การเร่งปฏิกิริยา

การเร่งปฏิกิริยา (อังกฤษ: Catalysis) คือ การทำให้ปฏิกิริยาเกิดเร็วขึ้น โดยการใส่วัตถุที่ทำให้ปฏิกิริยาเปลี่ยนแปลงความเร็วเรียกว่า ตัวเร่ง ซึ่งการเร่งปฏิกิรยาจะไม่มีผลต่อผลิตภัณฑ์เมื่อสิ้นสุดปฏิกิริยา มีทั้งตัวเร่งปฏิกิริยาทางเคมี เช่น โลหะ และตัวเร่งปฏิกิริยาทางชีวภาพ เช่น เอนไซม์

ประวัติ

ในปี ค.ศ. 1835 เยินส์ ยาคอบ แบร์ซีเลียส (Jon Jacob Berzelius) (บางคนจะรู้จักกันในชื่อ โจนส์ ยาคอบ เบอร์ซิเลียส) เสนอคำว่า ตัวเร่งปฏิกิริยาขึ้นมา โดยให้ความหมายของตัวเร่งปฏิกิริยาว่าเป็นสารที่เติมลงไปในปฏิกิริยาที่ไม่เกิดขึ้นแล้วทำให้ปฏิกิริยานั้นเกิดขึ้นได้ ต่อมาสวาลต์เห็นว่าตัวเร่งปฏิกิริยามีบทบาทต่ออัตราเร็วของปฏิกิริยา จึงเสนอนิยามของตัวเร่งปฏิกิริยาใหม่ว่าเป็นสารที่เปลี่ยนอัตราเร็วของปฏิกิริยาโดยตัวมันเองไม่เปลี่ยนแปลง และจะได้กลับคืนเมื่อปฏิกิริยาสิ้นสุด นอกจากนี้เขายังเสนอว่าตัวเร่งปฏิกิริยาเปลี่ยนอัตราเร็วของปฏิกิริยาโดยไม่มีผลกระทบกระเทือนต่อตำแหน่งของสมดุล เพราะตัวเร่งปฏิกิริยาจะเร่งปฏิกิริยาไปข้างหน้าและปฏิกิริยาย้อนกลับด้วยอัตราเร็วเท่ากัน เช่น Ni และ Pt เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาการขจัดไฮโดรเจน (dehydrogenation) ที่ดี

เปรียบเทียบระหว่างพลังงานก่อกัมมันต์ของปฏิกิริยาที่มีตัวเร่งปฏิกิริยากับไม่มีตัวเร่งปฏิกิริยา

ชนิด

ตัวเร่งปฏิกิริยาเอกพันธุ์

ตัวเร่งปฏิกิริยาเอกพันธุ์เป็นตัวเร่งที่มีสถานะเดียวกันกับตัวทำปฏิกิริยา แต่กลไกในการเร่งแตกต่างกันกับตัวเร่งปฏิกิริยาวิวิธพันธุ์ (Homogeneous catalyst) โดยปกติตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีเนื้อเดียวกัน จะเกิดการละลายในตัวทำละลายที่เหมาะสม ตัวอย่างหนึ่งของตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีเนื้อสารเดียวกันกับตัวทำละลายคือ ไอออนไฮโดรเจน (H⁺) ในเอสเทอร์ของกรดคาร์โบซีลิก เช่นการทำปฏิกิรยาที่ทำให้เกิดเมทิลอะซีเตต จากกรดแอซีติกและเมทานอล

ตัวเร่งปฏิกิริยาวิวิธพันธุ์

การเร่งปฏิกิริยาที่สารตั้งต้นและตัวเร่งมีวัฏภาคต่างกัน เรียกว่า การเร่งปฏิกิริยาวิวิธพันธุ์ (heterogeneous catalysis) ปฏิกิริยาวิวิธพันธุ์ส่วนใหญ่นิยมใช้ตัวเร่งที่เป็นของแข็งในการเร่งปฏิกิริยาที่มีสารตั้งต้นที่อยู่ในวัฏภาคแก๊สหรือของเหลว ซึ่งจะเกิดปฏิกิริยากันที่ผิวของตัวปฏิกิริยาที่สำคัญ ๆ ในอุตสาหกรรมผลิตสารเคมีจะใช้การเร่งปฏิกิริยาวิวิธพันธุ์ เช่น การสังเคราะห์แอมโมเนีย การผลิตกรดไนตริก และการผลิตตัวเร่งกำจัดไอเสีย เป็นต้น

ตัวเร่งปฏิกิริยาเอนไซม์

ในการเกิดปฏิกิริยาใด ๆ ก็ตาม ต้องอาศัยพลังงานจำนวนหนึ่งเพื่อกระตุ้นให้สารเข้าสู่สภาพเปลี่ยน (Transition state) พลังงานที่เพิ่มเข้าไปนี้เรียกว่า พลังงานกระตุ้น (Activation energy) ซึ่งปฏิกิริยาเคมีทุกชนิดจะต้องผ่านสภาพเปลี่ยนนี้ก่อนที่จะเปลี่ยนไปเป็นผลิตผลของปฏิกิริยา การที่เอนไซม์สามารถเร่งปฏิกิริยาให้เกิดได้เร็วขึ้นเนื่องจาก เอนไซม์จะไปลดระดับพลังงานที่ใช้ในการกระตุ้นให้สารอยู่ในสภาพเปลี่ยน ทาให้สารที่ทาปฏิกิริยาขึ้นไปอยู่ในสภาพเปลี่ยนได้ง่ายขึ้น โอกาสที่จะได้ผลิตผลของปฏิกิริยาจึงมีมากกว่าปฏิกิริยาที่ไม่มีตัวเร่ง แต่พลังงานของปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นจะไม่เปลี่ยนแปลง

ประโยชน์

ตัวเร่งปฏิกิริยามีประโยชน์มากทั้งในชีวิตประจำวันและในกระบวนการอุตสาหกรรม เช่น การย่อยอาหารในร่างกายใช้เอนไซม์หลายชนิดเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา การผลิตแอมโมเนียเหล็กเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ในกระบวนการเติมไฮโดรเจนแก่สารอินทรีย์ใช้นิกเกิลเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา และในกระบวนการแตกสลายไฮโดรคาร์บอนในการกลั่นน้ำมันใช้ซิลิคอนไดออกไซด์และอะลูมิเนียมออกไซด์เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อช่วยให้ปฏิกิริยาเกิดเร็วขึ้นต้องคำนึงถึงปัจจัยหลายอย่าง เช่น ความปลอดภัย ความยากง่ายในการแยกตัวเร่งปฏิกิริยาออกจากผลิตภัณฑ์ และราคาของตัวเร่งปฏิกิริยา

ดูเพิ่ม

• เอนไซม์