ทิศทางการชนกันของอนุภาคและพลังงานที่ส่งผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี

เราสามารถอธิบายทฤษฎีการชน ได้ดังนี้

การชนกันของอนุภาคต้องมีทิศทางที่เหมาะสม ปฏิกิริยาเคมีจะเกิดขึ้นได้เริ่มจากอนุภาคของสารเข้าชนกัน นอกจากอนุภาคของสารจะชนกันแล้ว อนุภาคที่ชนกันนั้นต้องชนกันด้วยทิศทางที่เหมาะสม ส่งเสริมให้เกิดการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างทางเคมีของสารตั้งต้น ไปเป็นโครงสร้างของผลิตภัณฑ์  

เช่น   

ปฏิกิริยาการสลายตัวของแก๊สไนโตรซิลคลอไรด์ (NOCl)  เกิดผลิตภัณฑ์เป็นแก๊สไนโตรเจนมอนอกไซด์ (NO) และแก๊สคลอรีน (Cl₂) เราสามารถเขียนภาพอธิบายทฤษฎีการชน

ได้ดังนี้

รูปที่ 1 การเปรียบเทียบทิศทางการชนกันของโมเลกุลแก๊สไนโตรซิลคลอไรด์เพื่อผลิตแก๊สคลอรีน และแก๊สไนโตรเจนมอนอกไซด์

พลังงานก่อกัมมันต์ แม้ว่าอนุภาคของสารตั้งต้นจะชนกันในทิศทางที่เหมาะสม พลังงานรวมที่เกิดจากการชนกันต้องมีปริมาณอย่างน้อยที่สุดเท่ากับพลังงานอย่างต่ำที่สารตั้งต้นจะเกิดการเปลี่ยนแปลงเป็นผลิตภัณฑ์ เรียกพลังงานจำนวนนี้ว่า “พลังงานก่อกัมมันต์ (activation energy)” ใช้สัญลักษณ์ย่อเป็น E_a  ดังแสดงในรูปที่ 2

อีกแนวคิดหนึ่งอธิบายว่า การเกิดปฏิกิริยาเคมีเป็นการเข้าทำปฏิกิริยาของสารตั้งต้นแล้วเกิดการเปลี่ยนแปลงเป็นผลิตภัณฑ์ โดยในระหว่างการเปลี่ยนแปลงอนุภาคสารตั้งต้นเป็นผลิตภัณฑ์

จะเกิด “สารเชิงซ้อนกัมมันต์” ขึ้น ซึ่งเป็นสารที่ไม่เสถียร เป็นสภาวะที่มีพลังงานสูงมาก

สภาวะดังกล่าวนี้ เรียกว่า “สภาวะแทรนซิชัน” เกิดขึ้นเพียงชั่วขณะ แล้วสลายให้สารผลิตภัณฑ์ ดังแสดงในรูปที่ 2 พลังงานของสภาวะแทรนซิชันมีค่าประมาณพลังงานก่อกัมมันต์

ดังนั้น พลังงานก่อกัมมันต์ จึงเป็นผลต่างของพลังงานของสารเชิงซ้อนกัมมันต์ กับผลรวมของสารตั้งต้น นั่นเอง

รูปที่ 2 พลังงานก่อกัมมันต์ และสารเชิงซ้อนกัมมันต์ ของปฏิกิริยาการสลายตัวของแก๊ส ไนโตรซิลคลอไรด์

การเกิดปฏิกิริยาเคมี จะมีพลังงานเข้ามาเกี่ยวข้องด้วย เนื่องจากมีการสลายพันธะระหว่างอะตอมของสารตั้งต้น และการสร้างพันธะระหว่างอะตอมเพื่อเปลี่ยนแปลงเป็นผลิตภัณฑ์

หากพลังงานรวมของการสลายพันธะ (ดูดพลังงานจากสิ่งแวดล้อมมาใช้ในการทำลายพันธะของสารตั้งต้น) มากกว่าพลังงานรวมของการเกิดพันธะ (คายพลังงานเพื่อสร้างพันธะเกิดเป็นผลิตภัณฑ์) พลังงานรวมของปฏิกิริยาเคมีจะเป็นบวก เรียกว่า ปฏิกิริยาดูดความร้อน (endothermic reaction)

ในทางตรงข้าม หากพลังงานรวมของการสลายพันธะน้อยกว่าพลังงานรวมของการเกิดพันธะ พลังงานรวมของปฏิกิริยาเคมีจะเป็นลบ เรียกว่า ปฏิกิริยาคายความร้อน (exothermic reaction)

กราฟเปรียบเทียบการเกิดปฏิกิริยาทั้งสองประเภท แสดงในรูปที่ 3

รูปที่ 3 กราฟแสดงการเกิดปฏิกิริยา: ก) คายความร้อน และ ข) ปฏิกิริยาดูดความร้อน

พลังงานของปฏิกิริยาคำนวณได้จากผลต่างของพลังงานของสารตั้งต้น (E₁) กับพลังงานของสารผลิตภัณฑ์ (E₃); E = E₃ – E₁

ถ้าพลังงานของปฏิกิริยา E มีค่าเป็นลบ แสดงว่า เป็นปฏิกิริยาคายความร้อน

ถ้าพลังงานของปฏิกิริยา E มีค่าเป็นบวก แสดงว่า เป็นปฏิกิริยาดูดความร้อน