เจาะลึกบท “อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี” เคมี ม.5 สรุปครบทุกปัจจัยและแนวข้อสอบวิเคราะห์

เมื่อขึ้นสู่ชั้น ม.5 เทอม 1 บทเรียนสำคัญในวิชาเคมีที่หลีกเลี่ยงไม่ได้เลยคือ อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี หลายคนอาจรู้สึกว่าบทนี้ยากเพราะมีทั้งส่วนที่เป็นทฤษฎี และส่วนคำนวณที่ต้องวิเคราะห์ตัวเลข แต่ในความเป็นจริงแล้ว ปฏิกิริยาเคมีเป็นสิ่งที่เกิดขึ้นรอบตัวเราตลอดเวลา บทความนี้จะชวนน้อง ๆ มาเปลี่ยนเรื่องเคมีชวนปวดหัวให้กลายเป็นเรื่องที่เข้าใจง่าย มองเห็นภาพรวมอย่างเป็นระบบ และพร้อมกวาดคะแนนสอบในทุกสนาม

ความหมายของอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี

ในการศึกษาวิชาเคมี อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี หมายถึง ปริมาณของสารตั้งต้นที่ลดลง หรือปริมาณของผลิตภัณฑ์ที่เพิ่มขึ้นจากปฏิกิริยาในหนึ่งหน่วยเวลา ซึ่งเราสามารถเขียนความสัมพันธ์ในรูปแบบสมการทั่วไปได้ดังนี้

• อัตราการเปลี่ยนแปลงของสาร หมายถึง หรือ
• อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี (rate of chemical reaction, R) หาได้จากอัตราการเปลี่ยนแปลงของสารมาปรับด้วยเลขดุลในสมการเคมี

หน่วยของอัตราการเกิดปฏิกิริยาจะขึ้นอยู่กับสถานะของสาร เช่น หากเป็นสารละลาย มักใช้หน่วยเป็น โมลาร์ต่อวินาที (M/s) แต่ถ้าเป็นแก๊สก็อาจใช้หน่วยเป็น มิลลิลิตรต่อวินาที (mL/s) สิ่งสำคัญที่น้อง ๆ มักพลาดในข้อสอบคือ การแยกแยะระหว่าง “อัตราเฉลี่ย” กับ “อัตรา ณ ขณะใดขณะหนึ่ง” ซึ่งอัตราเฉลี่ยจะคิดจากจุดเริ่มต้นถึงจุดสิ้นสุดของปฏิกิริยา ส่วนอัตรา ณ ขณะใดขณะหนึ่งจะคิดหาค่าความชัน (Slope) จากกราฟ ณ วินาทีนั้น ๆ สามารถสรุปชนิดของอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีได้ 3 ชนิด ดังนี้

ทฤษฎีที่เกี่ยวข้องกับอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี

การที่สารตั้งต้นจะเปลี่ยนไปเป็นผลิตภัณฑ์ได้นั้น ไม่ใช่ว่าจับสารมาผสมกันแล้วจะเกิดปฏิกิริยาได้ทันที นักวิทยาศาสตร์จึงได้ตั้งทฤษฎีขึ้นมาอธิบายกลไกในระดับอนุภาคไว้ 2 ทฤษฎีหลัก ๆ คือ

 อัตราเฉลี่ย 

อัตราในช่วงเวลาหนึ่ง ๆ 

อัตรา ณ ขณะใดขณะหนึ่ง

1. ทฤษฎีการชน

ทฤษฎีนี้กล่าวว่า ปฏิกิริยาเคมีจะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่ออนุภาคของสารตั้งต้นวิ่งมา “ชนกัน” เท่านั้น แต่การชนกันทุกครั้งไม่จำเป็นต้องเกิดปฏิกิริยาเสมอไป การชนที่จะประสบความสำเร็จต้องครบเงื่อนไข 2 ข้อนี้

• ทิศทางในการชนต้องเหมาะสม: โมเลกุลต้องหันมุมหรือด้านที่จำเพาะเข้าหากัน เพื่อให้เอื้อต่อการสลายพันธะเดิมและสร้างพันธะใหม่

• พลังงานในการชนต้องมากพอ: อนุภาคที่ชนกันต้องมีพลังงานจลน์รวมกันแล้วเท่ากับหรือมากกว่า พลังงานก่อกัมมันต์ (Ea)

2. ทฤษฎีสถานะแทรนซิชัน

เมื่ออนุภาคของสารตั้งต้นชนกันด้วยทิศทางและพลังงานที่เหมาะสม จะเกิดการรวมตัวกันชั่วคราวกลายเป็นสารชนิดหนึ่งที่เรียกว่า สารเชิงซ้อนกัมมันต์ (Activated Complex) สารในสภาวะนี้จะมีพลังงานสูงมากและไม่เสถียร (Transition State) พันธะเดิมของสารตั้งต้นกำลังจะขาดออกจากกัน และพันธะใหม่ของผลิตภัณฑ์กำลังจะสร้างขึ้นมา ซึ่งสุดท้ายแล้วสารเชิงซ้อนนี้สามารถเลือกที่จะเปลี่ยนไปเป็นผลิตภัณฑ์ หรือสลายตัวกลับมาเป็นสารตั้งต้นเหมือนเดิมก็ได้

พลังงานกับการดำเนินไปของปฏิกิริยาเคมี

เมื่อเรานำความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานของสารและการดำเนินไปของปฏิกิริยาเคมีมาเขียนเป็นกราฟ จะสามารถจำแนกปฏิกิริยาออกเป็น 2 ประเภทใหญ่ ๆ ตามลักษณะการเปลี่ยนแปลงพลังงานความร้อน () ดังนี้

1. ปฏิกิริยาคายความร้อน

เป็นปฏิกิริยาที่ผลิตภัณฑ์มีพลังงานต่ำกว่าสารตั้งต้น เมื่อปฏิกิริยาสิ้นสุดลงระบบจึงปลดปล่อยพลังงานส่วนเกินออกมาสู่สิ่งแวดล้อม ทำให้สิ่งแวดล้อมมีอุณหภูมิสูงขึ้น

• ค่าความร้อนของปฏิกิริยา (H) จะมีค่าเป็นลบ (H<0) พลังงานก่อกัมมันต์ () ของปฏิกิริยาไปข้างหน้า จะมีค่าน้อยกว่า ของปฏิกิริยาย้อนกลับ

2. ปฏิกิริยาดูดความร้อน

เป็นปฏิกิริยาที่ผลิตภัณฑ์มีพลังงานสูงกว่าสารตั้งต้น ระบบจึงต้องดูดกลืนพลังงานความร้อนจากสิ่งแวดล้อมเข้าไปเพื่อใช้ในการสร้างผลิตภัณฑ์ ทำให้สิ่งแวดล้อมมีอุณหภูมิต่ำลง

• ค่าความร้อนของปฏิกิริยา () จะมีค่าเป็นบวก (H>0) พลังงานก่อกัมมันต์ () ของปฏิกิริยาไปข้างหน้า จะมีค่ามากกว่า ของปฏิกิริยาย้อนกลับ

ข้อควรจำ: ไม่ว่าจะเป็นปฏิกิริยาดูดหรือคายความร้อน ค่าพลังงานก่อกัมมันต์ () จะต้องวัดจากระดับพลังงานของสารตั้งต้นขึ้นไปจนถึงจุดสูงสุด (Activated Complex) เสมอ และปฏิกิริยาที่มีค่า ต่ำ จะเกิดได้เร็วกว่าปฏิกิริยาที่มีค่า สูง

ปฏิกิริยาหลายขั้นตอน

• ขั้นกําหนดอัตรา (rate determining step) คือขั้นที่เกิดปฏิกิริยาช้าที่สุด ซึ่งจะเป็นขั้นที่มี มากที่สุด
• สารเชิงซ้อนกัมมันต์ (activated complex) คือสารประกอบใหม่ที่เกิดขึ้นชั่วคราวเมื่อโมเลกุลของสารตั้งต้นชนกันอย่างเหมาะสม
• สารมัธยันตร์ (intermediate) คือสารที่เกิดขึ้นระหว่างการเกิดปฏิกิริยา แล้วถูกนําไปใช้เป็นสารตั้งต้นในปฏิกิริยาขั้นต่อไป

ปัจจัยที่มีผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี

หากต้องการควบคุมให้ปฏิกิริยาเคมีเกิดเร็วขึ้นหรือช้าลง เราสามารถปรับเปลี่ยนสภาพแวดล้อมผ่านปัจจัยสำคัญ 5 ประการ ตัวช่วยจำเพื่อใช้สอบจัดกลุ่มไว้ในตารางเปรียบเทียบดังนี้

แนวข้อสอบเคมีเกี่ยวกับอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี

เพื่อทดสอบความเข้าใจ น้อง ๆ ลองฝึกวิเคราะห์แนวข้อสอบบูรณาการความรู้เรื่องอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี 2 ข้อนี้

โจทย์ข้อที่ 1

คำถาม: จากปฏิกิริยาเคมี ถ้าอัตราการลดลงของสาร B เท่ากับ M/s จงหาอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีและอัตราการเกิดสาร D

แนวคิดและวิธีวิเคราะห์:

• เขียนความสัมพันธ์ระหว่างอัตราการเกิดปฏิกิริยากับสัมประสิทธิ์เลขดุลหน้าสาร

• แทนค่าอัตราการลดลงของสาร B ซึ่งก็คือ -ΔBΔt = 0.6 x 10-2 M/s ลงในสมการเพื่อหา R 

• หาอัตราการเกิดสาร D โดยจับคู่ความสัมพันธ์ 

คำตอบ: อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีเท่ากับ 0.210-2 M/s และอัตราการเกิดสาร D เท่ากับ 

M/s

โจทย์ข้อที่ 2

คำถาม: ในการศึกษาปฏิกิริยาคายความร้อนชนิดหนึ่ง พบว่าเมื่อทำปฏิกิริยาที่สภาวะปกติ อนุภาคของสารตั้งต้นมีการวิ่งเข้าชนกันตลอดเวลา แต่ปฏิกิริยาเกิดขึ้นช้ามาก ต่อมาเมื่อผู้ทำการทดลองตัดสินใจ “เติมตัวเร่งปฏิกิริยา (Catalyst) ลงไปในระบบ” อยากทราบว่าการเติมตัวเร่งปฏิกิริยาจะส่งผลต่อค่าพลังงานก่อกัมมันต์ () ค่าความร้อนของปฏิกิริยา () และลักษณะกลไกการชนของอนุภาคอย่างไร

แนวคิดและวิธีวิเคราะห์:

• วิเคราะห์ผลต่อค่า : การใส่ตัวเร่งปฏิกิริยาจะส่งผลให้ ค่าพลังงานก่อกัมมันต์ () มีค่าลดลง

• วิเคราะห์ผลต่อค่า : ตัวเร่งปฏิกิริยาไม่ได้เปลี่ยนแปลงระดับพลังงานของสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ ดังนั้น ผลต่างของพลังงานหรือค่าความร้อนของปฏิกิริยา () จึงคงเดิมไม่เปลี่ยนแปลง

• วิเคราะห์ผลต่อกลไกการชน : ตามทฤษฎีการชน เงื่อนไขการชนที่สำเร็จต้องมีพลังงานจลน์มากกว่าหรือเท่ากับค่า เมื่อตัวเร่งปฏิกิริยาไปลดค่า ให้ต่ำลง จึงส่งผลทำให้อนุภาคที่มีพลังงานจลน์มากพอที่จะชนแล้วเกิดปฏิกิริยาสำเร็จมีจำนวนสัดส่วนที่เพิ่มมากขึ้น ปฏิกิริยาจึงดำเนินไปได้รวดเร็วยิ่งขึ้น

สรุปคำตอบ: การเติมตัวเร่งปฏิกิริยาจะทำให้ค่า ลดลง, ค่า เท่าเดิม และทำให้สัดส่วนของการชนที่ประสบความสำเร็จเพิ่มขึ้น

เรียนเคมี ม.ปลาย กับ OnDemand

อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีเป็นบทที่ต้องใช้ทั้งความเข้าใจควบคู่ไปกับทักษะการคำนวณที่แม่นยำ หากน้อง ๆ รู้สึกว่าการอ่านหนังสือเองจับจุดได้ยาก หรืออยากได้เทคนิคการวิเคราะห์โจทย์ที่ซับซ้อนให้เสร็จภายในเวลาอันสั้น

OnDemand พร้อมช่วยให้น้อง ๆ เตรียมความพร้อมด้านการเรียน การสอบด้วยคอร์สเรียน วิชาเคมี ม.ปลาย โดย OnDemand ซึ่งสอนโดยทีมอาจารย์ผู้เชี่ยวชาญ ช่วยให้เข้าใจเนื้อหาได้ง่ายขึ้น ปูพื้นฐาน เพิ่มความมั่นใจก่อนสอบ เพิ่มคะแนนในห้องเรียน ไปจนถึงการสอบเข้าระดับมหาวิทยาลัย

สอบถามรายละเอียดคอร์สเรียนเพิ่มเติม

• Add Line: Ondemand Education
• โทรศัพท์: 02-251-9456 (08.00-20.00 น.)