ข้อมูล_จลนศาสตร์เคมี

1

บทท่ี 7จลนศาสตรเคมี

(Chemical Kinetics)

เปนการศึกษาการเปล่ียนแปลง ของโมเลกุลของสารที่เกดิขึน้ในระหวางที่ปฏิกริิยาเคมีดําเนินไป โดยศึกษาโดยศึกษา��อัตราเรว็ (rate) ��กลไก(mechanism) ของปฏิกิริยาเคมีที่เกดิขึ้นของปฏิกิริยาเคมีที่เกดิขึ้น

จลนศาสตรเคมี

เม่ือสารตั้งตน (reactants)เปล่ียนไปเปนผลิตภัณฑ (product) อาจจะมีปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้นเปนขั้น ๆ ตอเน่ืองกัน ลําดับขั้นของปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นกค็ือกลไกของปฏิกริิยา

2

ปฏิกิริยาเคมีมีอัตราเร็วแตกตางกันปฏิกิริยาเคมีมีอัตราเร็วแตกตางกัน เกิดเร็วปฏิกิริยาการสะเทิน HCl(aqHCl(aq))++Mg(OH)Mg(OH)22(aq)(aq)

เกิดชาการเกิดสนิมของเหล็กเม่ือวางทิ้งใชอุณหภูมิสูง ๆ HH22(g) + O(g) + O22(g) H(g) H22OO

AgNO3 ก�� NaCl ��ก��ก�� AgCl ��

อัตราการเกิดปฏิกิริยาอัตราการเกิดปฏิกิริยา (rate of chemical reaction)(rate of chemical reaction)หมายถึง จํานวนโมลของสารตั้งตนที่ถูกทําปฏิกิริยาหรือจํานวนโมลของผลิตภัณฑที่เกิดขึ้นตอหนวยเวลา

โดยวัดเปนความเขมขน (M) ของสารหน่ึงสารใดที่เปล่ียนไปตอหนวยเวลา (t)

3

อัตราการเกิดปฏิกิริยาอัตราการเกิดปฏิกิริยา (rate of chemical reaction)(rate of chemical reaction)

Rate = ปริมาณสารตัง้ตนที่ลดลง

เวลา

Rate=ปริมาณสารผลิตภัณฑที่เพิม่ขึ้น

เวลา

อัตราการเกิดปฏิกิริยาอัตราการเกิดปฏิกิริยา (rate of chemical reaction)(rate of chemical reaction)

��ความเขมขนมีหนวยเปน M (mol dm-3)

��อัตราการเกดิปฏิกริิยาจึงมีหนวยเปน mol dm-3s-1

Rate =ปริมาณสารตัง้ตนที่ลดลง

เวลา

4

อัตราการเกิดปฏิกิริยาอัตราการเกิดปฏิกิริยา (rate of chemical reaction)(rate of chemical reaction)ในขณะทีป่ฏิกิริยาดําเนินไป เริ่มตนปฏิกิริยาจะเกดิเร็ว เพราะมีปริมาณสารตั้งตนมาก แตชวงหลังอัตราการเกิดปฏิกริิยาจะชาลง เพราะปริมาณสารตั้งตนลดลง อัตราการเปล่ียนแปลงความเขมขนของสารตั้งตนหรอืสารผลิตภัณฑกบัเวลาเปนไปดังรปูที ่7.1

รูปที่ 7.1 การเปล่ียนแปลงความเขมขน

5

ปฏิกิริยาaA + bB cC + dD��การเปล่ียนแปลงของความเขมขนของสารตาง ๆ ในเวลาตาง ๆ จะไมคงท่ี จึงเขียนอัตราการเกิดปฏิกิริยาในรูปของสมการดิฟเฟอเรนเชียล

��การหาอัตราเร็วของปฏิกิริยาสามารถหาจากสารตัวใดก็ได จะไดผลลัพธเหมือนกัน โดยมีความสัมพันธดังนี้

[ ] [ ] [ ] [ ]1 1 1 1∆ ∆ ∆ ∆− − + += = =

∆ ∆ ∆ ∆

A B C D

a t b t c t d t

อัตราการเกดิปฏิกิริยา =

ปฏิกิริยาaA + bB cC + dD

เมื่อ [ ] เปนความเขมขนของสารท่ีเวลาใด ๆ

เครื่องหมาย – แสดงถึงอัตราการลดลง

เครื่องหมาย + แสดงถึงอัตราการเพ่ิมขึ้น

6

Mg(s)+2HCl(aq)Mg(s)+2HCl(aq) MgClMgCl22(aq)+H(aq)+H22(g)(g)

��จงเขียนอัตราการเกิดปฏิกิรยิาในรูปของสมการดิฟเฟอเรนเชียล �� อัตราการเกิดปฏิกิริยา =

[ ] [ ] [ ] [ ]1 1 1 1∆ ∆ ∆ ∆− − + += = =

∆ ∆ ∆ ∆

A B C D

a t b t c t d t

=[ ]

tHCl∆

∆− 21 =

[ ]t

MgCl∆

∆+ 2

11 [ ]

tH∆

∆+ 2

11

=[ ]t

Mg∆

∆− 11


จากสมการหา rate โดยวัดปริมาตรของแกส H2ที่เกิดขึ้นหรือช่ังนํ้าหนักของ Mg

��

��Mg ��=rate

��

��ก��H �� 2rate =

7

��การคาํนวณอัตราเรว็ของปฏิกริิยาทําไดโดยการคํานวณผลจากการทดลอง หรอืคํานวณจากสมการเคมีก็ได

��

��Mg ��=rate


กฎอัตรากฎอัตรา (Rate Law)(Rate Law)อัตราการเกดิปฏิกิริยาจะขึน้กับความเขมขนของสารตัง้ตน จึงเขียนสมการอัตรา(rate equation) หรอืกฎอัตรา (rate law)แสดงความสัมพันธระหวางอัตราการเกิดปฏิกิรยิากับความเขมขนของสารตั้งตนได เชน

8

กฎอัตรากฎอัตรา (Rate Law)(Rate Law)aA + bB cC + dD

กฎอัตราเขียนเปนสมการทางคณิตศาสตรดังนี้

Rate = K[A]x[B]y

K = �� (specific rate constant)[A],[B] = �2��3��3�� 4��5 3��6�78�ก��9��29mol/dm3

x,y = �� (order) � 78�ก��9��9�ก�� A AB� B ��B6��

aAaA + + bBbB cCcC + + dDdD

�� x AB� y C��6��7D�3 ��ก�� B�4��7��4��E�F��4�ก��7��4��G��EH�4�C7 �� x AB� y ��3 ��กก��B ��5�

(x+y) = ��2�� 78�ก��9� (overall order) ��C�3��กก��B ��5�

rate = K[A]x[B]y

9

อันดับและอันดับและโมเลโมเลกุลาริตีกุลาริตี (Order and (Order and MolecularityMolecularity))

วัดอัตราเร็วของปฏิกิริยาใด ๆ โดยทําการทดลองจากปฏิกิริยา2H2(g) + 2NO(g) 2H2O(g)+N2(g)

rate = K[H2]x[NO]y

ผลการทดลองของปฏิกิริยาเปนไปตามตาราง

3.5x10-5

5.0x10-5

1.8x10-5

7.0x10-5

1.4x10-4

1.001.200.081.002.00

1.001.200.082.001.00

12345

��ก��ก��78�ก��9�

[NO][H2]ก��B

2H2(g) + 2NO(g) 2H2O(g) + N2(g)rate = K[H2]x[NO]y

10

rate = K[Hrate = K[H22]]xx[NO][NO]yy

��เปรียบเทียบการทดลอง 1 และ 4

4��7C�32��X2� 78�ก��9��5�7D��4�2�Y�9� ก��2��3��3�� H2

2H2(g) +2NO(g) 2H2O(g) +N2(g)

3.5x10-5

7.0x10-51.001.00

1.002.00

14

��ก��ก��78�ก��9�[NO][H2]ก��B

rate = K[H2]x[NO]y

��การทดลอง 1 และ 5

��4��7C�32��X2� 78�ก��9��7D��4�2�Y�9� ก��2��3��3�� NO ��กZBก��B ��9�4�ก�� 5

3.5x10-5

1.4x10-41.002.00

1.001.00

15

��ก��ก��78�ก��9�[NO][H2]ก��B

11

rate= K[H2][NO]2 x =1,y = 2

อันดับของปฏิกริิยา = 1 + 2 = 3

rate = K[H2]x[NO]y

aA + bB cC

rate = K[A]x[B]y

��ก��ก��78�ก��9�� 5

12

2.52.55.0

112

121

123

อัตราการเกิดปฏิกิริยา

[B][A]การทดลอง

มีอัตราการเกิดปฏิกิริยาดังน้ีมีอัตราการเกิดปฏิกิริยาดังน้ี

∴∴∴∴ rate = K[A]x[B]y

การทดลองท่ี 12.5 = K[1]x[1]y ……(1)การทดลองที่ 2

2.5 = K[2]x[1]y ……(2)

(2)÷÷÷÷(1), 1 = 2x , x=0

rate = rate = K[A]K[A]xx[B][B]yy

13

การทดลองท่ี 12.5 = K[1]x[1]y …(1)การทดลองท่ี 3

5.0 = K[1]x[2]y …(3)(3)÷÷÷÷(1) 2 = 2y, y=1

rate = K[A]0[B]1

rate=rate=K[A]K[A]xx[B][B]yy

ปฏิกิริยาอันดับศูนยปฏิกิริยาอันดับศูนย หมายถึงปฏิกิรยิาท่ีอัตราการเกิดปฏิกิริยาไมขึ้นกับความเขมขนของสารต้ังตน เชน

��ก��4B�9�2� Aก[4A�Y��9��B2�� 4�� ก��4B�9�2� Aก[4 HI ��Z�2� �6�

��78�ก��9��C]�H�7D��2�� 78�ก��9�

14

ปฏิกิริยาอันดับศูนยปฏิกิริยาอันดับศูนย

A สารผลิตภัณฑ

0]A[Kdt

]A[d=

−

-d[A] = Kdt

d[A] = -Kdt

ปฏิกิริยาอันดับศูนยปฏิกิริยาอันดับศูนย

��ถาทําการอินทิเกรตสมการขางตน ระหวาง t = 0 ถึง t = t จะได

∫∫ −=t

0

]A[

]A[Kdt]A[d

0

[A] [A] –– [A[A00] =] =--Kt Kt

สมการปฏิกิริยาอันดับศนูยสมการปฏิกิริยาอันดับศนูย

d[A] = -Kdt

15

สมการปฏิกิริยาอันดับศนูยสมการปฏิกิริยาอันดับศนูย [A] [A] –– [A[A00] =] =--Kt Kt

ความเขมขน เวลา

คาคาคร่ีงคร่ีงชีวิตชีวิต (half life)(half life)ของปฏิกิริยาอันดับศูนยของปฏิกิริยาอันดับศูนยคาครึ่งชีวิต คือเวลาท่ีตองใชในการทําใหความเขมขนของสารต้ังตนลดลงครึ่งหนึ่ง

��̂� t = 2

1t ��G�2�� [A] = [ ]2

A0

��ก78�ก��9��_��9H��ก78�ก��9��_��9H [A] [A] `̀ [A[A00]] = = -- K tK t

A�� - [A0]= -K t[ ]2

A0

21t [ ]0

2

A

K=

16

ปฏิกิริยาอันดับหนึ่งปฏิกิริยาอันดับหนึ่ง �^78�ก��9��ก��ก��a5�9��ก��2��3��3��

4��5 3�9กก6�B� ��a�

สารA สารผลิตภัณฑ ��C�3 rate = 1]A[K

dt

]A[d=

−

[ ][ ]A

Ad = -Kdt

ถาอินทิเกรตสมการระหวางเวลา t = 0 ถึง t = t จะได

[ ][ ]A

Ad= -Kdt

∫ ∫−=]A[

]A[

t

00

Kdt]A[

]A[d

Kt]A[

]A[ln

0

−=

Kt]A[

]A[log303.2

0

−=

17

สมการของปฏิกิริยาอันดับหน่ึงสมการของปฏิกิริยาอันดับหน่ึง

Kt]A[

]A[log303.2

0

−=

คาคร่ึงชีวิตของปฏิกิริยาอันดับหน่ึงคาคร่ึงชีวิตของปฏิกิริยาอันดับหน่ึง

K

693.0t

21 =

2

1tt = [ ] [ ]2

0AA =,

��̂��2B�Z��C7

2

10

0 Kt]A[

]A[

2

1log303.2 −=

Kt]A[

]A[log303.2

0

−=

��C�3

18

ปฏิกิริยาอันดับสองปฏิกิริยาอันดับสอง ��ปฏิกริิยาทีอ่ัตราการเกดิขึ้นกับความเขมขนของสารตัง้ตนยกกาํลังสอง

หรอืขึ้นอยูกับความเขมขนของ สารตั้งตนสองชนิด แตละชนิดยกกาํลังหน่ึง

สารสาร A A สารผลิตภัณฑสารผลิตภัณฑ

∫∫ −=t

0

]A[

]A[ 2Kdt

]A[

]A[d

2]A[Kdt

]A[drate =

−=

Kdt]A[

]A[d2=

−

อินทิเกรตท้ังสองขางระหวาง t = 0 ถึง t =t จะได

Kt]A[

1

]A[

1

0

=−

19

สมการปฏิกิริยาอันดับสองสมการปฏิกิริยาอันดับสอง

Kt]A[

1

]A[

1

0

=−

คาคร่ึงชีวิตของปฏิกิริยาอันดับสองคาคร่ึงชีวิตของปฏิกิริยาอันดับสอง

2

1tt = [ ] [ ]2

0AA =

��̂��2B�Z��C7 ,

2

100

Kt]A[

1

2]A[

1=−

Kt]A[

1

]A[

1

0

=−

4�ก��78�ก��9��4

A��

20

คาคร่ึงชีวิตของปฏิกิริยาอันดับสองคาคร่ึงชีวิตของปฏิกิริยาอันดับสอง

1/ 20

1

[ ]t

A K=

��C�3

คาคร่ึงชีวิตของปฏิกิริยาอันดับสองขึ้นอยูกับความเขมขนเร่ิมตนของสารตั้งตน

ตัวอยางตัวอยาง 7.17.1Y��9H 78�ก��9�ก��4B�9�2� X Y �7D�78�ก��9��a�

�� ก�� 0.041 ��-1

��3��329 X ��3��3� 0.20 M ��̂��2B�Z��C7 10 �� 2��3��3�� X ��ก��C�2�E��6� ��ก4�ก��78�ก��9��a�

[ ][ ]

KtA

A−=

0

log303.2

21

แทนคา [A0], K และ t จะได

[ ][ ]

KtA

A−=

0

log303.2

[X]2.303log

[0.20]= (-0.041 ��-1)(10 ��)

X = 0.132ความเขมขนของ X ที่เวลา 10 นาที คือ 0.132 โมล/ลิตร

สมการปฏิกิริยาอันดับหน่ึง

จะใชเวลานานเทาใดในการสลายตัวครึ่งหนึ่งของ X

2�E��6� ก6��3 X 4B�9�2��a� ��a� [ ]

2

X0∴∴∴∴ X =2X = X0

[X]2.303log

[2X]= (-0.041 ��-1)(t)

t = 16.9 ��

22

ปจจัยที่มีผลตออัตราเรว็ของปฏิกริิยาปจจัยที่มีผลตออัตราเรว็ของปฏิกริิยา�� ธรรมชาติของสารตั้งตนเชน Cu ,Ag ทําปฏิกิริยากับ O2ชา แต Mg ติดไฟรวดเร็ว

2222 ความเขมขนของสารตั้งตน3333อุณหภูมิ4444พื้นท่ีผิวของสารตั้งตน5555 ตัวเรงปฏิกริิยา (Catalyst) และ

ตัวยับย้ัง (Inhibitor)

จํานวนโมเลกุล

พลังงาน Ea

อิทธพิลของอณุหภูมติออตัราเรว็ของปฏิกิริยา

23

ทฤษฎีการชนกัน (Collision Theory)

HH22 + I+ I22 2HI2HI

No reaction

ทฤษฎีสภาวะแทรนซิชัน (Transition State Theory)

HH22 + I+ I22 2HI2HI

H H

I I

H H

I I

intermediate

H I

H I

24

สมการสมการอารอารรีรีเนียสเนียส

AlogT

1

R303.2

EaKlog +

−=

K = คาคงที่อัตราEa = activation energy

A=Ag��H�2��h�� ก��i�ก�� Y��Bก�B

พลังงานกับการดาํเนินไปของปฏิกริิยาพลังงานกับการดาํเนินไปของปฏิกริิยา

25

พลังงานกับการดาํเนินไปของปฏิกริิยาพลังงานกับการดาํเนินไปของปฏิกริิยา

ปฏิกิริยาเนื้อผสม (Heterogeneous reaction)

4444พื้นท่ีผิวของสารตั้งตน

Zn(sZn(s) + 2H) + 2H++(aq)(aq) ZnZn2+2+(aq) +H(aq) +H22(g)(g)

ปฏิกิริยาเนื้อผสมเกิดปฏิกิริยาเร็วขึ้น ถาทําใหชิ้น Znเล็กลง

26

ปจจัยที่มีผลตออัตราเรว็ของปฏิกริิยา

��ตัวเรงหรือตัวคะตะไลตเปนสารที่ใสลงในปฏิกิริยาปริมาณนอย ๆจะชวยเรงใหปฏิกริิยาเกดิเร็วขึ้น และเม่ือปฏิกิริยาส้ินสุดลงแลว ตัวเรงจะยังคงมีสมบัติและปรมิาณเหมือนเดิมเชน

ผลของตวัเรงปฏิกิริยาผลของตวัเรงปฏิกิริยา

(Catalysis)(Catalysis)

27

ปจจัยท่ีมีผลตออัตราเร็วของปฏิกิริยา

2SO2 + O2 2SO3

NO2 เปนตัวเรงมีหนาที่ลดพลังงานกระตุนสวนตัวยับย้ังจะทาํใหปฏิกริยิาเกิดชาลง

กลไกของปฏิกิริยาเคมีกลไกของปฏิกิริยาเคมี2NO + O2NO + O22 2NO2NO22

��กก��B ��X2 = ]O[]NO[Kdt

]NO[

2

12

2=−

��กBCก� ก��ก��78�ก��9�� 5

��5�� 1 NO + O2 NO3 ��X2

��5�� 2 NO3+NO 2NO2 i3�

28

กลไกของปฏิกิริยาเคมีกลไกของปฏิกิริยาเคมี2NO + O2NO + O22 2NO2NO22

��5�� 1 NO + O2 NO3 ��X2��5�� 2 NO3+NO 2NO2 i3�

rate= K2[NO3][NO]

ข้ันที่1 rate= K1[NO][O2]

ข้ันที่2

กลไกของปฏิกิริยาเคมีกลไกของปฏิกิริยาเคมีอัตราเร็วของปฏิกิริยา = อัตราเร็วของข้ันที่ชา

rate=rate= KK22[NO[NO33][NO]][NO]

��^� ��ก ��5�� 1 ��4��B K1 = [ ][ ]2

3

ONO

]NO[

[NO3] = K1[NO][O2]rate = K2K1[NO][NO][O2]

29

กลไกของปฏิกิริยาเคมีกลไกของปฏิกิริยาเคมี

rate = K[NO]2[O2]

อันดับของปฏิกิริยา = 3

การบาน

แบบฝกหัดทายบทจลนศาสตรเคมี

http://www.ptwit.ac.th/SCITECH/pranee.htm

ข้อมูล_จลนศาสตร์เคมี

Documents

Transcript of ข้อมูล_จลนศาสตร์เคมี