มวล พลังงาน กับการเกิดปฏิกิริยาเคมี

มวล พลังงาน กับการเกิดปฏิกิริยาเคมี

พลังงานกับการเกิดปฏิกิริยา

พลังงานเคมี (Chemical energy)
เป็นพลังงานศักย์ที่แฝงอยู่ในโครงสร้างของสาร เช่น อยู่ในรูปของน้ำมันเชื้อเพลิง ไขมัน
ซึ่งเมื่อเกิดการเผาไหม้จะปล่อยพลังงานเคมีออกมา
และนำมาใช้ประโยชน์ได้พลังงานเคมีเป็นพลังงานที่มีส่วนเกี่ยวข้องและสำคัญกับสิ่งมีชีวิตมาก
ในการเกิดปฏิกิริยาของสารแต่ละปฏิกิริยานั้น ต้องมีพลังงานเข้ามาเกี่ยวข้องกับการเกิดปฏิกิริยาเคมี 2 ขั้นตอน ดังนี้

ขั้นที่ 1 เป็นขั้นที่ดูดพลังงานเข้าไปเพื่อสลายพันธะในสารตั้งต้น
ขั้นที่ 2 เป็นขั้นที่คายพลังงานออกมาเมื่อมีการสร้างพันธะในผลิตภัณฑ์
1.ปฏิกิริยาดูดความร้อน ( Endothermic reaction)

เป็นปฏิกิริยาที่ดูดพลังงานเข้าไปสลายพันธะมากกว่าที่คายออกมา
เพื่อสร้าง พันธะ โดยในปฏิกิริยาดูดความร้อนนี้สารตั้งต้นจะมีพลังงานต่ำกว่าผลิตภัณฑ์ จึงทำให้สิ่งแวดล้อมเย็นลง
อุณหภูมิลดลง เมื่อเอามือสัมผัสภาชนะจะรู้สึกเย็น ดังภาพ

แผนภูมิพลังงานของปฏิกิริยาดูดความร้อน

มวลของสารในปฏิกิริยาเคมี

ในการศึกษาการเปลี่ยนแปลงใด ๆ  เราต้องกำหนดขอบเขตของสิ่งที่ต้องการศึกษาสิ่งต่าง ๆ ที่อยู่ภายในขอบเขตที่ต้องการศึกษาเรียกว่า  ระบบ  และ สิ่งต่างที่อยู่นอกขอบเขตที่ต้องการศึกษาเรียกว่า  สิ่งแวดล้อม  เช่น ในการทดลองแยกน้ำด้วยกระแสไฟฟ้า  เราต้องหยดกรดลงในน้ำเพื่อช่วยให้น้ำ  นำไฟฟ้าได้  

ระบบก่อนการเปลี่ยนแปลง ได้แก่น้ำและกรด  เมื่อผ่านกระแสไฟฟ้าลงไป  น้ำจะสลายตัวให้
แก๊สไฮโดรเจนและแก๊สออกซิเจน 

ระบบหลังการเปลี่ยนแปลงประกอบด้วยกรด น้ำที่เหลือ และสิ่งที่เกิดขึ้นใหม่คือ
แก๊สไฮโดรเจนและออกซิเจน  ส่วนภาชนะที่ใช้ในการทดลองและกระแสไฟฟ้าจัดเป็นสิ่งแวดล้อม 

การกำหนดองค์ประกอบของระบบขึ้นอยู่กับจุดมุ่งหมายของการศึกษา  ซึ่งจะต้องกำหนดหรือระบุให้ชัดเจน  เช่น  การศึกษาผลการจุดเทียนไขในครอบแก้วที่ปิดสนิท  ระบบก่อนทดลองประกอบด้วยเทียนไข และอากาศภายในครอบแก้วซึ่งมีมวล  อุณหภูมิ  ปริมาตร  และความดัน
ค่าหนึ่ง   เมื่อจุดเทียนไขในครอบแก้ว  เทียนไขจะติดไฟอยู่ครู่หนึ่งแล้วดับ  การจุดเทียนไขทำให้
ไส้เทียนและเนื้อเทียนลุกไหม้  โดยทำปฏิกิริยากับแก๊สออกซิเจนในอากาศที่อยู่ในครอบแก้ว
ได้แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์และไอน้ำ   เมื่อเทียนไขดับระบบหลังการเปลี่ยนแปลงประกอบด้วย
เทียนไข   อากาศส่วนที่เหลือ   แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์และไอน้ำที่เกิดขึ้น  ถึงแม้ว่ามวลของเทียนไข
และมวลของแก๊สออกซิเจนในระบบเปลี่ยนแปลงไป แต่มวลรวมและปริมาตรรวมของ
ระบบไม่เปลี่ยนแปลง  เนื่องจากการจุดเทียนไขกระทำในครอบแก้วที่ปิดสนิททำให้สารทุกชนิด
ถูกกักอยู่ในครอบแก้ว  ปริมาตรของระบบคือ  ปริมาตรของครอบแก้วจึงคงที่ตลอดเวลา ส่วนที่
เปลี่ยนแปลงคือความดันของระบบซึ่งเกิดจากแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ และไอน้ำที่เกิดขึ้นใหม่
กับอากาศที่เหลือ เช่น

ถ้าเราต้องการศึกษาอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีจากปฏิกิริยาระหว่างกรดเกลือ และสังกะสี

ถ้าเอาแผ่นสังกะสีใส่ลงในบีกเกอร์  แล้วเทกรดเกลือลงไป  ในที่นี้ระบบก็คือ  แผ่นสังกะสี  และกรดเกลือ  ที่อยู่ภายในบีกเกอร์นั้น  สำหรับ  บีกเกอร์ไม่จัดเป็นระบบ  เพราะไม่มีผลต่อการเปลี่ยนแปลงใด ๆ  ดังนั้นบีกเกอร์จึงจัดเป็นสิ่งแวดล้อม

ถ้าการศึกษาปฏิกิริยาดังกล่าวข้างต้น  แต่เปลี่ยนจากบีกเกอร์มาใช้จานอะลูมิเนียม  หรือจานสังกะสีแทน  ซึ่งภาชนะนี้จะเกิดปฏิกิริยากับกรดด้วย  ดังนั้นภาชนะจึงจัดเป็นระบบด้วย

สิ่งแวดล้อม  หมายถึง   สิ่งต่าง ๆ  ที่อยู่นอกเหนือไปจากระบบ  หรือไม่เกี่ยวข้องต่อการเปลี่ยนแปลงในสิ่งที่เราจะศึกษา  พิจารณาตัวอย่างจากบีกเกอร์ข้างต้น

 

การแบ่งประเภทของระบบ  อาศัยมวลและพลังงานเป็นหลักดังนี้

  1. ระบบเปิดหมายถึงระบบที่มีการถ่ายเททั้งมวลและพลังงานระหว่างระบบกับ

สิ่งแวดล้อม  เช่น

1.1  ระบบที่เกิดจากการนำโลหะสังกะสี (Zn)  มาผสมกับสารละลายกรดซัลฟิวริก (H2SO4)  ในบีกเกอร์แล้วได้ซิงค์ซัลเฟต (ZnSO4) และแก๊สไฮโดรเจน (H2)  ที่เกิดขึ้นหนีออกนอกภาชนะ

1.2  เผาหินปูนในหลอดทดลองแล้วเกิดแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์

  1. ระบบปิด หมายถึงระบบที่มีการถ่ายเทเฉพาะพลังงานระหว่างระบบกับสิ่งแวดล้อมเท่านั้นไม่มีการถ่ายเทมวลสารระหว่างระบบกับสิ่งแวดล้อม  นั้นคือมวลสารคงที่  เช่น

2.1  ปฏิกิริยาระหว่างเลด (II) ไนเตรตกับโพแทสเซียมไอโอไดด์

2.2  การเผาแคลเซียมคาร์บอเนต (หินปูน) ในขวดปิดฝาสนิท

2.3  ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ ในขวดปิดเกิดการสลายตัวเป็นน้ำ  และแก๊สออกซิเจน

  1. ระบบแยกตัวหรือระบบอิสระ หมายถึงระบบที่ไม่มีการถ่ายเททั้งมวลสารและพลังงานระหว่างระบบกับสิ่งแวดล้อมเช่น  น้ำร้อนในกระติกปิดฝาสนิท

ทั้งระบบเปิด และระบบปิด อาจมีการถ่ายเทพลังงาน กับสิ่งแวดล้อมหรือไม่ก็ได้  การพิจารณาว่าระบบใดเป็นระบบเปิด-ปิดนั้น  บางครั้งการพิจารณาภาชนะของระบบนั้นก็จะทำให้เข้าใจง่ายขึ้น  ซึ่งมีหลักดังนี้

  1.   ระบบใด ๆ  ที่เกิดขึ้นโดยทั่วไปนั้นกระทำในภาชนะ  2 ประเภท  คือ ภาชนะเปิด

กับภาชนะปิด (เปิดฝากับปิดฝาภาชนะ)

  1.   ระบบใดก็ตามที่ไม่มีแก๊ส  เกี่ยวข้องเลย  การปิด-เปิดภาชนะไม่มีผลต่อชนิดของระบบ
    แต่อย่างใด
  2.   ถ้าระบบใดๆ  ที่มีแก๊สเกี่ยวข้องอยู่ด้วย  การปิด-เปิดภาชนะจะมีผลต่อชนิดของระบบนั้นด้วย  กล่าวคือ

3.1  ถ้าเปิดภาชนะ (เปิดฝา)  ระบบนั้นก็เป็นระบบเปิด  เพราะมวลเปลี่ยนแปลง

(แก๊สหนีออกไป)

3.2  ถ้าปิดภาชนะ (ปิดฝา)  ระบบนั้นก็เป็นระบบปิด  เพราะมวลคงที่ (แก๊สหนีออกไม่ได้)

ที่มา: http://www.thaigoodview.com/node/87461

ที่มา : http://www.sahavicha.com/?name=media&file=readmedia&id=2488

Comments

comments

ใส่ความเห็น