1. ผลของความดันต่อการเกิดปฏิกิริยาเคมีในเฟสแก๊ส
สำหรับปฏิกิริยาในเฟสแก๊ส การเปลี่ยนแปลงความดันจะมีผลต่อระยะห่างระหว่างโมเลกุลของแก๊ส ถ้าระบบมีความดันลดลง ระยะห่างระหว่างโมเลกุลของแก๊สในระบบก็จะเพิ่มขึ้น โอกาสที่โมเลกุลจะชนกันเพื่อเกิดปฏิกิริยาเคมีก็จะลดลง ในทางกลับกันถ้าระบบมีความดันเพิ่มขึ้น ระยะห่างระหว่างโมเลกุลของแก๊สในระบบก็จะลดลง โอกาสที่โมเลกุลจะชนกันเพื่อเกิดปฏิกิริยาเคมีก็จะเพิ่มขึ้นตามไปด้วย ดังนั้นในกรณีของการเกิดปฏิกิริยาในเฟสแก๊ส ผลของการเปลี่ยนความดันที่มีต่อการเกิดปฏิกิริยาเคมีจะเห็นได้ชัด
ตรงนี้ขอย้ำไว้นิดนึงว่าอย่าสับสนเรื่องอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีกับค่าคงที่สมดุลเคมี อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีแปรเปลี่ยนตามอุณหภูมิและความเข้มข้นของสารตั้งต้นและ/หรือผลิตภัณฑ์ แต่ค่าคงที่สมดุลเคมีจะขึ้นอยู่กับอุณหภูมิเท่านั้น เมื่อเราเพิ่มอุณหภูมิให้สูงขึ้น อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีทั้งของปฏิกิริยาไปข้างหน้าและย้อนกลับจะเพิ่มสูงขึ้นทั้งคู่ ส่วนค่าคงที่สมดุลเคมีจะเพิ่มขึ้นหรือลดลงขึ้นอยู่กับว่าเป็นปฏิกิริยาดูดหรือคายความร้อน
2. ผลของความดันต่อการเกิดปฏิกิริยาเคมีในเฟสของเหลว
ในกรณีของปฏิกิริยาในเฟสของเหลวนั้นจะแตกต่างไปจากในกรณีของเฟสแก๊ส ของเหลวนั้นถูกอัดตัวได้น้อยมาก (หรืออาจถือได้ว่าไม่ถูกอัดตัวถ้าความดันเปลี่ยนแปลงไม่สูงมาก) ดังนั้นในกรณีที่สารตั้งต้นหรือผลิตภัณฑ์ทั้งหมดอยู่ในเฟสของเหลว การเปลี่ยนแปลงความดันจะไม่ส่งผลให้เห็นเด่นชัดต่อการเกิดปฏิกิริยาถ้าหากว่าอุณหภูมิของระบบไม่ได้เปลี่ยนแปลงไป
แต่ถ้ามีสารตั้งต้นตัวใดตัวหนึ่งอยู่ในเฟสแก๊ส หรือมีผลิตภัณฑ์ตัวใดตัวหนึ่งที่เป็นแก๊ส หรือเป็นสารที่ระเหยออกมาจากเฟสของเหลวได้ง่าย การเปลี่ยนแปลงความดันสามารถส่งผลต่อการเกิดปฏิกิริยาได้ สิ่งที่เราคาดการณ์ได้ก็คือถ้าเราเพิ่มความดันเหนือผิวของเหลวให้สูงขึ้น ในกรณีของสารตั้งต้นที่เป็นแก๊ส สารตั้งต้นนั้นก็น่าจะละลายเข้าไปในเฟสของเหลวได้มากขึ้น ดังนั้นปฏิกิริยาเคมีน่าจะเกิดดีขึ้น แต่ถ้าได้ผลิตภัณฑ์ออกมาเป็นแก๊ส การเพิ่มความดันน่าจะลดการระเหยของผลิตภัณฑ์ออกมาจากเฟสของเหลว ทำให้มีผลิตภัณฑ์ละลายอยู่ในเฟสของเหลวมากขึ้น และอาจทำให้เกิดปฏิกิริยาย้อนกลับหรือปฏิกิริยาข้างเคียงที่ไม่ต้องการได้มากขึ้น
สิ่งที่กลุ่มเรากำลังทำการทดลองอยู่ในขณะนี้เป็นกรณีที่เป็นของเหลว 2 เฟสที่ไม่ละลายเข้าด้วยกัน กล่าวคือเป็นกรณีของเฟสน้ำกับไฮโดรคาร์บอน ซึ่งจะว่าไปแล้วความสามารถในการละลายเข้าไปในเฟสน้ำของไฮโดรคาร์บอนหรือการละลายของเฟสน้ำเข้าไปในเฟสไฮโดรคาร์บอนไม่ได้เปลี่ยนแปลงไปอย่างมีนัยสำคัญตามความดันที่เพิ่มขึ้น ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงความดันจึงไม่ควรส่งผลใด ๆ ต่อการเกิดปฏิกิริยาให้เห็น (ซึ่งป๋อมก็ได้ทดลองมาก่อนหน้านี้แล้วที่เยอรมัน ในกรณีของน้ำกับเบนซีน)
ในกรณีของเฟสของเหลว 2 เฟสที่ไม่ละลายเข้าด้วยกัน การเปลี่ยนแปลงความดันก็สามารถทำให้เราปรับแต่งอัตราการเกิดปฏิกิริยาได้ โดยการไปปรับเปลี่ยนปัจจัยอื่นที่สามารถเปลี่ยนแปลงได้เมื่อความดันเปลี่ยนไป และปัจจัยหนึ่งที่เราจะทำกันก็คือเปลี่ยนแปลง "อุณหภูมิ" การทำปฏิกิริยา
3. ผลของอุณหภูมิต่อการเกิดปฏิกิริยาในกรณีของเฟสของเหลวสองเฟสที่ไม่ละลายเข้าด้วยกัน
กรณีที่จะยกมาเป็นตัวอย่างในที่นี้คือกรณีของน้ำ (หรือสารละลายไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์) กับไฮโดรคาร์บอน (เบนซีนหรือโทลูอีน)
ในกรณีของการไฮดรอกซิไลซ์เบนซีนไปเป็นฟีนอลนั้น เราทำการผสมสารละลายไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ (เฟสน้ำ) และเบนซีนเข้าด้วยกัน โดยมีตัวเร่งปฏิกิริยาแขวนลอยอยู่ในเฟสน้ำ เนื่องจากเบนซีนมีจุดเดือดต่ำกว่าน้ำ อุณหภูมิการทำปฏิกิริยาจึงถูกจำกัดด้วยจุดเดือดของเบนซีน (จำกัดไว้ที่ประมาณ 78°C) ณ อุณหภูมิการทำปฏิกิริยาใด ๆ ที่ต่ำกว่าอุณหภูมิจุดเดือดของเบนซีน เราพบว่าการเกิดปฏิกิริยาจะสูงขึ้นเมื่อเพิ่มอุณหภูมิของระบบให้สูงขึ้น สาเหตุหลักเชื่อว่าเป็นเพราะเมื่อเราเพิ่มอุณหภูมิให้สูงขึ้น เบนซีนจะละลายเข้าไปในเฟสน้ำได้ดีขึ้น (เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น แรงตึงผิวของน้ำจะลดลง พวกไขมันหรือสารประกอบไม่มีขั้วต่าง ๆ จะละลายน้ำได้มากขึ้น เหมือนกับการซักผ้าในน้ำร้อน หรือแต่ก่อนจะทำการต้มผ้าเพื่อทำความสะอาด เพื่อจัดการกับคราบสกปรกที่ซักออกยาก) แต่เมื่อใดก็ตามที่อุณหภูมิการทำปฏิกิริยาสูงกว่าจุดเดือดของเบนซีน อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะเป็นศูนย์ เนื่องจากเบนซีนระเหยกลายไปไอออกมาจากเฟสน้ำจนหมด
การทดลองเพิ่มความดันของระบบโดยไม่เพิ่มอุณหภูมินั้นผลการทดลองของป๋อมก็ได้แสดงให้เห็นแล้วว่าไม่ส่งผลใด ๆ ต่อการเกิดปฏิกิริยาเคมี แต่ถ้าหากเราเพิ่มความดันแล้วเพิ่มอุณหภูมิตามไปด้วย เราก็น่าจะเห็นการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้น เพราะเมื่อความดันสูงขึ้นก็จะทำให้จุดเดือดของเบนซีนเพิ่มสูงขึ้นไปด้วย จึงทำให้ยังคงมีเบนซีนละลายอยู่ในเฟสน้ำ
ในกรณีของการไฮดรอกซิไลซ์โทลูอีนไปเป็นครีซอลนั้นก็คล้ายกับกรณีที่กล่าวมาข้างต้น แต่ในที่นี้โทลูอีนมีจุดเดือดสูงกว่าน้ำ การเพิ่มความดันของระบบก็เพื่อเพิ่มอุณหภูมิจุดเดือดของน้ำให้สูงขึ้น ซึ่งก็คาดว่าน่าจะทำให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าเพิ่มมากตามไปด้วย
ข้อสังเกตหนึ่งที่เราได้ในกรณีของการไฮดรอกซิไลซ์โทลูอีนไปเป็นครีซอลค่าการเลือกเกิดของผลิตภัณฑ์ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของโทลูอีนบนพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยา ในกรณีที่พื้นผิวเต็มไปด้วยโทลูอีน การเกิดเป็นครีซอลจะเกิดได้มาก (โดยเฉพาะ p-cresol ที่เกิดได้ดีกว่า o-cresol) แต่ถ้าพื้นผิวมีความเข้มข้นของโทลูอีนลดลง ครีซอลที่เกิดจะกลายเป็น o-cresol แทนการเกิด p-cresol หรือไม่ก็ไปเกิดเป็น benzaldehyde แทน (การเกิดเป็น benzaldehyde นั้นต้องการไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์มากกว่าการเกิดครีซอลถึงสองเท่า ดังนั้นถ้าพื้นผิวมีโมเลกุลไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์มาก โอกาสที่จะเกิด benzaldehyde ก็จะมากตามไปด้วย)
ดังนั้นถ้าพิจารณาจากปัจจัยด้านการละลายของโทลูอีนเข้าไปในเฟสน้ำแล้วเพียงด้านเดียวแล้ว เราก็จะคาดการณ์ได้ว่าเมื่อเราเพิ่มอุณหภูมิของระบบให้สูงขึ้น (ซึ่งจะทำได้โดยการเพิ่มความดันของระบบให้สูงขึ้นก่อน) เราก็จะสามารถทำการทดลองในช่วงที่อุณหภูมิสูงเกินกว่า 100°C ได้ ซึ่งน่าจะทำให้โทลูอีนสามารถละลายเข้าไปในเฟสน้ำได้มากขึ้น ความเข้มข้นของโทลูอีนบนพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาก็จะเพิ่มมากตามไปด้วย ดังนั้นการเลือกเกิดเป็นครีซอลก็น่าจะเพิ่มขึ้นตามไป
แต่การเพิ่มอุณหภูมิก็ส่งผลทางลบต่อการเกิดปฏิกิริยาเช่นเดียวกัน โดยไปเพิ่มการสลายตัวของไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์และไปเร่งการเกิดเป็น benzaldehdye ผลการทดลองที่นิสิตกลุ่มเราที่จบไปแล้วที่ทำไว้ในช่วงอุณหภูมิ 70°C และ 95°C ที่สัดส่วนโดยโมลของโทลูอีนต่อไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์คือ 1:1 (โทลูอีน 1 ml ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ 1 ml และน้ำ 40 ml) แสดงให้เห็นว่าปัจจัยหลังนี้ให้ผลที่มากกว่าปัจจัยแรก (การละลายของโทลูอีนที่เพิ่มมากขึ้น) จึงทำให้เห็นว่าเกิด benzaldehyde มากขึ้นเมื่อเพิ่มอุณหภูมิการทำปฏิกิริยาให้สูงขึ้น
แต่เราก็ยังอาจทำการปรับแต่งได้โดยการเพิ่มปริมาณโทลูอีนในระบบให้สูงขึ้น ผลการทดลองที่เรามีอยู่นั้น (ที่สัดส่วนโดยโมลของโทลูอีนต่อไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์คือ 2:1 หรือโทลูอีน 2 ml ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ 1 ml และน้ำ 40 ml) แสดงให้เห็นว่าการเพิ่มปริมาณโทลูอีนในระบบให้สูงขึ้นจะไปลดการเกิด benzaldehyde ได้ ทั้งนี้เป็นเพราะการเพิ่มโทลูอีนเข้าไปในระบบทำให้ความเข้มข้นของโทลูอีนบนพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยามีมากขึ้น แต่การที่ความเข้มข้นของโทลูอีนบนพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาเพิ่มขึ้นนี้คาดว่าไม่ได้เป็นผลมาจากการที่ความสามารถในการละลายของโทลูอีนเข้าไปในเฟสน้ำเพิ่มขึ้น แต่เป็นผลจากการที่อนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยามีโอกาสมากขึ้นที่จะถูกเหวี่ยงมาสัมผัสโดยตรงกับหยดโทลูอีนเหลวที่แขวนลอยอยู่ในเฟสน้ำ (ความสามารถในการละลายของไฮโดรคาร์บอนเข้าไปในเฟสน้ำขึ้นกับอุณหภูมิ ไม่ได้ขึ้นกับปริมาณไฮโดรคาร์บอนที่มากเกินกว่าที่จะละลายเข้าไปได้)
ตอนนี้คิดว่าผู้ที่กำลังจะทำการทดลองคงเห็นภาพแล้วว่าผมกำลังคิดอะไรอยู่ ส่วนผลลัพท์จะออกมาเป็นอย่างไรนั้นก็ต้องคอยดูกันต่อไป
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น