ตัวเร่งปฏิกิริยาคืออะไร

ตัวเร่งปฏิกิริยาคืออะไร

ตัวเร่งปฏิกิริยาคืออะไร คำว่า Catalyst มาจากคำภาษากรีกว่า katalyo ซึ่งหมายถึง “การหยิบขึ้นมา” หรือ “รวมกันเป็นหนึ่ง” หรือทำให้เป็นอันหนึ่งอันเดียวกัน

ตามแนวคิดของตัวเร่งปฏิกิริยานี้ ได้มีการอธิบายถึงโดยครั้งแรก จากนักเคมี คือ Elizabeth Fulham ในปี ค.ศ. 1794 เธอได้อธิบายกระบวนการเร่งปฏิกิริยา โดยใช้การทดลองที่มีปฏิกิริยาลดการเกิดออกซิเดชัน

อย่างไรก็ตาม Gottlieb Kirchhoff ได้วิเคราะห์ปฏิกิริยาเคมีที่เร่งปฏิกิริยาครั้งแรก ในปี 1811 เขาได้ทดลองเกี่ยวกับการเปลี่ยนแป้งให้เป็นน้ำตาล โดยให้ความร้อนด้วยกรดซัลฟิวริก

และในบทความภาพรวมนี้ เราจะมาอธิบายถึงประเภทของตัวเร่งปฏิกิริยา หลักการทำงาน และความสำคัญของตัวเร่งปฏิกิริยาโดยเริ่มจากคำถามพื้นฐานกันก่อน ดังนี้

1. ตัวเร่งปฎิกิริยา (Catalyst) คืออะไร

ตัวเร่งปฏิกิริยา คือ สารที่ทำหน้าที่เร่งปฏิกิริยาเคมี โดยทำปฏิกิริยากับสารตั้งต้น และผลิตภัณฑ์ โดยไม่ถูกบริโภคในระหว่างการทำปฏิกิริยา ดังนั้น จึงสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ โดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงทางเคมี เมื่อสิ้นสุดปฏิกิริยา

ซึ่งตัวเร่งปฏิกิริยา มักจะทำงาน ดังนี้

1.1 การลดพลังงานกระตุ้นของระบบเคมี (พลังงานที่ระบบต้องการ เพื่อทำปฏิกิริยาเคมีจำเพาะ) โดยจัดให้มีวิถีปฏิกิริยาทางเลือก

1.2 การเปลี่ยนแปลงกลไกของปฏิกิริยา ซึ่งท้ายที่สุดจะเปลี่ยนธรรมชาติ (เช่นเดียวกับพลังงาน) ของสถานะการเปลี่ยนแปลง

เนื่องจาก ปฏิกิริยาที่เร่งปฏิกิริยามีพลังงานกระตุ้นที่ต่ำกว่าปฏิกิริยาที่ไม่มีการเร่ง ปฏิกิริยาที่สอดคล้องกัน จึงส่งผลให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาสูงขึ้น ที่ความดัน และอุณหภูมิเท่ากัน และสำหรับความเข้มข้นของสารตั้งต้นที่เท่ากัน

ในขณะที่ตัวเร่งปฏิกิริยา ทำปฏิกิริยา เพื่อการสร้างตัวกลางชั่วคราวนั้น ตัวเร่งปฏิกิริยา จะไม่เปลี่ยนขอบเขต หรือสมดุลทางเคมีของปฏิกิริยา (เพราะจะส่งผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้า และย้อนกลับ)

2. ตัวเร่งปฏิกิริยามีกี่ประเภท

ตัวเร่งปฏิกิริยาแบ่งออกเป็น 4 ประเภท โดยประเภทต่าง ๆ จะใช้ตามความต้องการของปฏิกิริยาเคมี ที่ใช้กันมากที่สุด คือ

2.1 ตัวเร่งปฏิกิริยาเชิงบวก

ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นบวก จะเพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี โดยลดระดับอุปสรรคพลังงานกระตุ้น เนื่องจาก ทำให้โมเลกุลของปฏิกิริยาจำนวนมากเปลี่ยนเป็นผลิตภัณฑ์ได้ เปอร์เซ็นต์ของผลผลิตจึงเพิ่มขึ้นอย่างมาก

2.2 ตัวเร่งปฏิกิริยาเชิงลบ

ตัวเร่งปฏิกิริยาเชิงลบ จะลดอัตราการเกิดปฏิกิริยา โดยการเพิ่มสิ่งกีดขวางพลังงานกระตุ้น ซึ่งท้ายที่สุดแล้ว ส่งผลให้โมเลกุลของสารตั้งต้น แปลงเป็นผลิตภัณฑ์ที่น้อยลง (2 H 2 O 2  → 2 H 2 O  +  O 2)

ตัวอย่างเช่น Acetanilide ลดอัตราการสลายตัวของไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ ( H 2 O 2 ) ลงในน้ำ และออกซิเจน 

ในกรณีนี้ acetanilide ทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาเชิงลบ โดยชะลอการสลายตัวของสารละลายไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ของร้านขายยา ยับยั้งปฏิกิริยา ซึ่งถูกเร่งด้วยความร้อน แสง และสิ่งสกปรก

2.3 โปรโมเตอร์

โปรโมเตอร์ เป็นสารที่เพิ่มผลของตัวเร่งปฏิกิริยา โดยตัวมันเอง ซึ่งโปรโมเตอร์มีผลเร่งปฏิกิริยาเพียงเล็กน้อย หรือไม่มีเลย พวกเขาสามารถแบ่งออกเป็น 2 กลุ่ม ตามวัตถุประสงค์ ได้แก้

1) สิ่งที่อำนวยความสะดวกในปฏิกิริยาเฉพาะ โดยการเพิ่มกิจกรรมของตัวเร่งปฏิกิริยา

2) กระบวนการที่ยับยั้งกระบวนการที่ไม่ต้องการโดยการเพิ่มความสามารถในการคัดเลือกของตัวเร่งปฏิกิริยา

ตัวอย่างเช่น ในกระบวนการ Haber–Bosch (ซึ่งเป็นขั้นตอนทางอุตสาหกรรมหลักสำหรับการผลิตแอมโมเนีย) ร่องรอยของโมลิบดีนัม หรือส่วนผสมของโพแทสเซียม และอะลูมิเนียมออกไซด์ทำหน้าที่เป็นโปรโมเตอร์

2.4 สารยับยั้งตัวเร่งปฏิกิริยาหรือสารพิษ

สารยับยั้งลดอัตราการเกิดปฏิกิริยา แต่ไม่ได้แนะนำเส้นทางปฏิกิริยาที่มีพลังงานกระตุ้นที่สูงขึ้น แต่พวกมันกำจัดตัวกลางของปฏิกิริยา เช่น อนุมูลอิสระ หรือพวกมันปิดการใช้งานตัวเร่งปฏิกิริยา

สารยับยั้งส่วนใหญ่ จะทำงานโดยการเลือกพิษเฉพาะบางชนิดของสารออกฤทธิ์ หรือโดยการปรับเปลี่ยนรูปทรงของพื้นผิว ตัวอย่างเช่น ในเครื่องฟอกไอเสียเชิงเร่งปฏิกิริยาสำหรับรถยนต์ ตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะมีตระกูล จะเป็นพิษด้วยตะกั่ว

3. ประเภทของกระบวนการเร่งปฏิกิริยาและหลักการทำงาน

กระบวนการเร่งปฏิกิริยาเคมีผ่านตัวเร่งปฏิกิริยา เรียกว่า ตัวเร่งปฏิกิริยา ซึ่งกระบวนการนี้ สามารถแบ่งออกเป็นประเภทต่าง ๆ ตามสถานะทางกายภาพ และธรรมชาติของสารที่ใช้ในปฏิกิริยาเคมี

ตัวเร่งปฏิกิริยาต่างกัน : ในขั้นตอนนี้ เฟสของตัวเร่งปฏิกิริย าจะแตกต่างจากของสารตั้งต้น หรือผลิตภัณฑ์ เฟสแยกความแตกต่างระหว่างส่วนประกอบที่ไม่ใช่ก๊าซ ของเหลว และของแข็งเท่านั้น แต่ยังรวมถึงส่วนผสมที่เข้ากันไม่ได้ เช่น น้ำ และน้ำมัน

โดยทั่วไป ตัวเร่งปฏิกิริยาต่างกันเกี่ยวข้องกับตัวทำปฏิกิริยาในเฟสแก๊ส และตัวเร่งปฏิกิริยาแบบโซลิดเฟส เป็นกระบวนการที่สำคัญมาก เนื่องจาก ช่วยให้สามารถผลิตได้ในขนาดใหญ่ และรวดเร็วขึ้น รวมถึงการคัดเลือกผลิตภัณฑ์

ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกัน : หมายถึง ปฏิกิริยาที่ตัวเร่งปฏิกิริยาอยู่ในเฟสเดียวกับสารตั้งต้น โดยทั่วไป ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกันจะละลายในตัวทำละลายกับพื้นผิว

แม้ว่าพวกมันจะมีความคงตัวทางความร้อนจำกัด แต่ก็เลือกได้มากกว่าตัวเร่งปฏิกิริยาที่ต่างกัน เอนไซม์เป็นตัวอย่างที่ดีของตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกัน : จำเป็นสำหรับชีวิตและควบคุมสำหรับกระบวนการทางอุตสาหกรรมต่าง ๆ

Autocatalysis : ในปฏิกิริยา autocatalytic ไม่มีการเติมตัวเร่งปฏิกิริยาเฉพาะ แต่ผลิตภัณฑ์ตัวใดตัวหนึ่ง ทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา และเร่งปฏิกิริยา ซึ่งหมายความว่า ปฏิกิริยาจะเร่งตัวเอง หรือถูกเร่งโดยอัตโนมัติ

ตัวเร่งปฏิกิริยาคืออะไร

Credit

อ่านบทความน่าสนใจเพิ่มเติม