E x t r a L A B โ ร ง เ รี ย น ส า ธิ ต ม ห า วิ ท ย า ลั ย พ ะ เ ย า | 1 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ดร.จักรีสิทธิ์ จินดาวงศ์, ผศ.ดร.นฤมล เสทธยะ และ ดร.ผกาสุคนธ์ เมฆรัตนะชัย การทดลองเรื่อง การหาสมการกฎอัตราและอันดับของปฏิกิริยาไอโอดิเนชั่นของแอซีโทนในสภาวะกรดด้วยวิธีการวัดอัตราเร็วเริ่มต้น (Determination of Rate Law and Order of Reaction for Iodination of Acetone in acid condition by Method of Initial Rates) ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- วัตถุประสงค์การเรียนรู้ (Learning objective) เพื่อให้นิสิตสามารถ 1. วัดอัตราเร็วของการเกิดปฏิกิริยาไอโอดิเนชั่นของแอซีโทนได้ 2. หาสมการกฎอัตราของปฏิกิริยาไอโอดิเนชั่นของแอซีโทนด้วยวิธีการวัดอัตราเร็วเริ่มต้นได้ 3. หาอันดับของปฏิกิริยาไอโอดิเนชั่นของแอซีโทนด้วยวิธีการวัดอัตราเร็วเริ่มต้นได้ 4. อธิบายกลไกที่เป็นไปได้ของการเกิดปฏิกิริยาไอโอดิเนชั่นของแอซีโทนในสภาวะกรดได้ 5. อธิบายความหมายและบทบาทหน้าที่ของตัวเร่งปฏิกิริยาได้ ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- หลักการและทฤษฎี(Theoretical background) พิจารณาปฏิกิริยาไอโอดิเนชั่นของแอซีโทน (iodination of acetone) ในสภาวะกรด ดัง สมการ CH COCH aq I aq HCl aq CH ICOCH aq HI aq HCl aq 3 3 2 2 3 ( ) + + ⎯⎯→ + + ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) (1) จากสมการ (1) จะเห็นได้ว่า กรดไฮโดรคลอริกเป็นได้ทั้งสารตั้งต้น (reactant) และสาร ผลิตภัณฑ์(product) ดังนั้น กรดไฮโดรคลอริก จึงถูกเรียกว่าเป็น ตัวเร่งปฏิกิริยา (catalyst) จึง สามารถเขียนสัญลักษณ์ของกรดไฮโดรคลอริกไว้บนลูกศร ได้สมการใหม่เป็น ( ) ( ) ( ) 3 3 2 2 3 ( ) ( ) HCl aq CH COCH aq I aq CH ICOCH aq HI aq + ⎯⎯⎯⎯→ + (2) ปฏิกิริยานี้เกิดขึ้นได้ภายใต้สภาวะปกติ (อุณหภูมิประมาณ 25.0 o C และความดัน 1 atm) ที่ อัตราเร็วในการเกิดปฏิกิริยาไม่เร็วนัก ทำให้สามารถติดตามการเปลี่ยนแปลงได้ไม่ยากนัก จากสมการ (2) สามารถเขียนสมการอัตราการเกิดปฏิกิริยา (rate of reaction) ได้เป็น d CH COCH aq d I aq d CH ICOCH aq d HI aq 3 3 2 2 3 ( ) ( ) ( ) ( ) Rate dt dt dt dt = − = − = + = + (3)
E x t r a L A B โ ร ง เ รี ย น ส า ธิ ต ม ห า วิ ท ย า ลั ย พ ะ เ ย า | 2 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ดร.จักรีสิทธิ์ จินดาวงศ์, ผศ.ดร.นฤมล เสทธยะ และ ดร.ผกาสุคนธ์ เมฆรัตนะชัย และสามารถเขียนสมการกฎอัตรา (rate law) ที่เป็นสมการที่ประกอบด้วยความสัมพันธ์ระหว่างอัตรา การเกิดปฏิกิริยากับค่าคงที่อัตรา (rate constant, k) และความเข้มข้นของสารตั้งต้นที่เกี่ยวข้องใน ปฏิกิริยานั้นและเลขยกกำลังของสารตั้งต้นแต่ละตัวที่เรียกว่าเป็น อันดับของปฏิกิริยา (order of reaction) ที่จำเป็นต้องหาได้จากผลการทดลองเท่านั้น ดังสมการ (4) ( ) ( ) ( ) ( ) 2 3 3 2 d I aq a b c Rate k CH COCH aq I aq HCl aq dt = − = (4) เมื่อ d I aq 2 ( ) dt −คือ อัตราการหายไปของไอโอดีน หน่วยเป็น M s/ k คือ ค่าคงที่อัตรา (rate constant) มีหน่วยขึ้นอยู่กับอันดับของ ปฏิกิริยานั้นๆ ซึ่งเมื่อทราบหน่วยของค่า k จะทำให้ทราบว่า ปฏิกิริยานั้นเป็นปฏิกิริยาอันดับที่เท่าใดได้ด้วย ( ) CH COCH aq 3 3 คือ ความเข้มข้นของสารละลายแอซีโทน หน่วยเป็น M I aq 2 ( ) คือ ความเข้มข้นของสารละลายไอโอดีน หน่วยเป็น M HCl aq ( ) คือ ความเข้มข้นของสารละลายกรดไฮโดรคลอริก หน่วยเป็น M a b c , , คือ อันดับของปฏิกิริยา (order of reaction) เมื่อเทียบกับความ เข้มข้นของแอซีโทน ไอโอดีน และกรดไฮโดรคลอริก ตามลำดับ จัดเป็นปริมาณที่ไม่มีหน่วย (unitless) และเป็นค่าที่ต้องหาได้ จากผลการทดลองเท่านั้น จะเห็นได้ว่า ปฏิกิริยานี้มีสารตั้งต้นทั้งหมดสามตัว คือ สารละลายแอซีโทน (acetone) สารละลายไอโอดีน (iodine) และสารละลายกรดไฮโดรคลอริก (hydrochloric acid) โดยที่สารละลาย ไอโอดีนเป็นสารตั้งต้นตัวเดียวที่มีสี คือ เป็นสารละลายสีเหลืองใส (yellow solution) ที่สามารถ สังเกตเห็นได้ง่ายด้วยตาเปล่า ดังนั้น จากสมการ (4) หมายความว่า ถ้าเราต้องการทราบอัตราเร็วของ ปฏิกิริยา (rate of reaction, Rate) และอันดับของปฏิกิริยา (order of reaction) เราสามารถทำการ ทดลองได้โดยการจับเวลาที่ใช้ในการจางหายไปของสีไอโอดีน คือ จากสารละลายใสสีเหลือง (yellow solution) เป็นสารละลายใสไม่มีสี(colorless solution) แล้วนำมาคำนวณตามสมการ ก็จะทำให้ทราบ ทั้งอัตราเร็วของปฏิกิริยา (rate of reaction, Rate) และอันดับของปฏิกิริยา (order of reaction) ตามที่เราต้องการได้ด้วยวิธีการวัดอัตราเร็วเริ่มต้น (method of initial rate) นั่นเอง ในทางทฤษฎีได้มีการเสนอกลไกที่เป็นไปได้ (possible mechanism) 3 ขั้นตอน ดังนี้
E x t r a L A B โ ร ง เ รี ย น ส า ธิ ต ม ห า วิ ท ย า ลั ย พ ะ เ ย า | 3 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ดร.จักรีสิทธิ์ จินดาวงศ์, ผศ.ดร.นฤมล เสทธยะ และ ดร.ผกาสุคนธ์ เมฆรัตนะชัย รูปที่ 1 แสดงกลไกที่เป็นไปได้ (possible mechanism) ของปฏิกิริยาไอโอโดดิเนชั่นของแอซีโทน จากกลไกที่เสนอตามรูปที่ 1 ทำให้สามารถอธิบายกลไกการเกิดปฏิกิริยาได้ดังนี้ ขั้นตอนที่ 1 เรียกว่า ขั้นโปรโตเนชั่น (protonation) ที่เกิดได้เร็ว (fast) และอยู่ในสมดุลที่ผัน กลับได้(reversible) โดยการที่แอซีโทนจะเข้าทำปฏิกิริยากับกรดไฮโดรคลอริกแล้วเกิดเป็นสารมัธ ยันตร์ตัวที่ 1 (intermediate I) และไอออนของคลอไรด์ (chloride ion, Cl− ) ขึ้น ขั้นตอนที่ 2 ที่จัดเป็นขั้นตอนที่เกิดช้าที่สุด (the slowest step) ในกลไกและผันกลับไม่ได้ (irreversible) จึงถือเป็นขั้นกำหนดอัตรา (rate determining step, RDS) โดยในขั้นตอนนี้สารมัธ ยันตร์ตัวที่ 1 (intermediate I) จะเข้าทำปฏิกิริยากับไอออนของคลอไรด์ (chloride ion, Cl− ) แล้ว เกิดเป็นสารผลิตภัณฑ์(product) เป็นสารมัธยันตร์ตัวที่ 2 (intermediate II) และได้กรดไฮโดรคลอ ริกกลับคืนมา โดยที่กรดไฮโดรคลอริกก็เป็นสารตั้งต้น (reactant) ในปฏิกิริยาก่อนหน้าด้วย ดังนั้น กรด ไฮโดรคลอริกจึงถูกเรียกว่าเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา (catalyst) ขั้นตอนที่ 3 เป็นขั้นตอนที่เกิดการแทนที่ของไอโอดีนกับสารมัธยันตร์ตัวที่ 2 (intermediate II) เกิดเป็นสารผลิตภัณฑ์คือ สารไอโอโดแอซีโทน (iodoacetone) และกรดไฮโดรไอโอดิก (hydroiodic acid, HI(aq)) ซึ่งเป็นขั้นที่เกิดได้เร็วและผันกลับไม่ได้ จากกลไกที่เป็นไปได้ที่เสนอข้างต้น สามารถพิสูจน์ว่าเป็นไปได้จริงหรือไม่ ทำได้2 วิธี ดังนี้ วิธีที่ 1 วิธีการหาความเข้มข้นของสารมัธยันตร์โดยใช้ขั้นตอนที่เข้าสู่สมดุลและผันกลับได้ (equilibrium and reversible) โดยใช้สมการค่าคงที่สมดุล มี 3 ขั้นตอน คือ 1. เขียนสมการกฎอัตราจากขั้นกำหนดอัตรา จะได้ว่า Rate k Cl 2 Intermediated I − =
E x t r a L A B โ ร ง เ รี ย น ส า ธิ ต ม ห า วิ ท ย า ลั ย พ ะ เ ย า | 4 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ดร.จักรีสิทธิ์ จินดาวงศ์, ผศ.ดร.นฤมล เสทธยะ และ ดร.ผกาสุคนธ์ เมฆรัตนะชัย 2. หาความเข้มข้นของสารมัธยันตร์โดยใช้สมการค่าคงที่สมดุล จากกลไกขั้นตอนที่ 1 จะได้ว่า 1 1 1 1 1 1 Intermediated I Intermediated I Intermediated I rate of forward rate of backward k Acetone HCl k Cl k Cl K k Acetone HCl K Acetone HCl Cl − − − − − = = = = = 3. แทนค่า Intermediated I ที่หาได้จากข้อ 2 ลงในสมการกฏอัตราในข้อ 1 จะได้ว่า 1 2 K Acetone HCl Cl Rate k − = Cl − 1 1 2 1 1 1 1 2 1 2 1 ; ; k k Rate k Acetone HCl K k k k Rate k Acetone HCl k k K k k − − − = = = = = ปฏิกิริยานี้จะมีกลไกเป็นไปตามที่ทำนายไว้ก็ต่อเมื่อทำการทดลองแล้วได้สมการกฎอัตราเป็น Rate k Acetone HCl = วิธีที่ 2 วิธีการหาความเข้มข้นของสารมัธยันตร์โดยใช้การประมาณการในสภาวะนิ่ง (steady state approximation, SSA) มี 3 ขั้นตอน คือ 1. เขียนสมการกฎอัตราจากขั้นกำหนดอัตรา จะได้ว่า Rate k = 2 Intermediated I 2. หาความเข้มข้นของสารมัธยันตร์โดยใช้การประมาณการในสภาวะนิ่ง (steady state approximation, SSA) จากกลไก จะได้ว่า 1 1 2 1 1 2 Intermediated I Intermediated I Intermediated I 0 Intermediated I Interm d k Acetone HCl k Cl k Cl dt k Acetone HCl k Cl k − − − − − = − − = − − ( ) ( ) 1 2 1 1 1 2 ediated I Intermediated I Intermediated I Cl k k Cl k Acetone HCl k Acetone HCl k k Cl − − − − − + = = +
E x t r a L A B โ ร ง เ รี ย น ส า ธิ ต ม ห า วิ ท ย า ลั ย พ ะ เ ย า | 5 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ดร.จักรีสิทธิ์ จินดาวงศ์, ผศ.ดร.นฤมล เสทธยะ และ ดร.ผกาสุคนธ์ เมฆรัตนะชัย 3. แทนค่า Intermediated I ที่หาได้จากข้อ 2 ลงในสมการกฏอัตราในข้อ 1 จะได้ว่า ( ) 1 2 1 2 k Acetone HCl Rate k k k Cl − − = + Cl − ( ) ( ) 1 2 1 2 1 2 1 2 ; k k Acetone HCl k k k k Rate k Acetone HCl k k k − − = + = = + จะเห็นว่า เนื่องจากขั้นตอนที่ 2 เป็นขั้นกำหนดอัตราที่เกิดได้ช้ามาก ดังนั้น ค่า 2 1 k k −ด้วย จึงได้ สมการลดรูปเป็น 1 1 2 1 1 1 1 2 1 2 1 ; ; k k Rate k Acetone HCl K k k k Rate k Acetone HCl k k K k k − − − = = = = = ปฏิกิริยานี้จะมีกลไกเป็นไปตามที่ทำนายไว้ก็ต่อเมื่อทำการทดลองแล้วได้สมการกฎอัตราเป็น Rate k Acetone HCl = จะเห็นได้ว่า การพิสูจน์กลไกทั้ง 2 วิธี ให้ผลลัพธ์เหมือนกัน คือ Rate k Acetone HCl = (5) จากสมการ (5) แสดงให้เห็นว่า สมการกฎอัตราที่พิสูจน์ทราบจากกลไกที่เป็นไปได้ทางทฤษฎี ทำให้ทำนายได้ว่า ปฏิกิริยานี้มีอันดับรวมของปฏิกิริยา (overall order of reaction) เป็นปฏิกิริยา อันดับสอง (second order reaction) โดยเป็นปฏิกิริยาอันดับหนึ่ง (first order reaction) เมื่อเทียบ กับความเข้มข้นของแอซีโทนอย่างเดียว และเป็นปฏิกิริยาอันดับหนึ่ง (first order reaction) เมื่อเทียบ กับความเข้มข้นของกรดไฮโดรคลอริกอย่างเดียว และกรดไฮโดรคลอริกทำหน้าที่เป็นสารตั้งต้นที่เมื่อ เกิดปฏิกิริยาแล้วได้กลับคืนมาเป็นสารผลิตภัณฑ์ด้วย จึงถูกเรียกว่าเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาด้วย และอันดับ รวมของปฏิกิริยานี้ไม่ขึ้นกับความเข้มข้นของไอโอดีนที่ใช้เป็นสารตั้งต้นของปฏิกิริยานี้เลย หมายความว่า ไม่ว่าความเข้มข้นเริ่มต้น (initial concentration) ของไอโอดีนในปฏิกิริยาจะเป็นเท่าใด ก็ไม่มีผลต่อ อัตราเร็วในการเกิดปฏิกิริยานี้เลย ------------------------------------------------------------------------------------------------
E x t r a L A B โ ร ง เ รี ย น ส า ธิ ต ม ห า วิ ท ย า ลั ย พ ะ เ ย า | 6 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ดร.จักรีสิทธิ์ จินดาวงศ์, ผศ.ดร.นฤมล เสทธยะ และ ดร.ผกาสุคนธ์ เมฆรัตนะชัย อุปกรณ์ในการทดลอง (Equipments) 1. นาฬิกาจับเวลา (stopwatch) จำนวน 1 เครื่อง 2. ขวดรูปกรวย (Erlenmeyer flask)ขนาด 50 mL จำนวน 9 ใบ 3. ขวดน้ำกลั่น (plastic wash bottle) จำนวน 1 ใบ 4. กระบอกตวง (cylinder) ขนาด 10 mL จำนวน 4 ใบ 5. หลอดหยด (dropper) จำนวน 4 อัน 6. บีกเกอร์ (beaker) ขนาด 50 mL จำนวน 4 ใบ สารเคมี (Materials) 1. สารละลายไอโอดีน (iodine solution, I2(aq)) เข้มข้น 0.00125 M 2. สารละลายแอซีโทน (acetone solution, CH3COCH3(aq)) เข้มข้น 4.0 M 3. สารละลายกรดไฮโดรคลอริก (hydrochloric acid solution, HCl(aq)) เข้มข้น 1.0 M 4. น้ำกลั่น (distilled water, H2O(l)) วิธีการทดลอง (Procedure) 1. ตวงน้ำกลั่นโดยการใช้กระบอกตวงให้ได้ปริมาตร 25 mL ใส่ลงในขวดรูปกรวย (ขวดนี้ไว้สำหรับ ใช้ในการเทียบสีอ้างอิง) 2. นำขวดรูปกรวยใบที่ 1 มาเติมสารละลาย 4.0 M acetone ปริมาตร 5.0 mL สารละลาย 1.0 M HCl ปริมาตร 5.0 mL และน้ำกลั่น ปริมาตร 10.0 mL 3. นำขวดรูปกรวยใบที่ 2 มาเติมสารละลาย 4.0 M acetone ปริมาตร 10.0 mL สารละลาย 1.0 M HCl ปริมาตร 5.0 mL และน้ำกลั่น ปริมาตร 5.0 mL 4. นำขวดรูปกรวยใบที่ 3 มาเติมสารละลาย 4.0 M acetone ปริมาตร 5.0 mL สารละลาย 1.0 M HCl ปริมาตร 10.0 mL และน้ำกลั่น ปริมาตร 5.0 mL 5. นำขวดรูปกรวยใบที่ 4 มาเติมสารละลาย 4.0 M acetone ปริมาตร 5.0 mL สารละลาย 1.0 M HCl ปริมาตร 10.0 mL และน้ำกลั่น ปริมาตร 0.0 mL
E x t r a L A B โ ร ง เ รี ย น ส า ธิ ต ม ห า วิ ท ย า ลั ย พ ะ เ ย า | 7 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ดร.จักรีสิทธิ์ จินดาวงศ์, ผศ.ดร.นฤมล เสทธยะ และ ดร.ผกาสุคนธ์ เมฆรัตนะชัย ตารางที่ 1 ตารางสรุปแสดงส่วนผสมของสารละลาย ขวดที่ ปริมาตรสารละลาย (mL) ปริมาตรรวม 4.0 M Acetone 1.0 M HCl H (mL) 2O 0.00125 M I2 1 5.0 5.0 10.0 5.0 25.0 2 10.0 5.0 5.0 5.0 25.0 3 5.0 10.0 5.0 5.0 25.0 4 5.0 10.0 0 10.0 25.0 6. ใช้กระบอกตวงที่แห้งและสะอาดตวงสารละลาย 0.00125 M I2 ปริมาตร 5.0 mL 7. เทสารละลายในข้อ 6 ลงในสารละลายข้อ 2 (ขวดรูปกรวยใบที่ 1) พร้อมกับจับเวลาทันที โดย ในตอนเริ่มต้นจะเห็นเป็นสารละลายสีเหลืองใส ให้แกว่งขวดเบาๆ เพื่อให้สารผสมกันอย่าง สม่ำเสมอตลอดการทำปฏิกิริยา จนกระทั่งสารละลายเปลี่ยนเป็นสารละลายใสไม่มีสีจึงหยุดเวลา บันทึกเวลาที่ใช้ในหน่วยวินาที(second, s) 8. ใช้กระบอกตวงที่แห้งและสะอาดตวงสารละลาย 0.00125 M I2 ปริมาตร 5.0 mL 9. เทสารละลายในข้อ 8 ลงในสารละลายข้อ 3 (ขวดรูปกรวยใบที่ 2) พร้อมกับจับเวลาทันที โดย ในตอนเริ่มต้นจะเห็นเป็นสารละลายสีเหลืองใส ให้แกว่งขวดเบาๆ เพื่อให้สารผสมกันอย่าง สม่ำเสมอตลอดการทำปฏิกิริยา จนกระทั่งสารละลายเปลี่ยนเป็นสารละลายใสไม่มีสีจึงหยุดเวลา บันทึกเวลาที่ใช้ในหน่วยวินาที (second, s) 10. ใช้กระบอกตวงที่แห้งและสะอาดตวงสารละลาย 0.00125 M I2 ปริมาตร 5.0 mL 11. เทสารละลายในข้อ 10 ลงในสารละลายข้อ 4 (ขวดรูปกรวยใบที่ 3) พร้อมกับจับเวลาทันที โดย ในตอนเริ่มต้นจะเห็นเป็นสารละลายสีเหลืองใส ให้แกว่งขวดเบาๆ เพื่อให้สารผสมกันอย่าง สม่ำเสมอตลอดการทำปฏิกิริยา จนกระทั่งสารละลายเปลี่ยนเป็นสารละลายใสไม่มีสีจึงหยุดเวลา บันทึกเวลาที่ใช้ในหน่วยวินาที (second, s) 12. ใช้กระบอกตวงที่แห้งและสะอาดตวงสารละลาย 0.00125 M I2 ปริมาตร 10.0 mL 13. เทสารละลายในข้อ 12 ลงในสารละลายข้อ 5 (ขวดรูปกรวยใบที่ 4) พร้อมกับจับเวลาทันที โดย ในตอนเริ่มต้นจะเห็นเป็นสารละลายสีเหลืองใส ให้แกว่งขวดเบาๆ เพื่อให้สารผสมกันอย่าง สม่ำเสมอตลอดการทำปฏิกิริยา จนกระทั่งสารละลายเปลี่ยนเป็นสารละลายใสไม่มีสีจึงหยุดเวลา บันทึกเวลาที่ใช้ในหน่วยวินาที (second, s) 14. ทำการทดลองตั้งแต่ข้อ 2-13 ซ้ำอีกครั้งหนึ่ง (โดยใช้สารใหม่ทั้งหมด) บันทึกเวลาที่ใช้ในหน่วย วินาที (second, s) โดยเวลาที่ได้ในการทดลองทั้งสองครั้ง ควรห่างกันไม่เกิน 5-10 วินาที
E x t r a L A B โ ร ง เ รี ย น ส า ธิ ต ม ห า วิ ท ย า ลั ย พ ะ เ ย า | 8 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ดร.จักรีสิทธิ์ จินดาวงศ์, ผศ.ดร.นฤมล เสทธยะ และ ดร.ผกาสุคนธ์ เมฆรัตนะชัย การวิเคราะห์ข้อมูล (Data analysis) 1. แสดงวิธีการหาความเข้มข้นเริ่มต้นของสารตั้งต้นในสารละลายผสม ในหน่วย M 2. แสดงวิธีการหาอัตราการเกิดปฏิกิริยา (Rate) ในหน่วย M/s 3. แสดงวิธีการหาอันดับของปฏิกิริยา (order of reaction) จากค่าอัตราเร็วเริ่มต้น 4. แสดงวิธีการหาค่าคงที่อัตราการเกิดปฏิกิริยา (rate constant, k) จากค่าอัตราเร็วเริ่มต้น 5. แสดงสมการกฎอัตราของปฏิกิริยานี้ คำถาม (Questions) 1. อธิบายกลไกที่เป็นไปได้ของการเกิดปฏิกิริยาไอโอดิเนชั่นของแอซีโทนในสภาวะกรด 2. แสดงการพิสูจน์ให้เห็นว่า Rate k Acetone HCl = โดยที่ 1 2 1 2 1 k k k K k k− = = 3. ปฏิกิริยานี้มีอันดับรวมของปฏิกิริยาเป็นปฏิกิริยาอันดับที่เท่าใด 4. อธิบายว่าอะไรคือสาเหตุหลักที่ทำให้ผลการทดลองนี้คลาดเคลื่อน 5. นิยามและบอกความแตกต่างระหว่างสารมัธยันตร์(intermediate) กับตัวเร่งปฏิกิริยา (catalyst) เอกสารอ้างอิง (References) [1] Tangdenpaisal, Kassrin, Poramate Songthammawat, Somsak Ruchirawat, and Poonsakdi Ploypradith. "Total Synthesis of Palodesangrens a and C." The Journal of Organic Chemistry 87, no. 1 (2022/01/07 2022): 386-98. https://dx.doi.org/10.1021/acs.joc.1c02417. [2] Sattsangi, Prem D. "A Microscale Approach to Chemical Kinetics in the General Chemistry Laboratory: The Potassium Iodide Hydrogen Peroxide Iodine-Clock Reaction." Journal of Chemical Education 88, no. 2 (2011/02/01 2011): 184-88. https://dx.doi.org/10.1021/ed100140w.
E x t r a L A B โ ร ง เ รี ย น ส า ธิ ต ม ห า วิ ท ย า ลั ย พ ะ เ ย า | 9 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ดร.จักรีสิทธิ์ จินดาวงศ์, ผศ.ดร.นฤมล เสทธยะ และ ดร.ผกาสุคนธ์ เมฆรัตนะชัย ตัวอย่างแผนภาพการออกแบบวิธีการทดลอง (Experimental design)
E x t r a L A B โ ร ง เ รี ย น ส า ธิ ต ม ห า วิ ท ย า ลั ย พ ะ เ ย า | 10 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ดร.จักรีสิทธิ์ จินดาวงศ์, ผศ.ดร.นฤมล เสทธยะ และ ดร.ผกาสุคนธ์ เมฆรัตนะชัย การบันทึกผลการทดลอง (Experimental data)_student เรื่อง การหาสมการกฎอัตราและอันดับของปฏิกิริยาไอโอดิเนชั่นของแอซีโทนในสภาวะกรดด้วย วิธีการวัดอัตราเร็วเริ่มต้น ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ทำการทดลองวันที่.............เดือน........................................พ.ศ. ..................เวลา.............................. Sec. ………… กลุ่มที่............. ผู้ร่วมทำการทดลอง 1. ………………………………………………. รหัสนิสิต........................สาขา........................................ 2. ………………………………………………. รหัสนิสิต........................สาขา........................................ 3. ………………………………………………. รหัสนิสิต........................สาขา........................................ 4. ………………………………………………. รหัสนิสิต........................สาขา........................................ ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- บันทึกผลการทดลอง 1. อุณหภูมิห้องขณะทำการทดลอง = …………………… 0 C ตารางบันทึกผลการทดลอง 1. ปริมาตรและเวลาที่ใช้ในการทำปฏิกิริยา ขวดที่ ปริมาตรสารละลาย (mL) เวลา (time, s) 4.0 M Acetone 1.0 M HCl H2O 0.00125 M I2 1 2 เฉลี่ย 1 5.0 5.0 10.0 5.0 2 10.0 5.0 5.0 5.0 3 5.0 10.0 5.0 5.0 4 5.0 10.0 0 10.0 2. ความเข้มข้นและอัตราการเกิดปฏิกิริยา ขวดที่ ความเข้มข้นเริ่มต้นของสารตั้งต้นในสารละลายผสม (M) อัตราการเกิดปฏิกิริยา (Rate) Acetone HCl I2 ([I2]/tเฉลี่ย, M/s) 1 2 3 4
E x t r a L A B โ ร ง เ รี ย น ส า ธิ ต ม ห า วิ ท ย า ลั ย พ ะ เ ย า | 11 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ดร.จักรีสิทธิ์ จินดาวงศ์, ผศ.ดร.นฤมล เสทธยะ และ ดร.ผกาสุคนธ์ เมฆรัตนะชัย 1. แสดงวิธีการหาความเข้มข้นเริ่มต้นของสารตั้งต้นในสารละลายผสม (M) ขวดที่ ความเข้มข้นเริ่มต้นของสารตั้งต้นในสารละลายผสม (M) Acetone HCl I2 1 ( )( ) ( ) ( ) 1 1 2 2 2 2 4.0 5.0 25.0 4.0 5.0 C V C V M mL C mL M mL C = = = ( ) (25.0 mL ) 2 0.8 = C M ( )( ) ( ) ( ) 1 1 2 2 2 2 1.0 5.0 25.0 1.0 5.0 C V C V M mL C mL M mL C = = = ( ) (25.0 mL ) 2 0.2 = C M ( )( ) ( ) ( ) 1 1 2 2 2 2 0.00125 5.0 25.0 0.00125 5.0 C V C V M mL C mL M mL C = = = ( ) (25.0 mL ) 2 0.00025 = C M 2 3 4 2. แสดงวิธีการคำนวณหาอัตราการเกิดปฏิกิริยา (Rate, M/s) ขวดที่ ความเข้มข้นเริ่มต้นของสารตั้งต้นในสารละลายผสม (M) อัตราการเกิดปฏิกิริยา (Rate) Acetone HCl I2 (([I2]/tเฉลี่ย, M/s) 1 2 3 4
E x t r a L A B โ ร ง เ รี ย น ส า ธิ ต ม ห า วิ ท ย า ลั ย พ ะ เ ย า | 12 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ดร.จักรีสิทธิ์ จินดาวงศ์, ผศ.ดร.นฤมล เสทธยะ และ ดร.ผกาสุคนธ์ เมฆรัตนะชัย 3. แสดงวิธีการหาอันดับของปฏิกิริยา (order of reaction) จากค่าอัตราเร็วเริ่มต้น สมการที่ใช้คือ 2 2 [ ] , [ ] [ ] [ ] d I a b c Rate R k Acetone HCl I dt = = ขวดที่ 1: R1 = = _______________ ______________________________________ ขวดที่ 2: R2 = = _______________ ______________________________________ ขวดที่ 3: R3 = = _______________ ______________________________________ ขวดที่ 4: R4 = = _______________ ______________________________________ หาค่า a จะได้ว่า a = ……………………. แสดงการคำนวณได้ดังนี้ 2 1 R R = = หาค่า b จะได้ว่า b = ……………………. แสดงการคำนวณได้ดังนี้ 3 1 R R = = หาค่า c จะได้ว่า c = ……………………. แสดงการคำนวณได้ดังนี้ 4 3 R R = = อันดับรวมของปฏิกิริยา (overall order of reaction) = abc + + =
E x t r a L A B โ ร ง เ รี ย น ส า ธิ ต ม ห า วิ ท ย า ลั ย พ ะ เ ย า | 13 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ดร.จักรีสิทธิ์ จินดาวงศ์, ผศ.ดร.นฤมล เสทธยะ และ ดร.ผกาสุคนธ์ เมฆรัตนะชัย 4. แสดงวิธีการหาค่าคงที่อัตราการเกิดปฏิกิริยา (rate constant, k) จากค่าอัตราเร็วเริ่มต้น สมการที่ใช้คือ 2 [ ] [ ] [ ] a b c R k Acetone HCl I = หาค่า k จากการทดลองทั้ง 4 ครั้ง ได้ดังนี้ 1 1 2 1 1 [ ] [ ] [ ] a b c R k Acetone HCl I k k = = = = ------------------------------------------------------------------------------------------------- 2 2 2 2 2 [ ] [ ] [ ] a b c R k Acetone HCl I k k = = = = ------------------------------------------------------------------------------------------------- 3 3 2 3 3 [ ] [ ] [ ] a b c R k Acetone HCl I k k = = = = ------------------------------------------------------------------------------------------------- 4 4 2 4 4 [ ] [ ] [ ] a b c R k Acetone HCl I k k = = = = ------------------------------------------------------------------------------------------------- 1 k 2 k 3 k 4 k average k …………………… ……………………… ……………………… ……………………… …………………… ค่าคงที่อัตราการเกิดปฏิกิริยา (rate constant, k) =
E x t r a L A B โ ร ง เ รี ย น ส า ธิ ต ม ห า วิ ท ย า ลั ย พ ะ เ ย า | 14 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ดร.จักรีสิทธิ์ จินดาวงศ์, ผศ.ดร.นฤมล เสทธยะ และ ดร.ผกาสุคนธ์ เมฆรัตนะชัย 5. แสดงสมการกฎอัตราของปฏิกิริยานี้ คือ 2 [ ] [ ] [ ] a b c Rate k Acetone HCl I Rate Rate = = = ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ -------------End of Experiment-----------
E x t r a L A B โ ร ง เ รี ย น ส า ธิ ต ม ห า วิ ท ย า ลั ย พ ะ เ ย า | 15 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ดร.จักรีสิทธิ์ จินดาวงศ์, ผศ.ดร.นฤมล เสทธยะ และ ดร.ผกาสุคนธ์ เมฆรัตนะชัย การบันทึกผลการทดลอง (Experimental data)_instructor เรื่อง การหาสมการกฎอัตราและอันดับของปฏิกิริยาไอโอดิเนชั่นของแอซีโทนในสภาวะกรดด้วย วิธีการวัดอัตราเร็วเริ่มต้น ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ทำการทดลองวันที่.............เดือน........................................พ.ศ. ..................เวลา.............................. Sec. ………… กลุ่มที่............. ผู้ร่วมทำการทดลอง 1. ………………………………………………. รหัสนิสิต........................สาขา........................................ 2. ………………………………………………. รหัสนิสิต........................สาขา........................................ 3. ………………………………………………. รหัสนิสิต........................สาขา........................................ 4. ………………………………………………. รหัสนิสิต........................สาขา........................................ ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- บันทึกผลการทดลอง 1. อุณหภูมิห้องขณะทำการทดลอง = …………………… 0 C ตารางบันทึกผลการทดลอง 1. ปริมาตรและเวลาที่ใช้ในการทำปฏิกิริยา ขวดที่ ปริมาตรสารละลาย (mL) เวลา (time, s) 4.0 M Acetone 1.0 M HCl H2O 0.00125 M I2 1 2 เฉลี่ย 1 5.0 5.0 10.0 5.0 60 60 60 2 10.0 5.0 5.0 5.0 30 30 30 3 5.0 10.0 5.0 5.0 30 30 30 4 5.0 10.0 0 10.0 60 60 60 2. ความเข้มข้นและอัตราการเกิดปฏิกิริยา ขวดที่ ความเข้มข้นเริ่มต้นของสารตั้งต้นในสารละลายผสม (M) อัตราการเกิดปฏิกิริยา (Rate) Acetone HCl I2 ([I2]/tเฉลี่ย, M/s) 1 0.8 0.2 0.00025 4.67 x 10-6 2 1.6 0.2 0.00025 8.33 x 10-6 3 0.8 0.4 0.00025 8.33 x 10-6 4 0.8 0.4 0.00050 8.33 x 10-6
E x t r a L A B โ ร ง เ รี ย น ส า ธิ ต ม ห า วิ ท ย า ลั ย พ ะ เ ย า | 16 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ดร.จักรีสิทธิ์ จินดาวงศ์, ผศ.ดร.นฤมล เสทธยะ และ ดร.ผกาสุคนธ์ เมฆรัตนะชัย 1. แสดงวิธีการหาความเข้มข้นเริ่มต้นของสารตั้งต้นในสารละลายผสม (M) ขวดที่ ความเข้มข้นเริ่มต้นของสารตั้งต้นในสารละลายผสม (M) Acetone HCl I2 1 ( )( ) ( ) ( ) 1 1 2 2 2 2 4.0 5.0 25.0 4.0 5.0 C V C V M mL C mL M mL C = = = ( ) (25.0 mL ) 2 0.8 = C M ( )( ) ( ) ( ) 1 1 2 2 2 2 1.0 5.0 25.0 1.0 5.0 C V C V M mL C mL M mL C = = = ( ) (25.0 mL ) 2 0.2 = C M ( )( ) ( ) ( ) 1 1 2 2 2 2 0.00125 5.0 25.0 0.00125 5.0 C V C V M mL C mL M mL C = = = ( ) (25.0 mL ) 2 0.00025 = C M 2 ( )( ) ( ) ( ) 1 1 2 2 2 2 4.0 10.0 25.0 4.0 10.0 C V C V M mL C mL M mL C = = = ( ) (25.0 mL ) 2 1.6 = C M ( )( ) ( ) ( ) 1 1 2 2 2 2 1.0 5.0 25.0 1.0 5.0 C V C V M mL C mL M mL C = = = ( ) (25.0 mL ) 2 0.2 = C M ( )( ) ( ) ( ) 1 1 2 2 2 2 0.00125 5.0 25.0 0.00125 5.0 C V C V M mL C mL M mL C = = = ( ) (25.0 mL ) 2 0.00025 = C M 3 ( )( ) ( ) ( ) 1 1 2 2 2 2 4.0 5.0 25.0 4.0 5.0 C V C V M mL C mL M mL C = = = ( ) (25.0 mL ) 2 0.8 = C M ( )( ) ( ) ( ) 1 1 2 2 2 2 1.0 10.0 25.0 1.0 10.0 C V C V M mL C mL M mL C = = = ( ) (25.0 mL ) 2 0.4 = C M ( )( ) ( ) ( ) 1 1 2 2 2 2 0.00125 5.0 25.0 0.00125 5.0 C V C V M mL C mL M mL C = = = ( ) (25.0 mL ) 2 0.00025 = C M 4 ( )( ) ( ) ( ) 1 1 2 2 2 2 4.0 5.0 25.0 4.0 5.0 C V C V M mL C mL M mL C = = = ( ) (25.0 mL ) 2 0.8 = C M ( )( ) ( ) ( ) 1 1 2 2 2 2 1.0 10.0 25.0 1.0 10.0 C V C V M mL C mL M mL C = = = ( ) (25.0 mL ) 2 0.4 = C M ( )( ) ( ) ( ) 1 1 2 2 2 2 0.00125 10.0 25.0 0.00125 10.0 C V C V M mL C mL M mL C = = = ( ) (25.0 mL ) 2 0.0005 = C M 2. แสดงวิธีการคำนวณหาอัตราการเกิดปฏิกิริยา (Rate, M/s) ขวดที่ ความเข้มข้นเริ่มต้นของสารตั้งต้นในสารละลายผสม (M) อัตราการเกิดปฏิกิริยา (Rate) Acetone HCl I2 (([I2]/tเฉลี่ย, M/s) 1 0.8 0.2 0.00025 = 2.5 x 10-4 M/60 s =4.17 x 10-6 2 1.6 0.2 0.00025 = 2.5 x 10-4 M/30 s =8.33 x 10-6 3 0.8 0.4 0.00025 = 2.5 x 10-4 M/30 s =8.33 x 10-6 4 0.8 0.4 0.00050 = 5.0 x 10-4 M/60 s =8.33 x 10-6
E x t r a L A B โ ร ง เ รี ย น ส า ธิ ต ม ห า วิ ท ย า ลั ย พ ะ เ ย า | 17 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ดร.จักรีสิทธิ์ จินดาวงศ์, ผศ.ดร.นฤมล เสทธยะ และ ดร.ผกาสุคนธ์ เมฆรัตนะชัย 3. แสดงวิธีการหาอันดับของปฏิกิริยา (order of reaction) จากค่าอัตราเร็วเริ่มต้น สมการที่ใช้คือ 2 2 [ ] , [ ] [ ] [ ] d I a b c Rate R k Acetone HCl I dt = = ขวดที่ 1: 6 1 1 4.17 x 10 [0.8 ] [0.2 ] [0.00025 ] M a b c R k M M M s − = = ขวดที่ 2: 6 2 2 8.33 x 10 [1.6 ] [0.2 ] [0.00025 ] M a b c R k M M M s − = = ขวดที่ 3: 6 3 3 8.33 x 10 [0.8 ] [0.4 ] [0.00025 ] M a b c R k M M M s − = = ขวดที่ 4: 6 4 4 8.33 x 10 [0.8 ] [0.4 ] [0.00050 ] M a b c R k M M M s − = = หาค่า a จะได้ว่า 6 2 1 8.33 x 10 R R − = M s 6 4.17 x 10− M s 2 k = [1.6 ] [ 0.2 ] a b M M [0.00025 ]c M 1 k [0.8 ] [0.2 ] a b M M [0.00025 ]c M 2 2 1 a a = = หาค่า b จะได้ว่า 6 3 1 8.33 x 10 R R − = M s 6 4.17 x 10− M s 3 k = [0.8 ]a M [0.4 ] [0.00025 ] b c M M 1 k [0.8 ]a M [0.2 ] [0.00025 ] b c M M 2 2 1 b b = = หาค่า c จะได้ว่า 6 4 3 8.33 x 10 R R − = M s 6 8.33 x 10− M s 4 k = [0.8 ]a M [0.4 ]b M 1 [0.00050 ]c M k [0.8 ]a M [0.4 ]b M [0.00025 ] 1 2 0 c c M c = = อันดับรวมของปฏิกิริยา (overall order of reaction) = abc + + = + + = 1 1 0 2
E x t r a L A B โ ร ง เ รี ย น ส า ธิ ต ม ห า วิ ท ย า ลั ย พ ะ เ ย า | 18 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ดร.จักรีสิทธิ์ จินดาวงศ์, ผศ.ดร.นฤมล เสทธยะ และ ดร.ผกาสุคนธ์ เมฆรัตนะชัย 4. แสดงวิธีการหาค่าคงที่อัตราการเกิดปฏิกิริยา (rate constant, k) จากค่าอัตราเร็วเริ่มต้น สมการที่ใช้คือ 2 [ ] [ ] [ ] a b c R k Acetone HCl I = หาค่า k จากการทดลองทั้ง 4 ครั้ง ได้ดังนี้ 6 1 1 1 1 0 2 6 1 4.17 x 10 [ ] [ ] [ ] [0.8 ] [0.2 ] [0.00025 ] 4.17 x 10 a b c M R s k Acetone HCl I M M M M k − − = = = [0.8 s M 5 1 1 1 ][0.2 ][1] 2.60 x 10 M k M s − − − = ------------------------------------------------------------------------------------------------- 6 2 2 1 1 0 2 6 2 8.33 x 10 [ ] [ ] [ ] [1.6 ] [0.2 ] [0.00025 ] 8.33 x 10 a b c M R s k Acetone HCl I M M M M k − − = = = [1.6 s M 5 1 1 2 ][0.2 ][1] 2.60 x 10 M k M s − − − = ------------------------------------------------------------------------------------------------- 6 3 3 1 1 0 2 6 3 8.33 x 10 [ ] [ ] [ ] [0.8 ] [0.4 ] [0.00025 ] 8.33 x 10 a b c M R s k Acetone HCl I M M M M k − − = = = [0.8 s M 5 1 1 3 ][0.4 ][1] 2.60 x 10 M k M s − − − = ------------------------------------------------------------------------------------------------- 6 4 4 1 1 0 2 6 4 8.33 x 10 [ ] [ ] [ ] [0.8 ] [0.4 ] [0.00050 ] 8.33 x 10 a b c M R s k Acetone HCl I M M M M k − − = = = [0.8 s M 5 1 1 4 ][0.4 ][1] 2.60 x 10 M k M s − − − = ------------------------------------------------------------------------------------------------- ค่าคงที่อัตราการเกิดปฏิกิริยา (rate constant, k) = ( 1 2 3 4 ) 5 1 1 2.60 x 10 4 k k k k M s + + + − − − =
E x t r a L A B โ ร ง เ รี ย น ส า ธิ ต ม ห า วิ ท ย า ลั ย พ ะ เ ย า | 19 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ดร.จักรีสิทธิ์ จินดาวงศ์, ผศ.ดร.นฤมล เสทธยะ และ ดร.ผกาสุคนธ์ เมฆรัตนะชัย 5. แสดงสมการกฎอัตราของปฏิกิริยานี้ คือ ( ) ( ) 2 5 1 1 1 1 0 2 5 1 1 ] 2.60 x 10 [ ] [ [ ] ] [ ] 2.60 x 10 [ ][ [ ] [ ] a b c Rate M s A t cetone HCl I Rate M s Aceto Rate k Ace one HCl ne HCl I − − − − − − = = = --------------------------------------------------------------------------------------------------------