แนวคิดเกี่ยวกับการเกิดปฏิกิริยาเคมี

การเกิดปฏิกิริยาเคมีสามารถอธิบายได้โดยใช้ทฤษฎีการชนและทฤษฎีสารเชิงซ้อนที่ถูกกระตุ้น

1. ทฤษฎีการชนกัน (Collision Theory)

ทฤษฎีนี้อธิบายว่า “ปฏิกิริยาเคมีจะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่ออนุภาคของสารตั้งต้นอาจเป็นโมเลกุลอะตอมหรือไอออนก็ได้ จะต้องมีการเคลื่อนที่ชนกันก่อน” แต่มิได้หมายความว่าการชนกันของอนุภาคทุกครั้งจะเกิดปฏิกิริยา การชนกันของอนุภาคของสารตั้งต้นจะเกิดปฏิกิริยาได้หรือไม่ขึ้นอยู่กับปัจจัยต่อไปนี้

1.1.พลังงานจลน์ของอนุภาคที่เคลื่อนที่ชนกัน อนุภาคของสารตั้งต้นเมื่อชนกันแล้วจะเกิดปฏิกิริยาได้ก็ต่อเมื่ออนุภาคที่ชนกันจะต้องเคลื่อนที่เร็วหรือมีพลังงานจลน์สูง คือเมื่อชนกันแล้วพลังงานที่ได้จากการชน จะต้องสูงพอที่ทำให้พันธะในสารตั้งต้นสลาย แล้วสร้างพันธะใหม่เกิดเป็นสารผลิตภัณฑ์ได้

1.2.ทิศทางการชนของอนุภาค การชนกันของอนุภาคจะเกิดปฏิกิริยาได้ นอกจากนี้ขึ้นอยู่กับพลังงานจลน์ของอนุภาคแล้วยังขึ้นอยู่กับทิศทางในการชนด้วย เช่น ปฏิกิริยาระหว่างแก๊สไฮโดรเจน (H2) กับไอของไอโอดีน (I2) กลายเป็นแก๊สไฮโดรเจนไอโอไดด์ (HI) ดังสมการ

H2(g) + I2(g) → 2HI(g) ปฏิกิริยานี้จะเกิดขึ้นได้เมื่อโมเลกุลของ H2 และโมเลกุลของ I2 จะต้องมีพลังงานจลน์สูงพและโมเลกุลทั้งสองจะต้องเคลื่อนที่ชนกันในทิศทางที่เหมาะสมด้วย

ก. การชนกันในทิศทางที่ไม่เหมาะสม ทำให้การชนกันไม่เป็นผลสำเร็จหรือไม่เกิดปฏิกิริยา (ไม่เกิด HI)

ข. การชนกันในทิศทางที่เหมะสมทำให้การชนกันเป็นผลสำเร็จ (เกิดปฏิกิริยาได้ HI)

จากข้อมูลที่กล่าวมาสรุปได้ว่าปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้นได้เมื่อ

1. อนุภาคของสารตั้งต้นชนกัน

2. ชนในทิศทางที่เหมาะสม

3. พลังงานที่เกิดจากการชนกันอย่างน้อยที่สุดปริมาณหนึ่งซึ่งเท่ากับพลังงานก่อกัมมันต์ใช้สัญลักษณ์ย่อเป็น

2. พลังงานก่อกัมมันต์ (Activation energy)

ตามทฤษฎีจลน์ที่ได้ศึกษามาแล้วที่อุณหภูมิหนึ่งๆ โมเลกุลของแก๊สเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วต่างกันถึงแม้ว่าจะเป็นโมเลกุลของแก๊สชนิดเดียวกันก็ตาม โมเลกุลที่เคลื่อนที่ช้ามีพลังงานจลน์ต่ำ ส่วนพลังงานที่เคลื่อนที่เร็วมีพลังงานจลน์สูง ถ้าโมเลกุลที่มาชนกันมีพลังงานสูง พลังงานที่ได้จาการชนกันก็จะมีค่าสูงด้วย และถ้าพลังงานที่ได้จากการชนมีค่าสูงพอที่ทำให้เกิดการสลายพันธะในสารเดิมแล้วมีการสร้างพันธะใหม่เกิดเป็นผลิตภัณฑ์ แสดงว่าการชนกันนั้นเป็นผลสำเร็จ หรือเกิดปฏิกิริยา พลังงานจำนวนน้อยที่สุดที่ได้จากการชนกันแล้วทำให้เกิดปฏิกิริยาได้เรียกว่า พลังงานก่อกัมมันต์หรือพลังงานกระตุ้น

อนุภาคที่ชนกันแล้วเกิดพลังงานเท่ากับหรือมากกว่าพลังงานก่อกัมมันต์จะต้องเป็นอนุภาคที่มีพลังงานจลน์สูงพอเท่านั้น เช่น ปฏิกิริยาระหว่าง H2 และ O2 เป็น H2O ในสภาวะปกติเมื่อเราปล่อยให้ H2 และ O2 อยู่รวมกันจะไม่เกิดน้ำขึ้น แต่เมื่อเราให้พลังงานแก่ระบบโดยการเอาไฟจุดแก๊สที่ผสมกันอยู่ปฏิกิริยาก็จะเกิดทันทีและรวดเร็วจนเกิดการระเบิด เราทราบมาแล้วว่าการที่โมเลกุลของ H2 และ O2 จะชนกันจนเกิดปฏิกิริยาได้ H2Oนั้น โมเลกุลของ H2 และ O2 จะต้องชนกันแล้วมีพลังงานสูงพอที่จะทำให้พันธะระหว่าง O=Oและ H-H สลายตัวและเกิดพันธะ H-O-Hใหม่ได้ หรือชนกันแล้วได้พลังงานเท่ากับหรือพลังงานก่อกัมมันต์ในภาวะปกติโมเลกุลของ H2และ O2 มีพลังงานไม่พอจึงต้องเติมพลังงานเข้าไป เมื่อเติมพลังงานเข้าไปก็จะทำให้บางโมเลกุลมีพลังงานสูงพอที่จะชนกันแล้วเกิดปฏิกิริยาได้และเนื่องจากปฏิกิริยาระหว่าง H2 และ O2เป็น H2Oนั้นเป็นปฏิกิริยาคายพลังงาน (Exothermic reaction) เพราะฉะนั้นพลังงานที่เกิดขึ้นก็จะทำให้โมเลกุลอื่นๆมีพลังงานสูงพอที่จะทำให้ชนกันแล้วเกิดปฏิกิริยาต่อๆไปได้อีก จึงทำให้ปฏิกิริยาเกิดขึ้นรวดเร็วมาก เพื่อให้เข้าใจดีขึ้นจึงอาจเปรียบเทียบการเกิดปฏิกิริยาเคมีกับการเดินทางข้ามภูเขาดังรูป

เปรียบเทียบการเกิดปฏิกิริยาเคมีกับการเดินทางข้ามภูเขา

จากรูป คนที่จะเดินข้ามภูเขาได้ภายในเวลาที่กำหนดขึ้นอยู่กับองค์ประกอบ 2 ประการ คือ 1.จำนวนคนที่แข็งแรงหรือมีพลังงานมา 2. ความสูงของภูเขา

ถ้าอุปมาอุปไมยจำนวนคนที่แข็งแรงหรือมีพลังงานสูงกับจำนวนอนุภาคที่มีพลังงานสูง และความสูงของภูเขากับค่าพลังงานก่อกัมมันต์ของปฏิกิริยานั้น ช่วยให้อธิบายได้ว่าการที่บางปฏิกิริยาเกิดขึ้นช้ามาก เพราะปฏิกิริยานั้นมีค่าพลังงานก่อกัมมันต์สูงมาก และอนุภาคที่มีพลังงานสูงมีจำนวนน้อย โอกาสที่จะชนกันเพื่อให้ได้พลังงานสูงเท่ากับพลังงานก่อกัมมันต์จึงมีน้อยด้วย ในกรณีของปฏิกิริยาที่เกิดได้เร็วก็อธิบายได้ในทำนองเดียวกัน

สรุปเรื่องพลังงานก่อกัมมันต์

ในปฏิกิริยาเคมีต่างๆจะมีค่าพลังงานก่อกัมมันต์ไม่เท่ากัน จึงทำให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีไม่เท่ากัน ความสัมพันธ์ระหว่างอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีกับค่าพลังงานก่อกัมมันต์เป็นดังนี้

1. ถ้าพลังงานก่อกัมมันต์มีค่าน้อยปฏิกิริยาจะเกิดเร็ว

2. ถ้าพลังงานก่อกัมมันต์มีค่ามากปฏิกิริยาจะเกิดช้า

พลังงานก่อกัมมันต์สำหรับปฏิกิริยาคายความร้อน และดูดความร้อน

อนุภาคที่ชนกันต้องมีพลังงานจลน์รวมกันแล้วมีค่าอย่างน้อยเท่ากับพลังงานก่อกัมมันต์ (activation energy, Ea) ซึ่งเป็นพลังงานต่ำที่สุดที่ทำให้เกิดปฏิกิริยาได้ ถ้ามีพลังงานต่ำกว่านี้ก็จะไม่เกิดปฏิกิริยา แต่ถ้ามีพลังงานจลน์หลังการชนมากกว่าหรือเท่ากับพลังงานก่อกัมมันต์ อนุภาคของสารตั้งต้นที่เข้าชนกันก็จะรวมตัวกันเกิดเป็นสารประกอบเชิงซ้อนกัมมันต์ (activated complex) ซึ่งสารเชิงซ้อนนี้จะอยู่ตัวได้เพียงชั่วขณะ หลังจากนั้นจะเปลี่ยนไปเป็นสารผลิตภัณฑ์

พิจารณาปฏิกิริยา A + B --------> C + D

กราฟแสดงการเปลี่ยนแปลงพลังงานศักย์สำหรับ

ก) ปฏิกิริยาคายความร้อน ข) ปฏิกิริยาดูดความร้อน

จากกราฟ

Ë ถ้าสารผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นมีพลังงานต่ำกว่าสารตั้งต้น (สารผลิตภัณฑ์เสถียรกว่าสารตั้งต้น) ในขณะเกิดปฏิกิริยาก็จะมีการคายความร้อนควบคู่ไปด้วย เราจึงเรียกปฏิกิริยาชนิดนี้ว่า ปฏิกิริยาคายความร้อน (exothermic reaction)

Ë ถ้าสารผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นมีพลังงานมากกว่าสารตั้งต้น (สารผลิตภัณฑ์เสถียรน้อยกว่าสารตั้งต้น) ในขณะเกิดปฏิกิริยาก็จะมีการดูดความร้อนควบคู่ไปด้วย เราจึงเรียกปฏิกิริยาชนิดนี้ว่า ปฏิกิริยาดูดความร้อน (endothermic reaction)

Ë พลังงานก่อกัมมันต์เปรียบเสมือนผนังกั้นอนุภาคที่มีพลังงานต่ำกว่าพลังงานก่อกัมมันต์ไม่ให้เกิดปฏิกิริยา ในปฏิกิริยาทั่วๆ ไป อนุภาคของสารตั้งต้นมักมีจำนวนมาก แต่จะมีจำนวนอนุภาคเพียงบางส่วนที่มีพลังงานจลน์มากพอที่จะข้ามผนังนี้ไปได้ ซึ่งอนุภาคเหล่านี้เป็นอนุภาคที่มีโอกาสชนกันแล้วเกิดปฏิกิริยา

3. ทฤษฎีสารเชิงซ้อนที่ถูกกระตุ้น (Activated Complex Theory)

ทฤษฎีนี้อธิบายว่าอนุภาคของสารไม่ใช่ทรงกลมตัน แต่อนุภาคมีกลุ่มหมอกของอิเล็กตรอนห่อหุ้มอยู่ เมื่ออนุภาคเคลื่อนที่เข้ามาใกล้กัน ในระยะที่พอเหมาะหรือชนกัน กลุ่มหมอกของอิเล็กตรอนก็จะถูกกระทบกระเทือนทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงภายในอนุภาคของสารตั้งต้น คือพันธะเคมีของสารตั้งต้นจะอ่อนลงและยืดยาวออกไปกว่าเดิม และเริ่มมีพันธะอย่างอ่อนเกิดขึ้นระหว่างคู่อะตอมที่เหมาะสม ซึ่งขณะนี้สารตั้งต้นจะรวมตัวกันกลายเป็นสารชนิดหนึ่งที่มีพลังงานสูงกว่าพลังงานของสารตั้งต้นและสารผลิตภัณฑ์ เรียกสารนี้ว่าสารเชิงซ้อนที่ถูกกระตุ้น (Activated Complex) เป็นสารที่ไม่อยู่ตัว (Unstable) มีอายุสั้น พร้อมที่จะเปลี่ยนเป็นสารผลิตภัณฑ์หรือกลับคืนเป็นสารตั้งต้นอย่างเดิมก็ได้เมื่อสารเชิงซ้อนที่ถูกกระตุ้นสลายตัวกลายเป็นสารผลิตภัณฑ์ พันธะเก่าก็จะถูกทำลายโดยสิ้นเชิงพันธะใหม่ก็จะถูกสร้างขึ้นมาแทนที่เนื่องจากสารเชิงซ้อนที่ถูกกระตุ้นอยู่ในสภาวะไม่เสถียรและมีระดับพลังงานสูงมาก (สูงกว่าพลังงานสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์) เราจึงนิยมเรียกสภาวะเช่นนี้ว่า สภาวะแทรนซิชัน (Transition State) เพราะฉะนั้นอนุภาคของสารตั้งต้นจะชนกันแล้วเกิดปฏิกิริยาได้ อนุภาคของสารตั้งต้นจะต้องมีพลังงานไม่ต่ำกว่า พลังงานของสารเชิงซ้อนที่ถูกกระตุ้น เช่น เมื่อ A2 ทำปฏิกิริยากับ B2 กลายเป็น 2AB โมเลกุล A2 และ B2 จะเคลื่อนที่เข้าใกล้กันในระยะที่พอเหมาะหรือชนกัน ถ้าการชนกันได้พลังงานเท่ากับหรือมากกว่าพลังงานก่อกัมมันต์โมเลกุล A2และโมเลกุล B2 ก็จะรวมตัวกันกลายเป็นสารเชิงซ้อนที่ถูกกระตุ้นที่มีพลังงานศักย์สูงกว่าสารตั้งต้น และสารผลิตภัณฑ์ จากนั้นสารเชิงซ้อนที่ถูกกระตุ้นก็จะสลายกลายเป็นสารผลิตภัณฑ์ต่อไป

Ea = พลังงานก่อกัมมันต์

Er = พลังงานของสารตั้งต้น

Ep = พลังงานของสารผลิตภัณฑ์

Eac = พลังงานของสารเชิงซ้อนที่ถูกกระตุ้น

∆E = ผลต่างระหว่างพลังงานของสารตั้งต้นและสารผลิตภัณฑ์ (หรือพลังงานของปฏิกิริยา)

พลังงานก่อกัมมันต์ (Ea) ของรูป ก.ต่ำกว่ารูป ข. แสดงว่าอัตราการเกิดปฏิกิริยา X2 + Y2 → 2XY (ตามรูป ก) มีค่ามากกว่าอัตราการเกิดปฏิกิริยา A2 + B2 → 2AB (ตามรูป ข) หรือปฏิกิริยา X2 + Y2 → 2XY เกิดเร็วกว่าปฏิกิริยา A2 + B2 → 2AB นั่นเอง

ตามทฤษฎีการชนกัน ทฤษฎีของสารเชิงซ้อนที่ถูกกระตุ้น และค่าพลังงานก่อกัมมันต์ สามารถสรุปได้ว่าอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีขึ้นอยู่กับ

1. ความถี่ในการชนกันของอนุภาค ถ้ามีความถี่สูงกว่าปฏิกิริยาจะเกิดเร็วกว่า

2. จำนวนอนุภาคที่มีพลังงานสูง ถ้ามีมากปฏิกิริยาจะเกิดเร็ว ถ้ามีน้อยปฏิกิริยาจะเกิดช้า

3. ค่าพลังงานก่อกัมมันต์ ถ้ามีค่ามากปฏิกิริยาจะเกิดช้า แต่ถ้ามีค่าน้อยปฏิกิริยาจะเกิดเร็ว

เพิ่มเติม คลิก