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
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น