อุณหภูมิกับอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี

อุณหภูมิกับอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี เรื่อง อุณหภูมิกับอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี

           ปฏิกิริยาเคมีต่าง ๆ อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น เช่น การบ่มผลไม้ในภาชนะที่มีฝาปิดจะสุกเร็วกว่าการวางไว้ข้างนอกเพราะอุณหภูมิภายในภาชนะที่มีฝาปิดสูงกว่าภายนอกหรือการเก็บอาหารถ้าเก็บไว้ในตู้เย็นจะเน่าเสียช้ากว่าการเก็บไว้ข้างนอก หรือโลหะแมกนีเซียมทำปฏิกิริยากับน้ำเย็นได้ช้า  แต่เมื่อทำปฏิกิริยากับน้ำร้อนจะเกิดปฏิกิริยาเร็วขึ้น 

           ตัวอย่างการทดลองเพื่อศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างอัตราการเกิดปฏิกิริยากับอุณหภูมิ ได้แก่  การศึกษาปฏิกิริยาระหว่างสารละลายโพแทสเซียมเปอร์แมงกาเนต (KMnO₄) กับสารละลายกรดออกซาลิก  (H₂C₂O₄) ในกรดซัลฟิวริก (H₂SO₄) ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นคือ

2MnO₄^-(aq)  +  5H₂C₂O₄(aq)  +  6H⁺(aq)    ---------->   2Mn²⁺(aq)  +  10CO₂(g)  +  8H₂O(l)

           เนื่องจากก่อนเกิดปฏิกิริยาสารละลายมีสีม่วงแดง (สีของ MnO₄^-) เมื่อเกิดปฏิกิริยาสีจะจางลงจนกลายเป็นไม่มีสี เพราะสารผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นทุกชนิดไม่มีสี การวัดอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีสามารถวัดได้โดยการวัดการหายไปของสีคือ จับเวลาตั้งแต่ผสมสารละลายต่าง ๆ เข้าด้วยกัน จนกระทั่งสารละลายไม่มีสีจากการทดลองพบว่าเมื่อใช้อุณหภูมิสูงขึ้น (ปัจจัยอื่นคงที่) การหายไปของสีใช้เวลาน้อยลง แสดงว่าอุณหภูมิมีผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี กล่าวคือ อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีจะเพิ่มขึ้นเมื่อเพิ่มอุณหภูมิ และจะลดลงเมื่อลดอุณหภูมิ เมื่อเพิ่มอุณหภูมิขึ้น 10 ^๐C จะทำให้อัตราการชนกันของอนุภาคเพิ่มขึ้นเพียง 1 เปอร์เซ็นต์ แต่ในทางปฏิบัติปรากฏว่าเมื่อเพิ่มอุณหภูมิ 10 ^๐C อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีจะเพิ่มขึ้นประมาณ 2 – 3 เท่า

การอธิบายผลของอุณหภูมิที่มีผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี

           จากทฤษฎีจลน์ของแก๊ส เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นความเร็วเฉลี่ยของโมเลกุลของแก๊สจะเพิ่มขึ้นทำให้โมเลกุลมีพลังงานจลน์สูงขึ้น เมื่อเป็นเช่นนี้จึงใช้ทฤษฎีการชนกันอธิบายผลของอุณหภูมิต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีได้ว่า เมื่ออนุภาคเคลื่อนที่เร็วขึ้นโอกาสที่อนุภาคจะเคลื่อนที่ชนกันก็ย่อมเกิดได้มากขึ้นปฏิกิริยาเคมีจึงเกิดเร็วขึ้น 

           จากปรากฏการณ์ดังกล่าวจะใช้ทฤษฎีการชนกันอย่างเดียวอธิบายไม่ได้ จะต้องใช้ความรู้เรื่อง    การกระจายพลังงานจลน์โมเลกุลของแก๊สที่อุณหภูมิต่าง ๆ มาช่วยอธิบายด้วย เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นจะทำให้จำนวนโมเลกุลของแก๊สที่มีพลังงานจลน์สูงพอที่จะทำให้การชนกันนั้นได้พลังงานสูงเท่ากับหรือมากกว่าพลังงานก่อกัมมันต์เพิ่มมากขึ้น เมื่อจำนวนโมเลกุลที่มีพลังงานสูงพอมีมากขึ้นการชนกันของโมเลกุลที่เป็นผลสำเร็จก็จะเพิ่มมากขึ้นหรือเกิดปฏิกิริยาเร็วขึ้นนั่นเอง

           ดังนั้นจึงสรุปได้ว่า การเพิ่มอุณหภูมิทำให้ปฏิกิริยาเกิดเร็วขึ้นหรืออัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีเพิ่มขึ้นเพราะเมื่อเพิ่มอุณหภูมิทำให้จำนวนอนุภาคที่มีพลังงานสูงพอมีมากขึ้นทำให้อนุภาคชนกันแล้วเป็นผลสำเร็จหรือเกิดปฏิกิริยาได้บ่อยครั้งขึ้นและยังเกิดความถี่ในการชนกันของอนุภาคที่เพิ่มขึ้นด้วย แต่กรณีหลังไม่ใช่สาเหตุที่สำคัญ

รูปที่ 1 แสดงการกระจายพลังงานจลน์ของโมเลกุลของแก๊สที่อุณหภูมิต่างกัน

ที่มา : สำราญ พฤกษ์สุนทร, 2547.

           จากรูปที่ 1 โมเลกุลที่ชนกันแล้วได้พลังงานเท่ากับหรือมากกว่าพลังงานก่อกัมมันต์ (Ea) หรือชนกันแล้วเกิดปฏิกิริยาได้ โมเลกุลนั้นจะต้องมีพลังงานจลน์อย่างน้อยเท่ากับ E ดังนั้นโมเลกุลที่ชนกันแล้วเกิดปฏิกิริยาได้คือโมเลกุลที่มีพลังงานจลน์เท่ากับ E ชนกันหรือโมเลกุลที่มีพลังงานจลน์เท่ากับ E ชนกับโมเลกุลที่มีพลังงานจลน์มากกว่า E หรือโมเลกุลที่มีพลังงานจลน์มากกว่า E ชนกันหรือโมเลกุลที่มีพลังงานจลน์มากกว่าชนกับโมเลกุลที่มีพลังงานจลน์น้อยกว่า E เล็กน้อย ที่อุณหภูมิ T₂ ซึ่งเป็นอุณหภูมิที่สูงกว่ามีจำนวนโมเลกุล (อนุภาค) ที่มีพลังงานจลน์สูงพอ (≥E) มากกว่าที่อุณหภูมิ T₁ การชนกันของโมเลกุลที่เป็นผลสำเร็จหรือเกิดปฏิกิริยาได้ที่อุณหภูมิ T₂ จึงมากกว่าที่อุณหภูมิ T₁ และที่อุณหภูมิ T₂ โมเลกุลยังชนกันบ่อยครั้งกว่าที่อุณหภูมิ T₁ อีกด้วย จึงเป็นผลให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาที่อุณหภูมิ T₂ มากกว่าที่อุณหภูมิ T₁

รูปที่ 2 เปรียบเทียบจำนวนโมเลกุลที่มีพลังงานจลน์อย่างน้อยเท่ากับ E ซึ่งชนกันแล้วได้พลังงานศักย์

                เท่ากับหรือมากกว่าพลังงานก่อกัมมันต์ (Ea) ที่อุณหภูมิต่าง ๆ

ที่มา : สำราญ  พฤกษ์สุนทร, 2547.

           จากรูปที่ 2 ที่อุณหภูมิ T₂ มีจำนวนโมเลกุลที่มีพลังงานจลน์เท่ากับหรือมากกว่า E ซึ่งชนกันแล้วได้พลังงานศักย์เท่ากับหรือมากกว่าพลังงานก่อกัมมันต์ (Ea) มากกว่าที่อุณหภูมิ T₁ ถ้าโมเลกุลมีพลังงานจลน์เท่ากับ E ชนกัน จะได้พลังงานศักย์เท่ากับพลังงานก่อกัมมันต์ (Ea) พอดี