การทดลองที่ 10 จลนศาสตร์เคมีของปฏิกิริยาระหว่างโพแทสเซียมไดโครเมตกับเอทานอล

ผู้ช่วยศาสตราจารย์ ดร.วรวิทย์ จันทร์สุวรรณ
ปรับปรุงล่าสุด: 23 พฤษภาคม 2563
[Lab Menu]

1. เพื่อศึกษาจลนศาสตร์ของปฏิกิริยาระหว่างโพแทสเซียมไดโครเมตกับเอทานอล
2. เพื่อหาอันดับ ค่าคงที่อัตราและค่าครึ่งชีวิตของปฏิกิริยา

• บทปฏิบัติการ [pdf]
• รายงานการทดลอง [pdf]

จลนศาสตร์เคมีเป็นการศึกษาถึงอัตราเร็วของการเกิดปฏิกิริยา (rate reaction) และกลไกการเกิดปฏิกิริยา อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะมายถึงการหายไปของสารตั้งต้นหรือการเพิ่มขึ้นของผลผลิตในช่วงเวลาหนึ่งๆ  จะเป็นการวัดการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของสารตั้งต้นหรือสารที่เข้าทำปฏิกิริยากัน หรือสารผลิตภัณฑ์ในหนึ่งหน่วยเวลา โดยความเข้มข้นของสารตั้งต้นจะค่อย ๆ ลดลงไปในขณะที่ความเข้มข้นของสารผลิตภัณฑ์จะเพิ่มขึ้น ดังนั้นในการวัดอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี   พิจารณาจากความเข้มข้นของสารตั้งต้นที่ลดลงหรือพิจารณาจากความเข้มข้นของสารผลิตภัณฑ์ที่เพิ่มขึ้นจะได้ว่าเนื่องจากอัตราการเกิดปฏิกิริยาในแต่ละช่วงเวลาอาจมีการเปลี่ยนแปลงได้ ดังนั้นในการหาอัตราปฏิกิริยาที่ระยะเวลาใดเวลาหนึ่งในระหว่างการเกิดปฏิกิริยานั้นสามารถเกิดการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของสารตั้งต้นหรือสารผลิตภัณฑ์ในช่วงเวลาที่กำหนดหรือหาได้จากความชันของเส้นกราฟของปฏิกิริยา ณ จุดที่สัมผัส

พิจารณาปฏิกิริยาเคมีทั่วไป aA + bB  ↔  cC + dD สามารถเขียนสมการทางคณิตศาสตร์ของอัตราการเกิดปฏิกิริยาได้ เมื่อ a b c และ d เป็นจำนวนโมลของสาร A, B, C และ D ตามลำดับ

การเขียนกฎอัตราดิฟเฟอเรนเชียลนั้น เขียนเป็นผลคูณของความเข้มข้นที่ยกกำลัง อย่างเช่น ปฏิกิริยา

A + 2B  ↔  3C + D

จะเขียนได้ว่า     rate = k[A]^m[B]ⁿ

จากสมการ n และ m เป็นอันดับของปฏิกิริยาของสาร A และ B ตามลําดับ k เป็นค่าคงตัวอัตรา (rate constant) และอันดับของปฏิกิริยารวม (overall reaction order) จะเท่ากับ n+m ค่าของ n และ m นั้นหาได้จากการทดลอง  อันดับของปฏิกิริยาจะเป็นเลขจำนวนเต็ม (1, 2, 3)

ค่าครึ่งชีวิตของปฏิกิริยา

ค่าครึ่งชีวิตของปฏิกิริยา (t_1/2) หมายถึง เวลาที่ใช้ในการทำให้ความเข้มข้นของสารตั้งต้นลดลงไปครึ่งหนึ่งจากเริ่มต้น

ค่าอันดับของปฏิกิริยา ค่าคงที่อัตราการเกิดปฏิกิริยาและค่าครึ่งชีวิตของปฏิกิริยา สามารถหาได้จากกราฟ ความสัมพันธ์ระหว่างความเข้มข้นกับเวลาที่เป็นเส้นตรง ดังตาราง

ตารางที่ 10.1 ความสัมพันธ์เส้นตรงของความเข้มข้น [A] กับเวลา (t)

เมื่อ   [A]₀ = ความเข้มข้นเริ่มต้นของ A

[A] = ความเข้มข้นของ A ที่เวลา t

ในการทดลองนี้เป็นปฏิกิริยาระหว่างโพแทสเซียมไดโครเมต (K₂Cr₂O₇) กับเอทานอล (C₂H₅OH) ในสภาวะที่เป็นกรด ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเขียนได้ดังนี้

2Cr₂O₇^2- + 28H⁺ + 12e^–  ↔  4Cr³⁺ + 14H₂O

3C₂H₅OH + 3H₂O ↔ 3CH₃COOH + 12H⁺ + 12e^–

2Cr₂O₇^2- + 3C₂H₅OH + 16H⁺  ↔ 4Cr³⁺ + 3CH₃COOH + 11H₂O

จากสมการสามารถเขียนสมการอัตรา (rate equation) ได้เป็น

rate = k[Cr₂O₇^2-]^m[C₂H₅OH]ⁿ[H⁺]^o

ดังนั้น อันดับปฏิกิริยารวมเท่ากับ m+n+o แต่ถ้าในการทดลองให้ความเข้มข้นของกรดและเอทานอลมีค่าสูงกว่าความเข้มข้นของสารละลายโพแทสเซียมไดโครเมตมาก ๆ จนถือได้ว่าในขณะเกิดปฏิกิริยานั้นความเข้มข้นของกรดและเอทานอลไม่เปลี่ยนแปลง สมการ 10.4 สามารถเขียนได้ใหม่เป็น

rate = k’[Cr₂O₇^2-]^m

เมื่อ      k’ = k[C₂H₅OH]^b[H⁺]^c

ในการวัดอัตราการเกิดปฏิกิริยาในการทดลองนี้ จะกระทำโดยหาความเข้มข้นของสารละลาย K₂Cr₂O₇ ที่เหลืออยู่ในช่วงเวลาต่าง ๆ โดยการเติมสารละลาย KI ลงไปหยุดปฏิกิริยาระหว่าง K₂Cr₂O₇ กับ C₂H₅OH ปฏิกิริยาระหว่าง KI กับ K₂Cr₂O₇ เป็นปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว

Cr₂O₇^2- + 14H⁺ +  6I^–  ↔   2Cr³⁺ +  3I₂ + 7H₂O

แดงส้ม                             เขียวอ่อน    น้ำตาล

จากนั้นไทเทรตหาปริมาณ I₂ ที่เกิดขึ้นด้วยสารละลายมาตรฐานโซเดียมไทโอซัลเฟต (Na₂S₂O₃) โดยมีน้ำแป้งเป็นอินดิเคเตอร์ ดังสมการ

I₂ + 2S₂O₃^2-   ↔   2I^– + S₄O₆^2-

จากปริมาณสารละลาย Na₂S₂O₃ ที่ใช้ไป สามารถคำนวณกลับไปหาปริมาณของ Cr₂O₇^2- ที่เหลืออยู่ในสารละลาย ณ เวลาต่าง ๆ

อุปกรณ์

1. บิวเรต ขนาด 50 mL
2. ปิเปต ขนาด 10 mL
3. กระบอกตวง
4. นาฬิกาจับเวลา
5. อ่างน้ำร้อน
6. เทอร์โมมิเตอร์

สารเคมี

1. สารละลาย KI 3%w/v
2. สารละลาย C₂H₅OH 95%w/v
3. สารละลาย K₂Cr₂O₇ 0.10 mol/L ใน H₂SO₄ 1.0 mol/L
4. สารละลาย Na₂S₂O₃ 0.10 mol/L
5. น้ำแป้ง 2%w/v

ตอนที่ 1 การหาอันดับของปฏิกิริยาระหว่างโพแทสเซียมไดโครเมตกับเอทานอล

1. ตวงสารละลาย K₂Cr₂O₇ 10 mL (ใช้กระบอกตวง) ใส่ลงในบีกเกอร์ 100 mL ที่บรรจุน้ำกลั่นอยู่ 5 mL วัดอุณหภูมิของสารละลาย
2. เตรียมบีกเกอร์ 10 ใบ แต่ละใบให้เติมสารละลาย KI 5 mL
3. เติมเอทานอล 2 mL (40 หยด) ใส่ลงในสารละลาย K₂Cr₂O₇ (ข้อ 1) พร้อมทั้งเริ่มจับเวลาทันที ทำการเขย่าขวดเบา ๆ ตลอดเวลา
4. เมื่อเวลาผ่านไป 20 นาที ใช้ปิเปตนำสารละลายมา 1.0 mL (20 หยด) ใส่ลงในบีกเกอร์ (ข้อ 2) บันทึกเวลาที่แน่นอน (เวลา ณ ตำแหน่งที่ปล่อยสารละลายลงไปได้ประมาณครึ่งหนึ่ง แต่อย่าหยุดปล่อยสาร ให้ปล่อยสารลงไปจนหมด) ลงในสมุดบันทึก
5. หยดสารละลายมาตรฐาน Na₂S₂O₃ ลงทีละหยด ให้นับจำนวนหยดด้วย (สำคัญมาก) จนกระทั่งสารละลายเปลี่ยนสีจากสีน้ำตาลเป็นสีเหลืองอ่อน แล้วจึงเติมน้ำแป้ง 1-2 หยด เขย่าแล้วหยดสารละลาย Na₂S₂O₃ ต่อจนกระทั่งสารละลายเปลี่ยนจากสีน้ำเงินเป็นไม่มีสี ให้นับจำนวนหยดรวมกัน
6. จากนั้นทุก ๆ 2 นาทีผ่านไปให้ทำเช่นเดียวกับข้อ 4 โดยทำการทดลองประมาณ 8-10 ครั้ง ทุกครั้งจะต้องจดเวลาที่แน่นอนไว้ด้วยเสมอ

ตอนที่ 2 การทดลองผลของอุณหภูมิที่มีต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยา

ทำการทดลองเช่นเดียวกับข้อ 5 ทุกประการ แต่ให้ควบคุมอุณหภูมิในขณะทดลองให้สูงกว่าอุณหภูมิห้องประมาณ 10°C (นักศึกษาต้องรู้อุณหภูมิที่แน่นอนว่ากระทำที่อุณหภูมิใด) โดยการจุ่มที่ขวดที่มีสารละลาย K₂Cr₂O₇ ลงในอ่างน้ำร้อนจนได้อุณหภูมิที่ต้องการ แล้วค่อยเติมเอทานอลลงไป พร้อมเริ่มจับเวลาทันที ทุกๆ 1-2 นาที ให้ปิเปตสารละลายไปทดลอง หาปริมาณ K₂Cr₂O₇ ที่เหลือ ในขณะทดลองถ้าหากอุณหภูมิของสารละลายผสมลดต่ำลงก็ให้นำไปจุ่มอ่างน้ำร้อนจนถึงอุณหภูมิที่ต้องการอีก แล้วยกออก ทำการควบคุมอุณหภูมิเช่นนี้เรื่อยไป จนเสร็จสิ้นการทดลอง

^Go to Top^