อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี

อัตราการเกิดปฏิกิริยา

อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีหมายถึงการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของ สารตั้งต้นหรือผลิตภัณฑ์ เมื่อเวลาผ่านไป อัตราของปฏิกิริยาเคมีเป็นฟังก์ชันที่แสดงอยู่ในรูปแบบของสมการอัตราที่ใช้โดยทั่วไป การเปลี่ยนแปลงในปริมาณของส่วนประกอบในสมการมักจะแสดงออกมาเป็นความเข้มข้นของฟันกราม โปรดทราบว่าคุณสามารถใช้วิธีอื่นในการแสดงปริมาณได้ เช่น มวล เศษส่วนโมลาร์ หรือเศษส่วนอะตอม (อัตราส่วน) เคมียังใช้แนวคิดขั้นสูงที่เรียกว่า อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีทันที สามารถมองเห็นลำดับปฏิกิริยาได้โดยการวางแผนความสัมพันธ์ระหว่าง ความเข้มข้นของฟันกราม (บนแกน y) และเวลาปฏิกิริยา (บนแกน x) สำหรับเส้นโค้งผลลัพธ์ จะมีการกำหนดแทนเจนต์และความชันของมัน ซึ่งส่วนหลังจะสอดคล้องกับอัตราการเกิดปฏิกิริยาทันที อีกค่าหนึ่งที่แสดงลักษณะของอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีก็คือสิ่งที่เรียกว่า ครึ่งชีวิต . เป็นค่าที่อธิบายพฤติกรรมของธาตุกัมมันตภาพรังสีในช่วงเวลาหนึ่ง ครึ่งชีวิตคือเวลาที่ต้องใช้ครึ่งหนึ่งของปริมาณเริ่มต้นของสารตั้งต้นในการทำปฏิกิริยา ซึ่งหมายความว่ายิ่งครึ่งชีวิตนานขึ้น ค่าคงที่อัตรา k ในสมการอัตราของปฏิกิริยาเคมีก็จะยิ่งน้อยลงเท่านั้น ปัจจัยที่ส่งผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี:

• ความเข้มข้นของสารตั้งต้น – ได้รับการพิสูจน์แล้วครั้งแล้วครั้งเล่าว่าอัตราการเกิดปฏิกิริยาขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสารตั้งต้นอย่างเด็ดขาด ยิ่งความเข้มข้นในระบบสูงเท่าไร กระบวนการเฉพาะก็จะดำเนินไปเร็วขึ้นเท่านั้น สิ่งนี้สามารถอธิบายได้โดยใช้ทฤษฎีการชนกัน ตามทฤษฎีนี้ เงื่อนไขสำหรับปฏิกิริยาเคมีที่จะเกิดขึ้นก็คือการชนกันสำเร็จ (เช่น การชนกันด้วยพลังงานที่เพียงพอ) ระหว่างโมเลกุลของสารตั้งต้นแต่ละตัว ดังนั้น ยิ่งโมเลกุลของสารตั้งต้นมีมากขึ้น (ความเข้มข้นของสารก็จะยิ่งสูงขึ้น) ความน่าจะเป็นที่จะเกิดการชนกันก็จะยิ่งสูงขึ้น และด้วยเหตุนี้ อัตราการเกิดปฏิกิริยาก็จะยิ่งสูงขึ้น (นี่คือความสัมพันธ์ตามสัดส่วนโดยตรง)
• ตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีอยู่ในระบบ – ตัวเร่งปฏิกิริยาคือสารที่เมื่อเพิ่มเข้าไปในระบบปฏิกิริยา จะเพิ่มอัตราที่ปฏิกิริยาเคมีจะเกิดขึ้น สิ่งนี้เกี่ยวข้องกับการลดพลังงานกระตุ้น กล่าวคือ พลังงานที่จำเป็นสำหรับซับสเตรตเพื่อเอาชนะอุปสรรคด้านพลังงานของปฏิกิริยา และสร้างสารเชิงซ้อนเชิงรุก (สถานะการเปลี่ยนผ่าน) ก่อนการก่อตัวของผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาจริง การลดพลังงานกระตุ้นโดยตัวเร่งปฏิกิริยาหมายความว่าต้องใช้พลังงานน้อยลงในการเริ่มต้นปฏิกิริยาเคมี
• อุณหภูมิและความดัน – ตามกฎของแวนท์ ฮอฟฟ์ การเพิ่มอุณหภูมิของระบบปฏิกิริยาขึ้น 10ᵒC จะทำให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาเพิ่มขึ้น 2 ถึง 4 เท่า ความสัมพันธ์นี้ทำให้สามารถประมาณอัตราการเกิดปฏิกิริยาได้หากอุณหภูมิเพิ่มขึ้น แต่ไม่สามารถใช้กับปฏิกิริยาทั้งหมดได้ และในกรณีพิเศษ อาจทำให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาลดลงหรือผลิตภัณฑ์ที่ไม่พึงประสงค์ด้วยซ้ำ สำหรับปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับสารที่เป็นก๊าซเท่านั้น ความดันในระบบมีบทบาทสำคัญ การเพิ่มขึ้นของค่านี้หมายความว่าความเข้มข้นของสารตั้งต้นสูงขึ้น ดังนั้นการชนกันระหว่างโมเลกุลแต่ละโมเลกุลได้สำเร็จจึงเกิดขึ้นได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น และอัตราการเกิดปฏิกิริยาก็เพิ่มขึ้น
• ระดับความละเอียด – ปฏิกิริยาเคมีที่เกี่ยวข้องกับพื้นผิวที่เป็นของแข็งจะเกิดขึ้นบนพื้นผิว ยิ่งพื้นที่ผิวของสารมีขนาดใหญ่เท่าใด ปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องก็จะเร็วขึ้นและมีประสิทธิภาพมากขึ้นเท่านั้น ดังนั้นเพื่อเพิ่มพื้นที่นี้ให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้พื้นผิวจึงถูกบดหรือเจียร ตัวอย่างคือ ผงเหล็กซึ่งออกซิไดซ์อย่างรวดเร็วในเปลวไฟของคบเพลิง ซึ่งเป็นผลกระทบที่จะไม่สังเกตพบเมื่อให้ความร้อนแก่แท่งเหล็ก
• การผสม – การผสมมีผลเช่นเดียวกันกับอัตราการเกิดปฏิกิริยากับระดับความละเอียด การเริ่มต้นการเคลื่อนที่ของโมเลกุลในระบบนำไปสู่การสัมผัสบ่อยขึ้นและการก่อตัวของผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยา ในกระบวนการพื้นผิว การผสมช่วยให้โมเลกุลผลลัพธ์หลุดออกจากกัน เช่น จากพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยา ซึ่งจะเป็นการเพิ่มการเข้าถึงศูนย์กลางที่ใช้งานอยู่สำหรับซับสเตรตอื่นๆ

สมการอัตรา

สมการอัตราสามารถใช้เพื่ออธิบายความสัมพันธ์ระหว่างอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีกับความเข้มข้นของซับสเตรต การเปลี่ยนแปลงทางเคมีแต่ละครั้งจะมีสมการอัตราลักษณะเฉพาะ กล่าวอย่างง่ายที่สุด ความสัมพันธ์นี้สามารถแสดงเป็นผลคูณของสัมประสิทธิ์ k (เรียกว่าค่าคงที่อัตราการเกิดปฏิกิริยา ซึ่งเป็นค่าคงที่สำหรับปฏิกิริยาเคมีเฉพาะที่อุณหภูมิใดอุณหภูมิหนึ่ง) และความเข้มข้นของสารตั้งต้น รูปแบบของสมการอัตราขึ้นอยู่กับลำดับปฏิกิริยา:

• ปฏิกิริยาลำดับที่หนึ่ง – อัตราจะขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสารตั้งต้นเท่านั้น ซึ่งยกกำลังแรก
• ปฏิกิริยาลำดับที่สอง – ในกรณีนี้ ทั้งส่วนประกอบที่ทำปฏิกิริยาหรือสัมประสิทธิ์ปริมาณสัมพันธ์ที่ด้านหน้าของซับสเตรตเดียว (เช่น ในปฏิกิริยาการสลายตัว) จะต้องรวมอยู่ในสมการอัตรา ในปฏิกิริยาดังกล่าว อัตราจะขึ้นอยู่กับผลคูณของความเข้มข้นของซับสเตรต

ตัวอย่างที่ให้ไว้ข้างต้นเป็นตัวอย่างที่พบบ่อยที่สุด เนื่องจากปฏิกิริยาเคมีส่วนใหญ่จะเกิดในลำดับที่หนึ่งหรือสอง แต่ควรจำไว้ว่าปฏิกิริยาในลำดับที่แตกต่างกัน เช่น ลำดับศูนย์ ซึ่งอัตราการเกิดปฏิกิริยาไม่ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสารตั้งต้นก็เป็นไปได้เช่นกัน สมการอัตราที่เขียนขึ้นสำหรับปฏิกิริยาเคมีโดยเฉพาะจะขึ้นอยู่กับกลไกของมันเป็นหลัก กล่าวคือ ลำดับของปฏิกิริยาเบื้องต้นที่โมเลกุลเกิดการเปลี่ยนแปลง ในกรณีของกระบวนการกลไกหลายขั้นตอน อัตราของปฏิกิริยาทั้งหมดจะถูกกำหนดโดยขั้นตอนที่ช้าที่สุด ในสถานการณ์เช่นนี้ การระบุสมการอัตราอย่างแม่นยำเป็นเรื่องยาก หรืออาจซับซ้อนมากก็ได้ สมการอัตรายังเชื่อมโยงกับแนวคิดเรื่อง ลำดับของปฏิกิริยาเคมี ด้วย ลำดับถูกกำหนดให้เป็นผลรวมของเลขชี้กำลังในสมการอัตรา โดยจะกำหนดจำนวนโมเลกุล ไอออน หรืออะตอมที่ต้องมีส่วนร่วมในการชนกันสำเร็จจึงจะเกิดปฏิกิริยาเคมี

ผลกระทบของตัวเร่งปฏิกิริยาต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี

ตัวเร่งปฏิกิริยาคือสารที่มีอยู่ในระบบจะเพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี ที่สำคัญตัวพวกเขาเองไม่ตอบสนองในกระบวนการ เมื่อรวมกับสารตั้งต้นจะก่อให้เกิดสิ่งที่เรียกว่าสารเชิงซ้อนเชิงซ้อนซึ่งแปลงสภาพได้ง่ายกว่ามาก เมื่อปฏิกิริยาเคมีเสร็จสมบูรณ์ ตัวเร่งปฏิกิริยาจะถูกสร้างขึ้นใหม่ในรูปแบบเดิม หน้าที่หลักของตัวเร่งปฏิกิริยาคือการลดพลังงานกระตุ้น กล่าวคือ พลังงานที่ต้องจ่ายเพื่อให้เกิดการชนกันระหว่างพื้นผิวที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาจึงจะเกิดขึ้น เราสามารถแยกแยะการเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกันได้ (ตัวเร่งปฏิกิริยาและสารตั้งต้นอยู่ในสถานะทางกายภาพเดียวกัน) การเร่งปฏิกิริยาแบบต่างกัน (ตัวเร่งปฏิกิริยาและสารตั้งต้นอยู่ในสถานะทางกายภาพที่แตกต่างกัน ซึ่งเป็นประเภทการเร่งปฏิกิริยาที่พบบ่อยที่สุด ซึ่งตัวเร่งปฏิกิริยาเรียกว่าการสัมผัส) และการเร่งปฏิกิริยาอัตโนมัติ (หนึ่งในผลลัพธ์ที่ได้จะเร่งปฏิกิริยาเคมีเพิ่มเติม) ตัวเร่งปฏิกิริยาและตัวเร่งปฏิกิริยาเป็นส่วนที่มีคุณค่าและสำคัญอย่างยิ่งของกระบวนการทางอุตสาหกรรมส่วนใหญ่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งใน กระบวนการทางอุตสาหกรรมเคมี ตัวเร่งปฏิกิริยาใช้ในกระบวนการทางเทคโนโลยีส่วนใหญ่ในวิชาเคมี เช่น ในการผลิต กรดไนตริก (V) หรือ กรดซัลฟิวริก (VI)