จลนศาสตร์การเกิดปฏิกิริยาบนพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาวิวิธพันธ์ ตอนที่ ๑ Volcano principle MO Memoir : Saturday 7 January 2555

ในช่วงที่ผ่านมาดูเหมือนว่าพวกเราบางคน (หรือทุกคน) จะมีปัญหาเรื่องเกี่ยวกับกลไกการเกิดปฏิกิริยา ทำให้เกิดความกังวลในการสอบ ดังนั้นจึงคิดว่าควรต้องมีการทบทวนความรู้พื้นฐานในบางเรื่องกันใหม่ โดยจะทยอยนำเอกสารที่ใช้ในการสอนวิชาพื้นฐานวิศวกรรมปฏิกิริยาที่ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้สำหรับสอนนิสิตวิศวกรรมเคมีมาย่อยเป็นตอนสั้น ๆ ให้อ่านง่ายขึ้น โดยจะเริ่มจากเรื่องในชุดแรกคือ "จลนศาสตร์การเกิดปฏิกิริยาบนพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาวิวิพันธ์"

ในการเกิดปฏิกิริยาเคมีที่มีการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาวิวิธพันธ์นั้น สารตั้งต้นอย่างน้อยหนึ่งชนิด (ในกรณีที่มีโมเลกุลเกี่ยวข้องมากกว่าหนึ่งชนิด) ต้องเกิดการดูดซับทางเคมี (chemisorption) บนพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยา การดูดซับทางเคมีในที่นี้คือการสร้างพันธะทางเคมีระหว่างโมเลกุลสารตั้งต้นกับตำแหน่ง active site บนพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยา

จากการทดลองเกี่ยวกับปฏิกิริยาที่มีสารตั้งต้นเพียงโมเลกุลเดียว⁽¹⁾ ได้มีการพบว่า ความว่องไวในการเกิดปฏิกิริยาจะขึ้นอยู่กับความแข็งแรงของการเกิดการดูดซับทางเคมีของสารตั้งต้นบนพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยา กล่าวคือ ถ้าความแข็งแรงของการเกิดการดูดซับทางเคมีของสารตั้งต้นต่ำ (ช่วง (ก) ในรูปที่ ๑) สารตั้งต้นก็จะเกิดการดูดซับทางเคมีได้น้อย กล่าวอีกนัยหนึ่งคือปริมาณสารตั้งต้นบนพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยามีน้อย (หรือจำนวน active site ที่มีสารตั้งต้นเกาะอยู่มีจำนวนน้อย) ดังนั้นปฏิกิริยาก็จะเกิดได้น้อยตามไปด้วย

รูปที่ ๑ ความสัมพันธ์ระหว่างความแข็งแรงของการดูดซับทางเคมีกับปริมาณสารตั้งต้นที่สามารถลงไปเกาะบนพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยา (หรือกล่าวให้เฉพาะเจาะจงก็คือตำแหน่ง active site) และความว่องไวในการทำปฏิกิริยา หลังการนี้มีชื่อเรียกว่า "Volcano principle"

แต่เมื่อความแข็งแรงของการเกิดการดูดซับทางเคมีของสารตั้งต้นมีมากขึ้น ปริมาณสารตั้งต้นบนพื้นผิวก็จะมีมากขึ้น อัตราการเกิดปฏิกิริยาก็จะสูงขึ้นตามไปด้วย แต่จะสูงไปได้ถึงระดับหนึ่งเท่านั้น คือระดับที่สารตั้งต้นเริ่มปกคลุมพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาเอาไว้หมด (กล่าวคือเกิดการดูดซับบน active site เต็มทุกตำแหน่ง - ช่วง (ข) ในรูปที่ ๑) ถ้าความแข็งแรงของการเกิดการดูดซับทางเคมีสูงขึ้นไปอีก จะพบว่าอัตราการเกิดปฏิกิริยาจะลดลง ทั้งนี้เป็นเพราะสารตั้งต้นพบใจที่จะเกาะอยู่บนพื้นผิวมากกว่าจะเกิดไปเป็นผลิตภัณฑ์ (ช่วง (ค) ในรูปที่ ๑) 

 

ดังนั้นถ้าพิจารณาดูกราฟความว่องไวในการทำปฏิกิริยาแล้วจะเห็นว่ากราฟดังกล่าวมีลักษณะที่เพิ่มสูงขึ้นไปจนถึงจุดสูงสุด จากนั้นจะลดลง จึงมีการตั้งชื่อพฤติกรรมความว่องในการทำปฏิกิริยากับความแข็งแรงในการดูดซับสารตั้งต้นว่า "Volcano principle" 

 

กล่าวโดยสรุปคือ ตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีความว่องไวในการทำปฏิกิริยานั้นสูงนั้นต้องมีความแข็งแรงของการดูดซับสารตั้งต้นที่เหมาะสม ต้องไม่อ่อนเกินไปและต้องไม่สูงเกินไป

หมายเหตุ

(1) ปฏิกิริยาA --> P เมื่อ A คือสารตั้งต้นและ P คือผลิตภัณฑ์ (ซึ่งอาจมีเพียงโมเลกุลเดียวหรือหลายโมเลกุล) ตัวอย่างของปฏิกิริยาเช่นนี้ปฏิกิริยาการสลายตัวของโมเลกุลสารตั้งต้นจากสารตั้งต้น 1 โมเลกุลกลายไปเป็นผลิตภัณฑ์ที่มีขนาดโมเลกุลเล็กลงแต่มีจำนวนโมเลกุลเพิ่มขึ้น หรือปฏิกิริยาที่เป็นการเปลี่ยนโครงสร้างโมเลกุลของสารตั้งต้น เช่น isomerisation