บทท่ี 5จลนศาสตรเ์คมแีละ

สมดลุเคมี

5.1 จลนศาสตรเ์คมี• จลนศาสตรเ์คมี คือ สาขาหนึ่งของวชิาเคมทีี่

เก่ียวขอ้งกับความเรว็ หรอือัตราเรว็ท่ีปฏิกิรยิาเคมี เกิดขึ้นคำาวา่ จลน์ บอกถึงการเคล่ือนที่การ เปล่ียนแปลง จลนพลศาสตรห์มายถึง อัตราการ เกิดปฏิกิรยิา ซึ่งหมายถึง การ เปล่ียนแปลงความ

เขม้ขน้ของสารเริม่ต้น หรอืสารผลิตภัณฑ์ ต่อ หน่วยเวลาโดยทัว่ไปเราสามารถแทนปฏิกิรยิาใดๆ

ด้วยสมการทัว่ไปดังนี้ สารต้ังต้น สาร→

ผลิตภัณฑ์

• สมการน้ีจะบอกเราวา่ ในระหวา่งท่ีปฏิกิรยิาดำาเนิน ไปนัน้ สารตัง้ต้น (reactant) จะถกูใชไ้ปในขณะที่

สารผลิตภัณฑ์ (product) จะเกิดขึ้น ซึ่งเราสามารถติดตามการดำาเนินไปของปฏิกิรยิาได้โดยการวดั

การลดลงของสารตัง้ต้น หรอืการเพิม่ขึ้นของความเขม้ขน้ของสารผลิตภัณฑ์เป็นฟงัก์ชนักับ

เวลา• สำาหรบัปฏิกิรยิาที่เกิดขึ้นในสารละลายเรามกัวดัความเขม้ขน้ของสารด้วยวธิกีารทางสเปกโทรสโกปีหากมไีอออนเก่ียวขอ้งการเปล่ียนแปลงความ

เขม้ขน้ สามารถ การวดัการนำาไฟฟา้ ปฏิกิรยิาที่ เก่ียวขอ้งกับแก๊ส สามารถวดัด้วยการวดัความดัน

เป็นตน

• ปฏิกิรยิาเคมี ปฏิกิรยิาเคมนีับ เป็นหวัใจของวชิาเคมกีารศึกษาปฏิกิรยิาเคมทีี่สำาคัญคือการเปล่ียนแปลงพลังงานซึ่งเป็นสมบติัเฉพาะของ

แต่ละสาร และปรากฏออกมาในรูปต่าง ๆ เชน่ ความรอ้น แสง สไีฟฟา้ และพลังงานจลน์เชน่ เมื่อ

ใชถ่้านหงุต้มอาหารถ่านจะทำาปฏิกิรยิากับแก๊ส ออกซเิจนในอากาศใหแ้ก๊ส คารบ์อนไดออกไซด์

พรอ้มกับพลังงานความรอ้น และแสงสวา่งออกมา ดังตัวอยา่ง

C(s)+ O2(g)→ CO2 (g)+ พลังงาน

การเกิดปฏิกิรยิาเคมี• การเกิดปฏิกิรยิาเคมเีป็นกระบวนการที่สารหนึ่งหรอืมากกวา่หนึ่งชนิดเกิดการเปล่ียนแปลงองค์ประกอบโครงสรา้งแล้วได้สารใหม่

ซึ่งมอีงค์ประกอบโครงสรา้งและสมบติัต่างไปจากสารเดิม หรอื กล่าวสรุปวา่ เป็นกระบวนการที่สารเขา้ไปทำา ปฏิกิรยิากัน แล้วเกิด สารใหมข่ึ้นมา เรยีกการเปล่ียนแปลงทางเคมี ซึ่งเขยีนแทนด้วย

• สมการเคมี (chemical equation) การเกิดปฏิกิรยิาเคมปีระกอบ ด้วยสารตัง้ต้นในการทำา ปฏิกิรยิา เรยีกวา่ตัวทำา ปฏิกิรยิา

(reactant)และสารท่ีเป็นผลของปฏิกิรยิาเรยีกวา่สารผลิตภัณฑ์(product)

• ในการเขยีนสมการเคมจีะเขยีนสารตัง้ต้น ไวท้างซา้ยของลกูศร และเขยีนสารผลิตภัณฑ์ไวท้างขวา

ในการเกิดปฏิกิรยิาเคมบีางครัง้ผลของปฏิกิรยิามี สมบติัต่างไปจากสารเดิมอยา่งชดัเจน แต่บางครัง้ก็

ยากท่ีจะ บอกได้วา่ มสีารใหมเ่กิดขึ้นแล้วต้องทำาการ วเิคราะหท์างเคมหีรอืใชเ้ครื่องมอืตรวจวดั จงึจะบอกได้

วา่ เกิดปฏิกิรยิาเคมกีารเปล่ียนแปลงทางเคมท่ีีมองเหน็ด้วยตาได้อยา่งชดัเจน

สารต้ังต้น สารผลิตภัณฑ์ เชน่→ A + B →C + D A และ B คือสารต้ังต้นหรอืตัวทำาปฎิกิรยิา C และ D คือสารผลิตภัณท์ ท่ีได้จากตัวทำาปฏิกิรยิา

• เมื่อมกีารเปล่ียนแปลงทางเคมรีะบบทัง้หมดยอ่มมกีาร เปล่ียนแปลงทางพลังงานด้วย พลังงานท่ีเก่ียวขอ้ง คือ

พลังงานความรอ้น บางปฏิกิรยิาเมื่อเกิดการเปล่ียนแปลง ขึ้น มคีวามรอ้นจำานวนหนึ่งถกูปล่อยออกมาเมื่อสมัผัส

ระบบจะรูส้กึรอ้น เรยีกปฏิกิรยิาเชน่น้ีวา่ ปฏิกิรยิาแบบคาย ความรอ้น (exothemic reaction)แต่บางปฏิกิรยิาท่ีเกิดขึ้น

แล้วต้องดดูพลังงานจากสิง่แวดล้อมเขา้ไปเมื่อสมัผัส ระบบจะรูส้กึเยน็ เรยีกปฏิกิรยิาเชน่น้ีวา่

• ปฏิกิรยิาดดูกลืนความรอ้น (endothermic reaction) พลังงานความรอ้นท่ีคายออกมาหรอืดดูกลืนเขา้ไปนัน้ เป็น

ผลจากการเปล่ียนแปลง พลังงานภายในของระบบซึ่ง เรยีกวา่ เอนทัลปี(enthalpy)

5.1.1 ทฤษฎีการชน• มสีมมติฐานวา่โมเลกลุของแก๊ส มกีารชนกันเองอยูต่ลอดเวลา จงึ

สามารถตัง้สมมติฐานได้วา่ปฏิกิรยิาเคมนัีน้ เป็นผลมาจากการชนกัน ระหวา่งโมเลกลุของสารตัง้ต้น สว่นทฤษฎีการชนของ จลนศาสตร์

เคมนัีน้อัตราการเกิดปฏิกิรยิาแปรผันโดยตรงกับจำานวนครัง้ของการ ชนของโมเลกลุต่อวนิาทีหรอื ความถ่ีในการชน แต่การชนกันของ

โมเลกลุไมไ่ด้ทำา ใหเ้กิดปฏิกิรยิาทกุครัง้ซึ่งทกุ ๆ โมเลกลุท่ีมกีาร เคล่ือนท่ี จะ มพีลังงานจลน์ยิง่ โมเลกลุเคล่ือนท่ีเรว็เท่าใด ก็จะมี

พลังงานจลน์มากขึ้นเท่านัน้ แต่โมเลกลุท่ีเคล่ือนท่ีเรว็น้ีจะไม่ สามารถ แตกเป็นชิน้เล็กชิน้น้อยได้ด้วยตัวเอง ในการท่ีจะเกิดปฏิกิรยิานัน้

โมเลกลุจะต้องชนกับโมเลกลุอ่ืน และ เมื่อเกิดการชนกัน บางสว่นของพลังงานจลน์ของโมเลกลุจะถกูเปล่ียนไปเป็นพลังงานในการสัน่

• ในการที่ปฏิกิรยิาจะเกิดขึ้นได้นัน้ โมเลกลุท่ีมาชน กันจะต้องมพีลังงานจลน์รวมเท่ากับหรอืมากกวา่

พลังงานก่อกัมมนัต์ (activation energy, Ea) ซึ่ง เป็นพลังงานที่ตำ่า ที่สดุ ที่จะทำา ใหป้ฏิกิรยิาเคมเีกิด

ขึ้นได้เมื่อ• โมเลกลุมกีารชนกัน โมเลกลุจะสรา้งสารประกอบเชงิซอ้นกัมมนัต์(activated complex) หรอืเรยีกวา่

สภาวะแทรนซชินั โดยสารน้ีเป็นสารเชงิซอ้น ชัว่คราวท่ีเกิดจากสารตัง้ต้น ต่าง ๆ มาชนกันก่อน

ท่ีจะเกิดเป็นสารผลิตภัณฑ์เชน่ A +B AB C + D

• เมื่อ AB* คือ สารเชงิซอ้นกัมมนัต์ที่เกิดจากการชน กันของโมเลกลุ A และ B ถ้าสารผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้น

มพีลังงานตำ่ากวา่สารตัง้ต้นปฏิกิรยิาจะเกิดขึ้น พรอ้มกับการคายความรอ้น

จงึเรยีกวา่ ปฏิกิรยิาคายความรอ้น• ในทางตรงกันขา้มถ้าสารผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นมี

พลังงานมากกวา่สารตัง้ต้น ในขณะเกิดปฏิกิรยิาจะ มกีารดดูความรอ้นจากสิง่แวดล้อมเขา้ไปสูป่ฏิกิรยิา

เป็นปฏิกิรยิาดดูความรอ้น

สมการเคมี (Chemical equation )• สมการเคมคืีอสิง่ท่ีใชแ้ทนปฏิกิรยิาเคมซีึ่งบอกใหท้ราบถึงชนิดของตัวทำาปฏิกิรยิาและชนิดของผลของปฏิกิรยิาโดยแสดงในรูปของสตูรเคมสีมการท่ีสมบูรณ์หรอืท่ีดลุแล้วจะมี

จำานวนอะตอมของธาตชุนิดเดียวกัน ก่อนและหลังปฏิกิรยิาเท่ากันอันเป็นไปตามกฎอนุรกัษ์มวล

ตัวอยา่งเชน่ เผาแก๊สมเีทน (CH4) ในบรรยากาศ ของ ออกซเิจน จะใหแ้ก๊สคารบ์อนไดออกไซด์(CO2 )กับนำ้า(H2O)

เขยีนสมการได้ดังน้ี

เมื่อดลุสมการแล้วจะได้ดังน้ี

CH4 + O2 → CO2 + H2O

CH4 +2O2 → CO2+2H2O

สมการรดีอกซห์รอืปฏิกิรยิารดีอกซ์ (Redox reaction)• เป็นปฏิกิรยิาท่ีมกีารเปล่ียนแปลงเลขออกซเิดชนัเน่ืองจากมกีารใหแ้ละ

รบัอิเล็กตรอน ประกอบด้วยปฏิกิรยิายอ่ย 2 ชนิด ซึ่งเกิดขึ้นพรอ้มกันคือออกซเิดชัน่(oxidation) และรดัีกชนั (reduction)

• ออกซเิดชัน่ เป็นปฏิกิรยิาท่ีมกีารเพิม่เลขออกซเิดชัน่ หรอืเป็นปฏิกิรยิาท่ี มกีารใหอิ้เล็กตรอนแก่สารอ่ืน ทำาใหต้นเองมเีลขออกซเิดชัน่เพิม่ขึ้น

• รดัีกชนัเป็นปฏิกิรยิาท่ีมกีารลดเลขออกซเิดชัน่หรอืเป็นปฏิกิรยิาท่ีมกีาร รบัอิเล็กตรอนจากสารอ่ืนทา ใหต้นเองมเีลขออกซเิดชัน่ลดลง

• ตัวออกซไิดส์ (oxidizing agent)คือสารท่ีรบัอิเล็กตรอนไวห้รอืหมายถึง สารท่ีทา ใหเ้กิดปฏิกิรยิารดัีกชนัตัว รดิีวซ์ (reducing agent) คือสารท่ีให้

อิเล็กตรอน หรอืหมายถึงสารท่ีทำาใหเ้กิดปฏิกิรยิาออกซเิดชัน่

5.1.2 อัตราเรว็ของปฏิกิรยิา (Rate of reaction)

• หมายถึง ความเรว็ในหนึ่งหน่วยเวลา อัตราของปฏิกิรยิาจะหมายถึงเวลาในการเกิดปฏิกิรยิาเคมหีรอืการเปล่ียนแปลงทางเคมี

ดำาเนินไปโดยเก่ียวขอ้งกับเวลา ปฏิกิรยิาเคมบีางชนิดเกิดเรว็ มาก เชน่ ปฏิกิรยิาการระเบดิ ของทีเอ็นที (TNT) ปฏิกิรยิาระหวา่

ง AgNO3 (aq) กับ NaCl(aq) จะได้ตะกอนของ AgCl(s) ทันที• แต่ปฏิกิรยิาบางชนิดเกิดชา้มากใชเ้วลาเป็นวนับางทีแทบมองไม่

เหน็การเปล่ียนแปลง เชน่ เหล็กเป็นสนิม แต่บางปฏิกิรยิาก็เกิด ไมเ่รว็หรอืชา้เกินไป พอจะวดัความเรว็ของการเกิดได้ในหอ้ง

ปฏิบติัการ อัตราของปฏิกิรยิาวดักันเป็นจำานวนโมลของตัวทำาปฏิกิรยิาท่ีหมดไปต่อหน่วยเวลาหรอืจำานวนโมลของผลปฏิกิรยิา

ท่ีเกิดขึ้นต่อหน่วยเวลา โดยมากวดัเป็นความเขม้ขน้ของสาร ความเขม้ขน้มหีน่วยเป็นโมลต่อลิตร ร (mol/dm 3 )

กราฟการเกิดปฎิกิรยิา

ปัจจยัท่ีมผีลต่ออัตราเรว็ของปฏิกิรยิา

• 1. ชนิดของตัวทำาปฏิกิรยิา• 2. ความเขม้ขน้ของตัวทำาปฏิกิรยิา ปฏิกิรยิาจะเกิดเรว็ขึ้นถ้าเพิม่

ความเขม้ขน้ของตัวทำาปฏิกิรยิาตามทฤษฎีการชน เชื่อวา่ปฏิกิรยิาเกิดขึ้นได้เมื่ออนุภาคของตัวทำาปฏิกิรยิาเขา้มาชนกันเมื่อชนกันแล้วถ้ามพีลังงานมากพอก็จะมกีารจดัอะตอมกันใหม่

มกีาร สลายพนัธะเดิมและมกีารสรา้งพนัธะใหมเ่กิดขึ้นมา• 3. อุณหภมูิ การเพิม่อุณหภมูทิำา ใหป้ฏิกิรยิาเกิดเรว็ขึ้น

อุณหภมูยิิง่สงูปฏิกิรยิายิง่เกิดเรว็ขึ้นในทางตรงกันขา้ม ถ้าอุณหภมูลิดลงอัตราการเกิดปฏิกิรยิาจะชา้ลง

• 4. ตัวเรง่ปฏิกิรยิา ตัวเรง่ปฏิกิรยิา คือสารท่ีเพิม่อัตราการเกิด ปฏิกิรยิาใหเ้รว็ขึ้น โดยท่ีสารนัน้ ไมเ่กิดการเปล่ียนแปลงทาง

เคมแีละทางปรมิาณ แต่สภาพทางกายภาพอาจเปล่ียนแปลงได้

5.2 สมดลุเคมี

• สมดลุเป็นภาวะที่ไมส่ามารถสงัเกตเหน็การ เปล่ียนแปลงใด ๆ ได้เมื่อปฏิกิรยิาเคมอียูใ่นสภาวะ

ท่ีสมดลุหมายถึงความเขม้ขน้ ของสารตัง้ต้น และสารผลิตภัณฑ์มค่ีาคงท่ีและไมม่กีารเปล่ียนแปลง

ความเขม้ขน้ของสารใดๆ ในระบบ อยา่งไรก็ตามการเปล่ียนแปลงในระดับโมเลกลุยงัเกิดอยา่งต่อเนื่องตลอดเวลาเนื่องจากสารตัง้ต้นต้องการ

เปล่ียนเป็นสารผลิตภัณฑ์เชน่เดียวกัน โมเลกลุของสารผลิตภัณฑ์ก็ต้องการเปล่ียนเป็นสารตัง้

ต้นการเปล่ียนแปลงที่เกิดแบบต่อเน่ืองนี้เรยีกวา่สภาวะไดนามกิส์

5.2.2 ค่าคงท่ีของสมดลุ (equilibrium constant)

• ค่าคงท่ีสมดลุ(K)คืออัตราสว่นระหวา่งผลคณูของความเขม้ขน้ของสารผลิตภัณฑ์ยกกำาลังด้วยจำานวนโมลของสารผลิตภัณฑ์กับผลคณูของความเขม้

ขน้ของสารตัง้ต้นยกกำาลังด้วยจำานวนโมล ซึ่งจำา นวนโมลของ สารผลิตภัณฑ์ละจำานวนโมลของสาร

ตัง้ต้น ต้องได้จากสมการท่ีดลุแล้วเท่านัน้ เชน่ aA + bB cC + dD⇌

ความสมัพนัธข์องค่าคงท่ี1. ค่า K ขึ้นอยูกั่บอุณหภมูิ2. ค่า K ขึ้นอยูกั่บสมการคือถ้านำาสมการ ตัวเลขใดคณูสมการ

เดิม ค่า K ของสมการใหมจ่ะเท่ากับค่า K ของสมการเดิมยกกำาลังด้วยเลขนัน้3. ถ้าเขยีนสมการกลับกันค่า K ของสมการใหมจ่ะเป็นสว่นกลับ

ของค่า K ของสมการเดิม4. ถ้าปฏิกิรยิาเกิดหลายขัน้ตอน ค่า K ของปฏิกิรยิารวมจะ

เท่ากับผลคณูของค่า K ของปฏิกิรยิายอ่ย ปฏิกิรยิารวม = ปฏิกิรยิาขัน้ท่ี1 + ปฏิกิรยิาขัน้ท่ี2

เราสามารถทราบวา่ปฏิกิรยิาหนึ่งๆ นัน้ มผีลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นมากน้อยเพยีงใดโดยดจูากค่าคงที่สมดลุคือ• 1. ถ้าค่า K >1 ปฏิกิรยิานัน้จะเกิดไปขา้งหนาได้ดีมีสารผลิตภัณฑ์เกิดขึ้นมากและเหลือสารตัง้ต้นน้อย

• 2. ถ้าค่า K <1 ปฏิกิรยิานัน้จะเกิดยอ้นกลับได้ดี ทำาใหม้สีารผลิตภัณฑ์เกิดขึ้นน้อย สารตัง้ต้น เหลือ

มาก

5.2.3 หลักของเลอชาเตอลิเอร์• เลอชาเตอลิเอรน์ักวทิยาศาสตรช์าวฝรัง่เศสได้ศึกษาเก่ียวกับการเปล่ียนภาวะสมดลุของปฏิกิรยิา

และได้สรุปเป็นหลักการวา่• “เมื่อระบบที่อยูใ่นสภาวะสมดลุถกูรบกวนโดยการเปล่ียนแปลงของปัจจยัที่มผีลต่อภาวะสมดลุของ

ระบบ ระบบพยายามปรบัตัวไปในทางทิศที่จะลดผลของการรบกวนหรอืปรบัตัวไปในทิศทางตรงกัน

”ขา้มเพื่อใหร้ะบบเขา้ภาวะสมดลุอีกครัง้หนึ่ง