOBr r = k[NO]2[Br2] 3

04/10/54

26



•กราฟอนดบปฏกรยา

อนดบ 0




อนดบ 1

04/10/54

27




อนดบ 2



•การค านวณเกยวกบกฎอตรา

• จากปฏกรยา 2NO+O2 2NO2 ท 25C ไดผลการทดลองดงตาราง จงค านวณหากฎอตรา อนดบปฏกรยา และคาคงทอตรา

การทดลองท ความเขมขนเรมตน (mol.dm-3) อตราเรมตนการเกดNO2

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

04/10/54

28




จากสมการเคม 2NO + O2 2NO2 เขยนกฎอตราไดดงน r = k[NO]x[O2]y …..(1)

จากการทดลองท3 และ 4 แทนคาในสมการ(1) ไดดงน 0.021 = k[0.01]x[0.03]y …..(2) 0.084 = k[0.02]x[0.03]y …..(3)

(3)/(2), 4 = 2x x = 2




จากการทดลองท1 และ 2 แทนคาในสมการ(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 กฎอตราของปฏกรยานคอ r = k[NO]2[O2] อนดบของปฏกรยานคอ ปฏกรยาอนดบสาม

แทนคา x,y ลงในสมการ(4), 0.007 = k[0.01]2[0.01]

k = 7.00x103 dm6.mol-2.s-1

อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี

Documents

catalyst catalyst

b t1 c

c t1 d

time s moldm3

slope y slope

s es e

aq mg2

t h2 3nh3