ตามทฤษฎีการชนกันของโมเลกุล

นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าในการเกิดปฏิกิริยาเคมีอนุภาคของสารตั้งต้นซึ่งอาจ เป็นโมเลกุล อะตอม หรือไอออนจะต้องชนกัน ถ้าการชนกันทุกครั้งทำให้เกิดปฏิกิริยาเคมี  จะมีผลทำให้ปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้นได้เร็ว  แต่จาการทดลองพบว่า การชนกันของอนุภาค  ไม่สามารถทำให้เกิดปฏิกิริยาทุกครั้ง  มีเพียงบางครั้งเท่านั้นที่มีปฏิกิริยาเกิดขึ้น

           จากทฤษฎีจลน์ อธิบายได้ว่า  ณ อุณหภูมิหนึ่ง โมเลกุลของแก๊สชนิดเดียวกันเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วแตกต่างกัน  โมเลกุลที่เคลื่อนที่ช้าจะมีพลังงานจลน์ต่ำ ส่วนโมเลกุลที่เคลื่อนที่เร็วจะมีพลังงานจลน์สูง  ถ้าโมเลกุลที่มีพลังงานจลน์สูงหรือมีอัตราเร็วสูงชนกัน พลังงานที่เกิดจากการชนก็จะมีค่าสูงด้วย  ถ้ามีพลังงานสูงพอก็จะเกิดการสลายพันธะในสารตั้งต้น แล้วสร้างพันธะใหม่ขึ้นเป็นสารผลิตภัณฑ์ซึ่งก็คือ การเกิดปฏิกิริยาเคมี  แต่ถ้าโมเลกุลที่มีพลังงานจลน์ต่ำเกิดการชนกันและพลังงานมีค่าไม่สูงพอก็จะ ไม่เกิดปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้น

            เมื่ออนุภาคของสารชนกันแล้วจะมีปฏิกิริยาเคมีเกิดขี้นหรือไม่ ยังขึ้นอยู่กับทิศทางในการชนกันด้วย  เช่น ปฏิกิริยาระหว่างแก๊สไฮโดรเจนกับแก๊สไอโอดิน  ดังสมการ

        การที่จะได้แก๊สไฮโดรเจนไอโอไดด์เกิดขึ้น  โมเลกุลของแก๊สไฮโดรเจนกับแก๊สไอโอดีนจะต้องมีการชนกันและอาจจัดตัวขณะชนกัน ได้ดังรูป

เมื่อพิจารณาการชนกันของโมเลกุล  H2 กับ I2 พบว่าการชนกันแบบ  ข. มีโอกาสที่จะเกิดปฏิกิริยาเคมีได้มากกว่าแบบ  ก. เนื่องจากทิศทางในการชนกันของโมเลกุลทั้งสองความเหมาะสม

           จากข้อมูลที่กล่าวมาแล้วช่วยให้สรุปได้ว่าปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้นได้เมื่อ อนุภาคของสารตั้งต้นชนกันในทิศทางที่เหมาะสม รวมทั้งต้องมีพลังงานที่เกิดจากการชนกันอย่างน้อยที่สุดปริมาณหนึ่งซึ่งเท่า กับ  พลังงานก่อกัมมันต์  ใช้สัญลักษณ์ย่อเป็น  Ea

               พลังงานก่อกัมมันต์เป็นค่าที่คำนวณจากผลการทดลอง  ซึ่งในแต่ละปฏิกิริยาจะมีค่าพลังงานก่อกัมมันต์ไม่เท่ากัน  โดยปกติโมเลกุลที่มีพลังงานเท่ากับหรือมากกว่าพลังงานก่อกัมมันต์มีจำนวน น้อยมาก  เพื่อให้เข้าใจดีขึ้นจึงอาจเปรียบเทียบการเกิดปฏิกิริยาเคมีกับการเดินทาง ข้ามภูเขาดังรูป

รูปการดำเนินทางข้ามภูเขา

     จากรูป คนที่จะเดินข้ามภูเขาได้ต้องแข็งแรงมากหรือมีพลังงานมาก  ดังนั้นจำนวนคนที่จะเดินข้ามภูเขาได้ภายในเวลาที่กำหนด  จึงขึ้นอยู่กับองค์ประกอบทีสำคัญ  2  ประการ  คือ (1) จำนวนคนที่แข็งแรงหรือมีพลังงานมากและ (2) ความสูงของภูเขา

             ถ้าอุปมาอุปไมยจำนวนคนที่แข็งแรงหรือมีพลังงานสูงกับจำนวนอนุภาคที่มี พลังงานสูง  และความสูงของภูเขากับค่าพลังงานก่อกัมมันต์ของปฏิกิริยานั้น ช่วยให้อธิบายได้ว่าการที่บางปฏิกิริยาเกิดขึ้นช้ามาก  เพราะปฏิกิริยานั้นมีค่าพลังงานก่อกัมมันต์สูงมาก  และอนุภาคที่มีพลังงานสูงมีจำนวนน้อย  โอกาสที่จะชนกันเพื่อให้ได้พลังงานสูงเท่ากับพลังงานก่อกัมมันต์จึงมีน้อย ด้วย  ในกรณีของปฏิกิริยาที่เกิดได้เร็วก็อธิบายได้ในทำนองเดียวกัน 

              สำหรับการอธิบายการเกิดปฏิกิริยาเคมีอีกแนวคิดหนึ่งอธิบายว่า  เมื่อสารเข้าทำปฏิกิริยากันจะมีสารใหม่เกิดขึ้นเป็นผลิตภัณฑ์  และในระหว่างที่สารตั้งต้นเปลี่ยนเป็นผลิตภัณฑ์นั้น  จะมีสารเชิงซ้อนกัมมันต์เกิดขึ้นก่อนเพียงชั่วขณะแล้วสารเชิงซ้อนกัมมันต์ก็ สลายให้ผลิตภัณฑ์ต่อไป  เช่น  ปฏิกิริยาระหว่างแก๊ส CO กับ NO 2 เกิดเป็นแก๊ส CO2 และ NO ซึ่งอาจเขียนแผนภาพแสดงดังรูป

ทางด้านสารตั้งต้นจะมีพันธะระหว่างอะตอม C กับ O ในโมเลกุล CO และ N กับ O ในโมเลกุล NO2 เท่านั้น เมื่อเกิดเป็นสารเชิงซ้อนกัมมันต์  ความแข็งแรงของพันธะระหว่างอะตอม N กับ O ใน NO2 จะลดลง  และเริ่มมีพันธะอย่างอ่อน ๆ เกิดขึ้นระหว่างอะตอมของ C ใน CO กับ O ใน NO2 เมื่อสารเชิงซ้อนกัมมันต์สลายตัวให้ผลิตภัณฑ์  จะมีการสลายพันธะเดิมระหว่างอะตอม N กับ O และมีพันธะระหว่างอะตอม C กับ O เกิดขึ้นแทนที่  สารเชิงซ้อนกัมมันต์อยู่ในสภาวะที่ไม่เสถียรเพราะมีพลังงานสูงมาก สภาวะดังกล่าวนี้เรียกว่า  สภาวะแทรนซิชัน  จึงอาจกล่าวได้ว่าพลังงานของสภาวะแทรนซิชันจะมีค่าประมาณพลังงานก่อกัมมันต์ นั่นเอง  ทั้งนี้เพราะการที่ปฏิกิริยาเคมีจะเกิดขึ้นได้อนุภาคของสารที่ชนกันจะต้องมี พลังงานอย่างน้อยทีสุดเท่ากับพลังงานก่อกัมมันต์

ที่มา : http://www.thaigoodview.com/library/studentshow/2549/nongkhai/kudbongphittayakarn/p02.htm

จากทฤษฎีการชนจะสังเกตได้ว่า การชนที่ประสบผลสำเร็จหรือการชนที่ทำให้เกิดสารผลิตภัณฑ์จะต้องประกอบด้วยองค์ประกอบที่สำคัญสองอย่าง คือ

1. ทิศทางของการชน (orientation of collision)

2. พลังงานของการชน (energy of collision)

1. ทิศทางของการชน

ปฏิกิริยานี้จะเกิดได้ดีที่สุดเมื่อ K ชนกับ I ในทิศทางที่โมเลกุล CH3I หันด้านอะตอมของ I เข้าหา K โดยตรง ส่วนการชนที่อะตอมของ K ชนกับ CH3 นั้นจะเป็นการชนที่เกิดผลิตภัณฑ์น้อยมากหรือแทบจะไม่เกิดเลย ดังนั้นในการศึกษาจลนพลศาสตร์เคมีจึงควรพิจารณาการจัดตัวของโมเลกุลขณะเกิดการชนด้วย

ถ้าจะมองในเรื่องของทฤษฎีการชนแล้ว เราก็คงพอจะมองภาพออกว่า ถ้าสารตั้งต้นเป็นแก๊สหรือของเหลวคงเกิดปฏิกิริยาได้ง่าย เพราะอนุภาคที่เป็นแก๊สหรือของเหลวเคลื่อนที่ได้ง่าย โดยเฉพาะแก๊ส ถ้าเราใช้ความดันช่วยบีบให้อนุภาคเข้ามาชิดกันมากขึ้น ปฏิกิริยาก็จะยิ่งเกิดได้ง่ายมากขึ้น

2. พลังงานของการชน

อนุภาคชนกันในทิศทางที่เหมาะสมแล้วก็ยังไม่เพียงพอ สิ่งที่สำคัญมากกว่านั้นก็คือ พลังงาน เพราะถึงแม้ว่าอนุภาคจะชนกันในทิศทางที่ถูกต้องแต่พลังงานของอนุภาคมีไม่มากเพียงพอ ก็ไม่อาจที่จะเกิดปฏิกิริยาได้

เราได้ทราบมาแล้วว่าการเกิดปฏิกิริยาเคมีย่อมเกี่ยวข้องกับการสลายพันธะเดิมและสร้างพันธะใหม่ ซึ่งการสลายพันธะเดิมต้องใช้พลังงานอย่างแน่นอน พลังงานในที่นี้ก็คือพลังงานที่เราเรียกว่า พลังงานก่อกัมมันต์ (activation energy) นั่นเอง

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

พิจารณาปฏิกิริยา A + B ——–> C + D

กราฟแสดงการเปลี่ยนแปลงพลังงานศักย์สำหรับ
ก) ปฏิกิริยาคายความร้อน        ข) ปฏิกิริยาดูดความร้อน

จากกราฟ

รูปการแจกแจงพลังงานของอนุภาคของแมกซ์เวล-โบลซ์มันน์ (Maxwell-Boltzmann Distribution)

อนุภาคในพื้นที่ใต้กราฟทางด้านขวาของพลังงานก่อกัมมันต์เท่านั้นที่มีโอกาสชนกันแล้วเกิดปฏิกิริยาเพราะเป็นอนุภาคที่มีพลังงานสูง ส่วนอนุภาคในพื้นที่ใต้กราฟทางด้านซ้ายของพลังงานก่อกัมมันต์ซึ่งเป็นอนุภาคส่วนใหญ่จะมีโอกาสชนกันได้แต่ไม่มีพลังงานมากพอที่จะเกิดปฏิกิริยา

ก. เปลี่ยนรูปร่างของกราฟให้โย้ไปทางขวามากขึ้น (ทำให้อนุภาคที่มีพลังงานสูงมีมากขึ้น)
ข. เปลี่ยนตำแหน่งของพลังงานก่อกัมมันต์ ให้เลื่อนมาทางซ้ายมากขึ้น (ลดพลังงานก่อกัมมันต์ลง)

คำตอบคือ ถูกทั้งข้อ ก และ ข

ข้อ ก เปลี่ยนรูปร่างของกราฟให้โย้ไปทางขวามากขึ้นด้วยการเพิ่มอุณหภูมิ (ดูปัจจัยที่มีผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยา : อุณหภูมิ)
ข้อ ข เปลี่ยนตำแหน่งของพลังงานก่อกัมมันต์ ให้เลื่อนมาทางซ้ายมากขึ้นด้วยการเติมตัวเร่งปฏิกิริยา (ดูปัจจัยที่มีผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยา: ตัวเร่งปฏิกิริยา

ที่มา :

http://www.scimath.org/socialnetwork/groups/viewgroup/280