ผลของแก๊สเฉื่อยต่อการเกิดปฏิกิริยา MO Memoir : Monday 9 November 2552

เวลาที่เราเรียนเรื่องการเกิดปฏิกิริยาเคมีนั้น มักจะสอนกันว่าแก๊สเฉื่อยเป็นแก๊สที่ไม่มีส่วนร่วมในการทำปฏิกิริยา และไม่ส่งผลใด ๆ ต่อการทำปฏิกิริยา

คำว่า "แก๊สเฉื่อย" ในที่นี้ไม่ได้เฉพาะเจาะจงอยู่ที่ noble gas ที่เป็นธาตุในหมู่ 8 ของตารางธาตุ แต่หมายรวมถึงแก๊สที่ไม่มีส่วนในการทำปฏิกิริยาใด ๆ ในระบบที่เรากำลังศึกษา ตัวอย่างของแก๊สเหล่านี้ได้แก่ แก๊สไนโตรเจน (N₂) และ คาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂)

แต่ก็มีบางครั้งเหมือนกัน ที่การเลือกชนิดของแก๊สเฉื่อยที่ใช้อาจส่งผลต่อการเกิดปฏิกิริยาได้ กล่าวคือถ้าหากเราทำการทดลองโดยใช้แก๊สผสมที่มีสัดส่วนสารตั้งต้นและแก๊สเฉื่อยที่เหมือนกัน แต่การทดลองที่ใช้แก๊สเฉื่อยต่างชนิดกันก็อาจให้ผลการทดลองที่แตกต่างกันได้ สาเหตุดังกล่าวไม่ได้เกิดจากการที่แก๊สเฉื่อยเข้าไปมีส่วนร่วมในการทำปฏิกิริยา แต่แก๊สเฉื่อยเข้าไปมีส่วนร่วมในการ "ระบายความร้อน" ออกจากตัวเร่งปฏิกิริยา

ในปฏิกิริยาออกซิเดชัน (partial oxidation หรือ combustion ก็ตาม) ที่ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาวิวิธพันธ์ในระบบเบดนิ่ง (fixed-bed) นั้น ปฏิกิริยาจะเกิดบนพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยา ความร้อนที่คายออกมาจากปฏิกิริยาจะถูกตัวเร่งปฏิกิริยาดูดซับเอาไว้ และระบายออกไปทางแก๊สที่ไหลผ่านตัวเร่งปฏิกิริยา ความสามารถในการระบายความร้อนนี้ขึ้นอยู่กับอัตราการไหลและองค์ประกอบของแก๊ส แก๊สที่ไหลผ่านเร็วก็ระบายความร้อนออกไปได้เร็วกว่าแก๊สที่ไหลผ่านช้ากว่า แต่ในที่นี้ถ้าเราพิจารณาเฉพาะกรณีที่แก๊สที่ไหลผ่านนั้นมีความแตกต่างกันตรงชนิดแก๊สเฉื่อยที่ผสมอยู่เท่านั้น (เช่นถ้าใช้ He N₂ หรือ Ar) ผลการทำปฏิกิริยาที่ได้จะแตกต่างกันหรือไม่

ความสามารถในการระบายความร้อนของแก๊สนั้นแปรผกผันกับมวลโมเลกุลของแก๊ส กล่าวคือแก๊สที่เบากว่าจะระบายความร้อนออกไปได้ดีกว่า สำหรับคนที่ใช้เครื่อง gas chromatograph ที่ใช้ตัวตรวจวัดชนิด thermal conductivity detector (TCD) คงทราบดีว่า ถ้าเปลี่ยน carrier gas จาก He ไปเป็น N₂ หรือ Ar ขนาดกระแสไฟฟ้าสูงสุดที่ขดลวด TCD รับได้จะลดต่ำลง เพราะที่ปริมาณกระแสไฟฟ้าเท่ากัน ระบบที่ใช้ carrier gas ที่มีน้ำหนักโมเลกุลมากกว่าจะร้อนกว่า

ในกรณีของปฏิกิริยาออกซิเดชันที่เกิดบนพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาในเบดนิ่งนั้น อุณหภูมิของการเกิดปฏิกิริยาก็คืออุณหภูมิของพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยา ในภาวะคงตัว (steady state) อุณหภูมิที่พื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาจะอยู่ที่ภาวะสมดุลระหว่างความร้อนที่คายออกมาจากปฏิกิริยาและความร้อนที่ระบายออกไปกับแก๊สที่ไหลผ่าน ในระบบที่ใช้แก๊สเฉื่อยที่ทำให้แก๊สที่ไหลผ่านสามารถดึงความร้อนออกไปได้มาก (เช่นใช้ He เป็นแก๊สเฉื่อย) พื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาก็จะมีอุณหภูมิต่ำกว่ากว่าะบบที่ใช้แก๊สเฉื่อยที่ทำให้แก๊สที่ไหลผ่านสามารถดึงความร้อนออกไปได้น้อยกว่า (เช่นใช้ N₂ หรือ Ar เป็นแก๊สเฉื่อย)

แต่ผลกระทบเรื่องการระบายความร้อนนี้จะเด่นชัดเพียงใดก็ขึ้นอยู่กับว่าปฏิกิริยาที่ศึกษานั้นมีการคายความร้อนออกมามากน้อยเพียงใด และการทดลองกระทำในช่วงที่มีความต้านทานในการส่งผ่านความร้อนมากหรือน้อย ในกรณีการทำปฏิกิริยาที่ค่า conversion ต่ำ หรือปฏิกิริยาคายความร้อนไม่มาก หรือทำการทดลองในช่วงที่ไม่มีความต้านทานการส่งผ่านความร้อม ก็อาจจะมองไม่เห็นผลของแก๊สเฉื่อยก็ได้