ข้อมูล_จลนศาสตร์เคมี
DESCRIPTION
know2pro.comTRANSCRIPT
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
Mg(s)+2HCl(aq)Mg(s)+2HCl(aq) MgClMgCl22(aq)+H(aq)+H22(g)(g)
จากสมการหา rate โดยวัดปริมาตรของแกส H2ที่เกิดขึ้นหรือช่ังนํ้าหนักของ Mg
����
������Mg ���������=rate
����
�����ก�����H ��������� 2rate =
7
����การคาํนวณอัตราเรว็ของปฏิกริิยาทําไดโดยการคํานวณผลจากการทดลอง หรอืคํานวณจากสมการเคมีก็ได
����
������Mg ���������=rate
Mg(s)+2HCl(aq)Mg(s)+2HCl(aq) MgClMgCl22(aq)+H(aq)+H22(g)(g)
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