Gibbs Free Energy กับการเกิดปฏิกิริยาและการดูดซับ MO Memoir : Sunday 9 September 2561

พจนานุกรม Oxford Advanced Learner's Dictionary of Current English ฉบับปีค.ศ. ๑๙๘๘ ให้ความหมายของคำว่า "spon-ta-neous" เอาไว้ว่า "adj. (คุณศัพท์ คือคำที่ขยายคำนาม) done, happening from natural impulse, not caused or suggested by sth or sb outside" โดยคำ "spontaneously" เป็น adv. (กริยาวิเศษณ์ คือคำที่ขยายคำกิริยา) ถ้าแปลเป็นไทยก็คงมีความหมายว่า "เกิดขึ้นได้เอง"
 

ทีนี้ขอให้ลองพิจารณาข้อความในรูปข้างล่างที่เมื่อสัปดาห์ที่ผ่านมาเห็นมีการกดแชร์กันทางหน้า facebook กันหลายรายก่อนนะครับว่าเห็นแล้วรู้สึกอย่างไร (รูปต้นฉบับอยู่ในหน้าเว็บของต่างประเทศเว็นหนึ่ง และมีเว็บเพจทาง facebook รายหนึ่งนำมาประกอบบทความที่มีการกดแชร์กัน)

รูปจาก https://socratic.org/questions/how-is-gibbs-free-energy-related-to-enthalpy-and-entropy

อันที่จริงเรื่องความเข้าใจเกี่ยวกับ Gibbs Free Energy หรือที่แปลเป็นไทยว่าพลังงานเสรีกิบส์กับการเกิดปฏิกิริยาเคมีนั้นเคยอธิบายเอาไว้เมื่อหลายปีที่แล้วใน Memoir ปีที่ ๓ ฉบับที่ ๒๔๐ วันศุกร์ที่ ๗ มกราคม ๒๕๕๔ เรื่อง "อุณหภูมิ อัตราการเกิดปฏิกิริยา สมดุลเคมี" ที่ได้อธิบายเอาไว้ว่า Gibbs Free Energy นั้นมันบอกเพียงแค่ปฏิกิริยาเคมีจะดำเนินไปข้างหน้าได้มากน้อยเท่าใด "ถ้า" ปฏิกิริยานั้นเกิดได้ ต้องขอเน้นยำตรงคำว่า "ถ้า" (ถ้าเป็นภาษาอังกฤษก็คงใช้คำว่า "if") มันไม่ได้บอกนะครับว่าถ้าค่าผลการคำนวณแล้วออกมาว่า ∆G ของปฏิกิริยาเป็นลบ ปฏิกิริยาจะเกิดได้เองหรือเกิดได้ทันที เพราะปฏิกิริยาจะ "เกิดได้หรือไม่ได้" นั้นมันขึ้นอยู่กับ "พลังงานกระตุ้น" หรือ "activation energy" 
  

และดูเหมือนว่าความเข้าใจที่คลาดเคลื่อนตรงนี้มันมีอยู่ไม่น้อยในตัวผู้สอนที่ส่งผลกระทบถึงตัวผู้เรียนด้วย
 

อันที่จริงใน Memoir ฉบับที่ ๒๔๐ นั้นก็ได้ยกตัวอย่างปฏิกิริยาที่ให้ค่า ∆G เป็นลบที่อุณหภูมิห้อง แต่ในความเป็นจริงนั้นปฏิกิริยานั้นไม่สามารถเกิดขึ้นเองได้ มาวันนี้ก็ขอยกตัวอย่างง่าย ๆ เพิ่มเติมหน่อยก็แล้วกัน โดยค่า Stand Gibbs free enery of formation ที่นำมาใช้ในการคำนวณค่า ∆G ของปฏิกิริยาที่ใช้ในที่นี้ได้มาจากเว็บ en.wikipedia.org (ที่เขาเอามาจากหนังสือ CRC Handbook of Chemistry and Physics อีกที) โดยเป็นค่าที่อุณหภูมิ 25ºC และหน่วยเป็น kJ/mol (ในวงเล็บหลังสารแต่ละตัวคือสถานะของสารนั้นเมื่อ s - solid, l - liquid และ g - gas และตัวเลขที่ตามมาคือค่า ∆G of formation ของสารนั้น)

๑. ปฏิกิริยาระหว่างคาร์บอน C และแก๊สออกซิเจน O₂

C (s, 0) + O₂ (g, 0) → CO₂ (g, -394.39) ∆G = -394.39

๒. ปฏิกิริยาระหว่างเอทานอล (C₂H₅OH) และแก๊สออกซิเจน O₂

C₂H₅OH (l, -174.8) + 3O₂ (g, 0) → 2CO₂ (g, -394.39) + 3H₂O (g, -228.61) ∆G = -1299.81

๓. ปฏิกิริยาระหว่างกลูโคส (C₆H₁₂O₆) และแก๊สออกซิเจน O₂

C₆H₁₂O₆ (s, -910.56) + 6O₂ (g, 0) → 6CO₂ (g, -394.39) + 6H₂O (g, -228.61) ∆G = -2827.44

๔ การระเหยของน้ำที่อุณหภูมิ 25ºC

H₂O (l, -237.14) → H₂O (g, -228.61) ∆G = 8.53

สามปฏิกิริยาแรกให้ค่า ∆G ออกมาติดลบ ซึ่งถ้าเอาไปคำนวณค่าคงที่สมดุลเคมี (K_eq) จากสมการ ∆G = -RTln(K_eq) จะเห็นว่าปฏิกิริยาควรดำเนินไปข้างหน้าได้อย่างสมบูรณ์ แต่ในความเป็นจริงในทางปฏิบัตินั้นเรียกได้ว่าปฏิกิริยาดังกล่าวไม่เกิด เว้นแต่จะมีการใส่พลังงานกระตุ้นเข้าไปให้มันเริ่มเกิด เช่นให้ความร้อนจนมันเริ่มเผาไหม้ จากนั้นความร้อนจากปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นก็จะถ่ายทอดให้กับโมเลกุบสารตั้งต้นที่อยู่รอบข้าง ทำให้สารตั้งต้นที่อยู่รอบข้างบริเวณที่เกิดปฏิกิริยามีอุณหภูมิสูงขึ้น (หรือมีพลังงานจลน์มากขึ้น) ปฏิกิริยาจึงดำเนินต่อเนื่องไปได้ด้วยตนเอง
 

สำหรับปฏิกิริยาที่ ๔ นั้นแม้ว่าจะให้ค่า ∆G เป็นบวก แต่กลับสามารถเกิดได้เองที่อุณหภูมิ 25ºC เพราะถ้าน้ำระเหยไม่ได้ที่อุณหภูมิห้อง (ซึ่งจะเกิดได้เมื่ออากาศมีความชื้นจนอิ่มตัวเช่นในช่วงฝนตก) เราก็คงตากผ้าไม่มีวันแห้ง

ส่วนเรื่องผลของอุณหภูมิที่มีต่อการดูดซับนั้นก็เลยเล่าเอาไว้ใน Memoir ปีที่ ๔ ฉบับที่ ๓๗๕ วันพุธที่ ๑๔ ธันวาคม ๒๕๕๔ เรื่อง "อุณหภูมิและการดูดซับ" ซึ่งเป็นกรณีที่ของแข็งที่เป็นสารดูดซับนั้นไม่มีการเปลี่ยนแปลงจากการเปลี่ยนอุณหภูมิ และโมเลกุลที่ถูกพื้นผิวดูดซับเอาไว้นั้นไม่ได้เกิดปฏิกิริยากับพื้นผิวแบบ "ผันกลับไม่ได้" และแม้ว่าการดูดซับนั้นจะเป็นปฏิกิริยาคายความร้อนที่น่าจะเกิดได้น้อยลงที่อุณหภูมิสูง แต่การแพร่ซึมของของเหลวเข้าไปในรูพรุนนั้นมันเกิดได้ดีขึ้นที่อุณหภูมิสูง (ของเหลวมีความหนืดน้อยลง) จึงทำให้มีโอกาสที่จะเห็นการดูดซับนั้นเกิดได้ดีขึ้นที่อุณหภูมิสูง โดยเฉพาะเมื่อโมเลกุลสารที่ถูกดูดซับนั้นเกิดปฏิกิริยากับพื้นผิวแบบ "ผันกลับไม่ได้" เพราะอุณหภูมิที่สูงทำให้การแพร่นั้นเกิดได้ดีขึ้น และการดูดซับแบบผันกลับไม่ได้ทำให้เกิดแรงขับเคลื่อนการดูดซับไปข้างหน้าตลอดเวลาจนกว่าพื้นผิวจะอิ่มตัว
 

การทดสอบเรื่องนี้ทำได้ไม่ยากหรอกครับ ลองเอาไข่ที่ต้มแล้วใส่แช่ลงในน้ำพะโล้เย็น ๆ แล้วดูว่าน้ำพะโล้มันซึมเข้าไปในเนื้อไข่ได้ลึกแค่ไหน หรือเอาไข่พะโล้ที่น้ำพะโล้ซึมเข้าไปลึกแล้วมาต้มใหม่ในน้ำร้อนธรรมดาเพื่อดูว่าไข่จะกลับมาขาวเหมือนเดิมหรือไม่ก็ได้ครับ