04/10/54
1
อตราการเกดปฏกรยาเคม
โดย จรฎฐ สขใจเหลอ
โรงเรยนแมใจวทยาคม
เอกสารส าหรบเผยแพร วชาเคม ว.40223 ปการศกษา 2551
อตราการเกดปฏกรยาเคม
จรฎฐ สขใจเหลอ โรงเรยนแมใจวทยาคม
การเกดปฏกรยาเคม หมายถงการทสารตงตน(reactant)เปลยนไปเปนสารใหมหรอสารผลตภณฑ(product)โดยปรมาณหรอความเขมขนของสารตงตนจะลดลง แตปรมาณหรอความเขมขนของสารผลตภณฑจะเพมขน
04/10/54
2
อตราการเกดปฏกรยาเคม
จรฎฐ สขใจเหลอ โรงเรยนแมใจวทยาคม
อตราการเกดปฏกรยาเคม หมายถงการเปลยนแปลงความเขมขนของสารตงตนหรอสารผลตภณฑตอหนวยเวลา
A + B C + D
Mg(s) + 2HCl(aq) MgCl2(aq) + H2(g)
สารตงตนลดลง ผลตภณฑเพมขน
อตราการเกดปฏกรยาเคม
จรฎฐ สขใจเหลอ โรงเรยนแมใจวทยาคม
การทดลอง ปฏกรยา Mg กบ HCl
Mg(s) + 2HCl(aq) MgCl2(aq) + H2(g)
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
อตราการเกดปฏกรยาเคม
จรฎฐ สขใจเหลอ โรงเรยนแมใจวทยาคม
การทดลอง ปฏกรยา Mg กบ HCl
Mg(s) + 2HCl(aq) MgCl2(aq) + H2(g)
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
อตราการเกดปฏกรยาเคม
จรฎฐ สขใจเหลอ โรงเรยนแมใจวทยาคม
การทดลอง ปฏกรยา Mg กบ HCl
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
อตราการเกดปฏกรยาเคม
จรฎฐ สขใจเหลอ โรงเรยนแมใจวทยาคม
ปรมาณสารตงตนทลดลง เวลา อตราการเกดปฏกรยาเคม =
A + B C + D
[A]
t อตราการเกดปฏกรยาเคม = =
[A2]- [A1]
t2 – t1
[B]
t อตราการเกดปฏกรยาเคม = =
[B2]- [B1]
t2 – t1
Mg(s) + 2H+ (aq) Mg2+ (aq) + H2(g)
สตรตดลบ
อตราการเกดปฏกรยาเคม
จรฎฐ สขใจเหลอ โรงเรยนแมใจวทยาคม
เวลา อตราการเกดปฏกรยาเคม = ปรมาณสารผลตภณฑทเกดขน
A + B C + D
[C]
t อตราการเกดปฏกรยาเคม = =
[C2]- [C1]
t2 – t1
Mg(s) + 2H+ (aq) Mg2+ (aq) + H2(g)
[D]
t อตราการเกดปฏกรยาเคม = =
[D2]- [D1]
t2 – t1
สตรไมตดลบ
04/10/54
5
อตราการเกดปฏกรยาเคม
จรฎฐ สขใจเหลอ โรงเรยนแมใจวทยาคม
ชนดของอตราการเกดปฏกรยา
อตราการเกดปฏกรยาเฉลย (Average rate)
อตราการเกดปฏกรยา ณ ขณะใดขณะหนง (Instantaneous rate)
อตราการเกดปฏกรยาเคม
จรฎฐ สขใจเหลอ โรงเรยนแมใจวทยาคม
[] อตราการเกดปฏกรยาเฉลย(Average rate) หมายถงปรมาณของสารผลตภณฑทเกดขนทงหมด หรอปรมาณของสารตงตนทลดลงทงหมดตอเวลาทงหมดทใชในการเกดปฏกรยา อตราการเกดปฏกรยาเฉลย = อตราการเกดปฏกรยาเฉลย =
ปรมาณสารตงตนทลดลงทงหมด
เวลาทงหมดทใชในการเกดปฏกรยา
ปรมาณสารผลตภณฑทเกดขนทงหมด เวลาทงหมดทใชในการเกดปฏกรยา
04/10/54
6
อตราการเกดปฏกรยาเคม
จรฎฐ สขใจเหลอ โรงเรยนแมใจวทยาคม
อตราการเกดปฏกรยาเคม ณ ขณะใดขณะหนง
• อตราการเกดปฏกรยา ณ ขณะใดขณะหนง(Instantaneous rate) หมายถงปรมาณสารตงตนทเกดขน ณ ขณะใดขณะหนง หรอปรมาณสารผลตภณฑทลดลง ณ ขณะใดขณะหนงตอเวลาทใชในการเกดปฏกรยาในชวงนน ซงอตราการเกดปฏกรยาชนดนหาไดจากคาความชน(slope)ของกราฟ
อตราการเกดปฏกรยาเคม
จรฎฐ สขใจเหลอ โรงเรยนแมใจวทยาคม
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
อตราการเกดปฏกรยาเคม
จรฎฐ สขใจเหลอ โรงเรยนแมใจวทยาคม
อตราการเกดปฏกรยาเคม
จรฎฐ สขใจเหลอ โรงเรยนแมใจวทยาคม
04/10/54
8
อตราการเกดปฏกรยาเคม
จรฎฐ สขใจเหลอ โรงเรยนแมใจวทยาคม
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
อตราการเกดปฏกรยาเคม
จรฎฐ สขใจเหลอ โรงเรยนแมใจวทยาคม
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
อตราการเกดปฏกรยาเคม
จรฎฐ สขใจเหลอ โรงเรยนแมใจวทยาคม
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
อตราการเกดปฏกรยาเคม
จรฎฐ สขใจเหลอ โรงเรยนแมใจวทยาคม
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
จรฎฐ สขใจเหลอ โรงเรยนแมใจวทยาคม
ทฤษฎจลนศาสตรเปนทฤษฎทใชอธบายการเกดปฏกรยาเคมของสารตงแต 2 ชนดขนไป
ทฤษฎจลนศาสตรเคม
ทฤษฎการชน (Collision theory)
ทฤษฎสารเชงซอนกมมนต (Activated-complex theory)
ทฤษฎจลนศาสตรเคม
จรฎฐ สขใจเหลอ โรงเรยนแมใจวทยาคม
ทฤษฎการชน(Collision theory)
ปฏกรยาเคมเกดขนไดเมอ •อนภาคของสารตงตนจะตองชนกน •ทศทางในการชนตองเหมาะสม •พลงงานรวมในการชนตองเทากบพลงงานกอกมมนต
04/10/54
11
ทฤษฎจลนศาสตรเคม
จรฎฐ สขใจเหลอ โรงเรยนแมใจวทยาคม
ทฤษฎการชน(Collision theory)
• ทศทางในการชนทเหมาะสม NO2+CO NO+CO2 NO+NO3 2NO2
ทฤษฎจลนศาสตรเคม
จรฎฐ สขใจเหลอ โรงเรยนแมใจวทยาคม
พลงงานกอกมมนต(Activation energy)
พลงงานกอกมมนต หมายถงพลงงานต าทสดทท าใหเกดปฏกรยาเคมได EA
04/10/54
12
ทฤษฎจลนศาสตรเคม
จรฎฐ สขใจเหลอ โรงเรยนแมใจวทยาคม
ทฤษฎสารเชงซอนกมมนต(Activated-complex theory)
• ทฤษฎสารเชงซอนกมมนตเรยกอกชอหนงวา ทฤษฎสภาวะแทรนซชน(Transition state theory) เมออนภาคของสารตงตนชนกนจะเกดสารทไมเสถยรและมพลงงานสง เรยกวาสารเชงซอนกมมนต(Activated complex)
ทฤษฎจลนศาสตรเคม
จรฎฐ สขใจเหลอ โรงเรยนแมใจวทยาคม
พลงงานกบการด าเนนไปของปฏกรยาเคม
ผลตภณฑจะมพลงงานต ากวาสารตงตน
ปฏกรยาคายพลงงาน
ปฏกรยาทผลตภณฑมพลงงานต ากวาสารตงตน
E3 – E1 = - E
E1 + E2 = EA
04/10/54
13
ทฤษฎจลนศาสตรเคม
จรฎฐ สขใจเหลอ โรงเรยนแมใจวทยาคม
พลงงานกบการด าเนนไปของปฏกรยาเคม
ผลตภณฑจะมพลงงานสงกวาสารตงตน
ปฏกรยาดดพลงงาน
ปฏกรยาทผลตภณฑมพลงงานสงกวาสารตงตน
E3 – E1 = E
E1 + E2 = EA
ทฤษฎจลนศาสตรเคม
จรฎฐ สขใจเหลอ โรงเรยนแมใจวทยาคม
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
ทฤษฎจลนศาสตรเคม
จรฎฐ สขใจเหลอ โรงเรยนแมใจวทยาคม
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
ทฤษฎจลนศาสตรเคม
จรฎฐ สขใจเหลอ โรงเรยนแมใจวทยาคม
พลงงานกบปฏกรยาเคมหลายขนตอน
พลงงาน (E)
E1
E2
E3
E4
E5 A
X
B
Ea4
Ea1
Ea2 Ea3
การด าเนนไปของปฏกรยา A B
E
04/10/54
15
ทฤษฎจลนศาสตรเคม
จรฎฐ สขใจเหลอ โรงเรยนแมใจวทยาคม
พลงงานกบปฏกรยาเคมหลายขนตอน
ปฏกรยาคายพลงงาน
- H
NOH3 เปน Intermediate
ทฤษฎจลนศาสตรเคม
จรฎฐ สขใจเหลอ โรงเรยนแมใจวทยาคม
พลงงานกบปฏกรยาเคมหลายขนตอน
ปฏกรยาคายพลงงาน
- H
N2O2 เปน Intermediate
04/10/54
16
ทฤษฎจลนศาสตรเคม
จรฎฐ สขใจเหลอ โรงเรยนแมใจวทยาคม
พลงงานกบปฏกรยาเคมหลายขนตอน
ปฏกรยาคายพลงงาน
- H
Cl และ COCl เปน Intermediate
ปจจยทมผลตออตราการเกดปฏกรยา
จรฎฐ สขใจเหลอ โรงเรยนแมใจวทยาคม
• ธรรมชาตของสารตงตน • ความเขมขนของสารตงตน • พนทผวของสารตงตน • ความดน • อณหภม • ตวเรงปฏกรยา
04/10/54
17
ปจจยทมผลตออตราการเกดปฏกรยา
จรฎฐ สขใจเหลอ โรงเรยนแมใจวทยาคม
• ธรรมชาตของสารตงตน
ปจจยทมผลตออตราการเกดปฏกรยา
จรฎฐ สขใจเหลอ โรงเรยนแมใจวทยาคม
•พนทผวของสารตงตน
ตะปเหลกในแกสออกซเจน ฝอยเหลกในแกสออกซเจน
04/10/54
18
ปจจยทมผลตออตราการเกดปฏกรยา
จรฎฐ สขใจเหลอ โรงเรยนแมใจวทยาคม
•อณหภม
ปจจยทมผลตออตราการเกดปฏกรยา
จรฎฐ สขใจเหลอ โรงเรยนแมใจวทยาคม
•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
ปจจยทมผลตออตราการเกดปฏกรยา
จรฎฐ สขใจเหลอ โรงเรยนแมใจวทยาคม
•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)
ปจจยทมผลตออตราการเกดปฏกรยา
จรฎฐ สขใจเหลอ โรงเรยนแมใจวทยาคม
•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
ปจจยทมผลตออตราการเกดปฏกรยา
จรฎฐ สขใจเหลอ โรงเรยนแมใจวทยาคม
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
ปจจยทมผลตออตราการเกดปฏกรยา
จรฎฐ สขใจเหลอ โรงเรยนแมใจวทยาคม
•ตวเรงปฏกรยา(Catalyst)
ตวเรงปฏกรยา หมายถงสารทเปลยนความเรวของปฏกรยา โดยตวเรง
ปฏกรยาจะไมเกดการเปลยนแปลงทางเคมอยางถาวรในปฏกรยาเมอ
สนสดปฏกรยาจะไดตวเรงปฏกรยากลบคนมา
ตวเรงปฏกรยาเอกพนธ(Homogeneous catalyst) หมายถงตวเรงปฏกรยาทมวฏภาคเดยวกนกบสารตงตน ตวเรงปฏกรยาววธภณฑ(Heterogeneous catalyst) หมายถงตวเรงปฏกรยาทมวฏภาคตางจากสารตงตน
04/10/54
21
ปจจยทมผลตออตราการเกดปฏกรยา
จรฎฐ สขใจเหลอ โรงเรยนแมใจวทยาคม
•ตวเรงปฏกรยา(Catalyst)
ปจจยทมผลตออตราการเกดปฏกรยา
จรฎฐ สขใจเหลอ โรงเรยนแมใจวทยาคม
•ตวเรงปฏกรยา(Catalyst)
04/10/54
22
ปจจยทมผลตออตราการเกดปฏกรยา
จรฎฐ สขใจเหลอ โรงเรยนแมใจวทยาคม
•ตวเรงปฏกรยา(Catalyst)
ปฏกรยาการสลาย HCOOH เปน CO และ H2O โดยใช H2SO4 เปนตวเรงปฏกรยา
ปจจยทมผลตออตราการเกดปฏกรยา
จรฎฐ สขใจเหลอ โรงเรยนแมใจวทยาคม
•ตวเรงปฏกรยา(Catalyst)
04/10/54
23
ปจจยทมผลตออตราการเกดปฏกรยา
จรฎฐ สขใจเหลอ โรงเรยนแมใจวทยาคม
•ตวเรงปฏกรยา(Catalyst)
C2H4 + H2 C2H6 Ni
ปจจยทมผลตออตราการเกดปฏกรยา
จรฎฐ สขใจเหลอ โรงเรยนแมใจวทยาคม
•ตวเรงปฏกรยา(Catalyst)
E + S ES E + P
04/10/54
24
ปจจยทมผลตออตราการเกดปฏกรยา
จรฎฐ สขใจเหลอ โรงเรยนแมใจวทยาคม
•ตวเรงปฏกรยา(Catalyst)
จ านวนโมเลกล
พลงงานจลน
E1
E2 Ea1
Ea2
E
การด าเนนไปของปฏกรยา
พลงงาน
ปฏกรยาทไมมตวเรง
ปฏกรยาทมตวเรง
การด าเนนไปของปฏกรยา
ปฏกรยาทมตวหนวงปฏกรยา
ปฏกรยาทไมมตวหนวงปฏกรยา
พลงงาน
Ea1
Ea2
E
ปจจยทมผลตออตราการเกดปฏกรยา
จรฎฐ สขใจเหลอ โรงเรยนแมใจวทยาคม
•ตวหนวงปฏกรยา(Inhibitor)
• ตวหนวงปฏกรยา หมายถงสารทเตมลงไปในปฏกรยาแลวท าใหปฏกรยาเคมนนเกดชาลง
04/10/54
25
ปจจยทมผลตออตราการเกดปฏกรยา
จรฎฐ สขใจเหลอ โรงเรยนแมใจวทยาคม
•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
ปจจยทมผลตออตราการเกดปฏกรยา
จรฎฐ สขใจเหลอ โรงเรยนแมใจวทยาคม
•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
ปจจยทมผลตออตราการเกดปฏกรยา
จรฎฐ สขใจเหลอ โรงเรยนแมใจวทยาคม
•กราฟอนดบปฏกรยา
อนดบ 0
ปจจยทมผลตออตราการเกดปฏกรยา
จรฎฐ สขใจเหลอ โรงเรยนแมใจวทยาคม
•กราฟอนดบปฏกรยา
อนดบ 1
04/10/54
27
ปจจยทมผลตออตราการเกดปฏกรยา
จรฎฐ สขใจเหลอ โรงเรยนแมใจวทยาคม
•กราฟอนดบปฏกรยา
อนดบ 2
ปจจยทมผลตออตราการเกดปฏกรยา
จรฎฐ สขใจเหลอ โรงเรยนแมใจวทยาคม
•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
ปจจยทมผลตออตราการเกดปฏกรยา
จรฎฐ สขใจเหลอ โรงเรยนแมใจวทยาคม
•การค านวณเกยวกบกฎอตรา
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
ปจจยทมผลตออตราการเกดปฏกรยา
จรฎฐ สขใจเหลอ โรงเรยนแมใจวทยาคม
•การค านวณเกยวกบกฎอตรา
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