ตัวเร่งปฏิกิริยามีกี่ประเภท

ในปี 1662 นักวิทยาศาสตร์ชาวไอริชชื่อ Robert Boyle ได้พบกฎของ Boyle ซึ่งแถลงว่า ถ้าให้อุณหภูมิของแก๊สมีค่าคงตัว การลดปริมาตรของแก๊สจะทำให้ความดันของแก๊สเพิ่ม ในการอธิบายสาเหตุนี้ นักเคมีในเวลาต่อมาได้ใช้แบบจำลองของแก๊สที่กำหนดให้แก๊สประกอบด้วยอนุภาคจำนวนมากมาย ดังนั้นการควบคุมให้ปริมาตรของแก๊สลดลงจึงทำให้อนุภาคต่างๆ อยู่ใกล้กันมากขึ้น และสามารถพุ่งชนผนังของภาชนะที่ใช้บรรจุแก๊สได้บ่อยขึ้น แรงกระทำที่ผนังหรือความดันแก๊สจึงเพิ่มตาม ดังที่ Boyle สังเกตเห็น

ลุถึงปี 1803 นักเคมีชาวอังกฤษชื่อ John Dalton ได้แสดงให้เห็นว่า ปฏิกิริยาเคมีระหว่างแก๊สจะเกิดขึ้นในสัดส่วนที่คงตัว สมมติฐานนี้มีความสำคัญตรงที่ได้วางรากฐานของทฤษฎีอะตอมในปัจจุบัน

การทดลองเคมีในเวลาต่อมาแสดงให้เห็นว่า ปฏิกิริยาเคมีบางปฏิกิริยาสามารถเกิดขึ้นเร็ว แต่บ้างก็ช้า และโดยทั่วไปมักใช้เวลาในการดำเนินการไม่เท่ากัน เช่น methane สามารถติดไฟได้ง่ายและเร็ว กว่าเวลาที่เหล็กใช้ในการเป็นสนิม

ในช่วงปลายคริสต์ศตวรรษที่ 19 นักเคมีชาวเนเทอร์แลนด์ชื่อ Jacobus van’t Hoff ได้ตั้งทฤษฎีขึ้นมาอธิบายความแตกต่างนี้ และผลงานของ van’t Hoff ก็ได้เป็นรากฐานของวิชาเคมีฟิสิคัลมาจนทุกวันนี้ว่า ปฏิกิริยาเคมีจะเกิด เวลาอะตอมของสารคู่กรณีพุ่งเข้าหากันด้วยพลังงานจลน์ที่มากพอจะทำให้มันรวมกันได้ ถ้าจำนวนอะตอมในหนึ่งหน่วยปริมาตรมีมาก คือ สารที่ใช้มีความเข้มข้นมาก โอกาสการเกิดปฏิกิริยาก็จะสูง ในกรณีของแก๊สที่อยู่ภายใต้ความดันสูง อะตอมของแก๊สจะถูกบังคับให้อยู่ใกล้กัน ดังนั้นโอกาสการเกิดปฏิกิริยาเคมีจะมีมาก ขนาดของอะตอมที่ทำปฏิกิริยาก็มีบทบาทในการควบคุมความเร็วของการเกิดปฏิกิริยาสำหรับในกรณีของแข็งนั้น อะตอมที่มีขนาดเล็กจะทำปฏิกิริยากันได้เร็วกว่าอะตอมที่มีขนาดใหญ่ เพราะอะตอมเล็กมีพื้นที่ผิวทั้งหมดมากกว่าอะตอมใหญ่ ดังนั้นโอกาสการเกิดปฏิกิริยาเคมีจึงมีมากกว่า

ตามปกติ นักเคมีมีวิธีวัดอัตราเร็วของปฏิกิริยาเคมีหลายวิธี เช่น พิจารณาดูในช่วงเวลาที่กำหนดว่า ตัวทำปฏิกิริยาได้ถูกใช้ไปมากน้อยเพียงใด หรือผลิตผลเกิดขึ้นในอัตราเร็วหรือช้าเพียงใด และโดยทั่วไปอุณหภูมิมีบทบาทมากในการควบคุมอัตราการเกิดปฏิกิริยา ดังนั้นในปี 1877 นักฟิสิกส์ทฤษฎีชาวออสเตรียชื่อ Ludwig Boltzmann จึงได้เสนอคำอธิบายว่า เวลาอุณหภูมิของระบบเพิ่ม อนุภาค (อะตอมและโมเลกุล) จะมีพลังงานจลน์มากขึ้น จึงเคลื่อนที่เร็วขึ้น การปะทะระหว่างอนุภาคจึงเกิดขึ้นบ่อย และรุนแรงขึ้น อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีจึงเพิ่มตาม

แสงก็เป็นอีกปัจจัยหนึ่งที่มีบทบาทมากในการควบคุมอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี เพราะเวลาอนุภาค (อะตอม และโมเลกุล) ได้รับแสง และดูดกลืนแสงเข้าไป มันจะมีพลังงานจลน์มากขึ้น จึงเคลื่อนที่เร็วขึ้น อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีจึงมากตาม

ในปี 1889 นักเคมีชาวสวีเดนชื่อ Svante Arrhenius ได้ตั้งทฤษฎีที่กำกับ การให้อนุภาคต่างๆ ทำปฏิกิริยาเคมีกันว่า อนุภาคจะต้องมีพลังงานอย่างต่ำค่าหนึ่งซึ่งเรียก activation energy ถ้าอนุภาคมีพลังงานน้อยกว่าค่าดังกล่าวนี้ ปฏิกิริยาเคมีจะไม่เกิดขึ้นอย่างแน่นอน

ในปี 1900 นักเคมีชาวฝรั่งเศส-อิตาเลียนชื่อ Henry Louis Le Chatellier ได้เสนอกฎสมดุล (equilibrium law) ซึ่งมีประโยชน์ ในวงการอุตสาหกรรมเคมี ซึ่งใช้กฎนี้ในการพยากรณ์อิทธิพลของความดันและอุณหภูมิที่มีต่อการเกิดปฏิกิริยา

ด้าน Wilhelm Ostwald ซึ่งเป็นนักเคมีชาว Latvian ก็ได้พบว่า เวลาผลิตกรด nitric จาก ammonia การมีโลหะอยู่ด้วยในหลอดทดลองจะสามารถช่วยให้ปฏิกิริยาเกิดได้เร็ว โดยที่ตัวโลหะไม่มีการเปลี่ยนแปลงใดๆ อีก 50 ปีต่อมานักเคมีชาวสวีเดนชื่อ Jons Berzelius ได้เรียกชื่อสารที่ช่วยเร่งปฏิกิริยาเคมีว่า catalyst และอธิบายว่า มันสามารถนำอะตอม (โมเลกุล) ให้เข้ามาใกล้ขึ้น ทำให้พลังงาน activation มีค่าน้อยลง ปฏิกิริยาเคมีจึงเกิดได้ง่าย และถ้าไม่มีตัวเร่งปฏิกิริยา กว่าปฏิกิริยาเคมีจะเกิด นักเคมีอาจต้องคอยนานหลายปี

เพราะตัวเร่งปฏิกิริยามีความสำคัญ ดังนั้น นักประวัติศาสตร์เคมีจึงใคร่รู้ว่า บุคคลใดเป็นคนแรกที่พบองค์ความรู้นี้ และพบว่าเธอชื่อ Elizabeth Fulhame เพราะในตำราชื่อ “An Essay on Combustion” ที่เธอเขียนในปี 1794 เธอได้บรรยายว่า เวลาถ่านหิน และถ่านไม้ถูกน้ำพรมให้ชื้นเล็กน้อย การลุกไหม้จะเกิดขึ้นได้ดีและเร็ว เพราะน้ำได้แยกตัวเป็นไฮโดรเจน และออกซิเจนเข้าทำปฏิกิริยากับถ่าน ในบทสรุปของการทดลองนั้น Fulhame ได้ตบท้ายว่า หลังการเผาไหม้ ปริมาณน้ำที่ใช้ทั้งก่อนและหลังการลุกไหม้ ไม่มีการเปลี่ยนแปลง

การสรุปเช่นนี้ทำให้นักประวัติวิทยาศาสตร์เคมีลงความเห็นว่า Fulhame เป็นนักเคมีคนแรกที่รู้เรื่องตัวเร่งปฏิกิริยาว่า เป็นสารที่สามารถช่วยให้ปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้นได้เร็ว โดยที่ตัวเร่งไม่มีการเปลี่ยนแปลงใดๆ

ในปี 1909 นักเคมีชาวเยอรมัน 2 คนชื่อ Fritz Haber กับ Carl Bosch ได้พบว่า ถ้านำแก๊สไนโตรเจนและไฮโดรเจนมารวมกันที่ความดัน 200 บรรยากาศ และทำให้แก๊สผสมมีอุณหภูมิระหว่าง 300 ถึง 550 องศาเซลเซียส แก๊สทั้งสองจะทำปฏิกิริยาเคมีกันอย่างรวดเร็วให้แอมโมเนีย ถ้ามีการใช้เหล็กเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ถึงแม้ปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นจะไม่สมบูรณ์ 100% (ประมาณ 98%) แต่แก๊สที่เหลืออยู่ ก็สามารถนำมาใช้ต่อได้อีก การค้นพบของ Haber และ Bosch นับว่ามีความสำคัญมาก เพราะทำให้มนุษย์สามารถนำแอมโมเนียที่ผลิตได้ในระดับอุตสาหกรรมมาใช้ทำปุ๋ย จึงช่วยให้มนุษย์มีอาหารบริโภคอย่างเพียงพอ เป็นการลดภัยพิบัติจากความอดอยากของมนุษย์ ดังนั้น การนำไนโตรเจนที่มีในอากาศอย่างบริบูรณ์ แต่ไม่ชอบทำปฏิกิริยาเคมีกับสารใดๆ มาใช้ให้เป็นประโยชน์ ทำให้ Haber ได้รับรางวัลโนเบลเคมีปี 1918

จากวันนั้นจนกระทั่งถึงวันนี้ วงการอุตสาหกรรมเคมีประมาณ 90% ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาในการผลิตเชื้อเพลิง ใยสังเคราะห์ พลาสติก สารเคมี ยา ปุ๋ย ดินระเบิด ฯลฯ มากเสียจนทำให้ทุกคนตระหนักว่า ตัวเร่งปฏิกิริยาเป็นปัจจัยสำคัญที่มนุษย์จำเป็นต้องมีในการดำรงชีวิต และความสำคัญนี้จะเห็นได้ชัดจากผลงานเรื่องตัวเร่งปฏิกิริยาที่ทำให้ผู้วิจัยได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีมาแล้วไม่น้อยกว่า 18 คน ดังเช่น

J.H. van’t Hoff ชาวเนเทอร์แลนด์ ประจำปี 1901
S.A. Arrhenius ชาวสวีเดน ประจำปี 1903
W. Ostwald ชาวเยอรมัน ประจำปี 1909
F. Haber ชาวเยอรมัน ประจำปี 1918
C. Bosch + Friedrich Bergius ชาวเยอรมัน ประจำปี 1931
C.N. Hinshelwood ชาวอังกฤษ ประจำปี 1956
N.N. Semenov ชาวรัสเซีย ประจำปี 1956
M. Eigen ชาวเยอรมัน ประจำปี 1967
R.G.W. Norrish และ G. Porter ชาวอังกฤษ ประจำปี 1967
H. Taube ชาวอเมริกัน ประจำปี 1983
D.R. Herschbach ชาวอเมริกัน ประจำปี 1986
Y.T. Lee ชาวอเมริกัน-ไต้หวัน ประจำปี 1986
J.C. Polanyi ชาวแคนาดา-ฮังการี ประจำปี 1986
Ei-ichi Negishi, Akira Suzuki
และ Richard Heck ชาวญี่ปุ่นและชาวอังกฤษ ประจำปี 2010

เมื่อศักยภาพและคุณประโยชน์ของตัวเร่งปฏิกิริยามีมากเช่นนี้ นักเคมีทั่วโลกจึงได้ทุ่มเทวิจัยเรื่องตัวเร่งปฏิกิริยา โดยพยายามสร้างโมเลกุลที่มีขนาดเล็กและมีโครงสร้างพอเหมาะ เพื่อให้ปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้นเร็ว บางคนใช้เทคโนโลยีนาโนสร้างตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีขนาดเล็กระดับอะตอม บางคนสนใจการเร่งปฏิกิริยาเคมีด้วยแสง หรือแม้แต่ DNA ก็ได้ถูกนำมาใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ด้านนักเคมีทฤษฎีก็สนใจการค้นหาตัวเร่งปฏิกิริยาที่ดี และใช้คอมพิวเตอร์สร้างสถานการณ์จำลองขึ้นมา โดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาเป็นเส้นทางลัดให้สาร A เปลี่ยนไปเป็นสาร B ได้อย่างรวดเร็ว โดยไม่ต้องให้ A เปลี่ยนเป็น C ก่อน แล้วเป็น D … ต่อไปเรื่อยๆ จนในที่สุดได้ B ซึ่งต้องใช้เวลานาน นั่นคือ นักเคมีพยายามหาตัวเร่งปฏิกิริยามาทำหน้าที่เป็นรูหนอนที่เชื่อมต่อโดยตรงระหว่างหลุมดำ A กับหลุมดำ B

ตัวเร่งปฏิกิริยาที่นิยมใช้ในวงการอุตสาหกรรมมากชนิดหนึ่ง ได้แก่ ไอออนโลหะที่ทำหน้าที่สร้าง หรือทำลายพันธะเคมีซึ่งเชื่อมต่อระหว่างกลุ่มอะตอมคาร์บอน และโลหะที่ใช้ได้แก่ palladium, platinum, ruthenium กับ iridium ซึ่งตามปกติมีราคาแพง ดังนั้น จึงมีความพยายามจะใช้โลหะที่มีราคาถูกกว่า เช่น เหล็ก นิกเกิล หรือทองแดงแทน

นิกเกิลเป็นโลหะที่น่าสนใจ เพราะมีสมบัติทางเคมีเหมือน palladium และอยู่ในสะดมน์เดียวกันในตารางธาตุ ในการทดลองของกลุ่มวิจัยที่ Swiss Federal Institute of Technology ที่เมือง Lausanne ประเทศสวิสเซอร์แลนด์ นักวิจัยได้ใช้สารประกอบเชิงซ้อนที่ประกอบด้วยไออนของนิกเกิลที่มี ligand ล้อมรอบ และถูกยึดโยงด้วยพันธะ 3 พันธะ ในขณะที่พันธะที่ 4 ปลายถูกปล่อยเปิดให้ตัวเร่งปฏิกิริยาเข้ามาประกบ เพราะรัศมีของไอออนนิกเกิลสั้นกว่าของไอออน palladium ประมาณ 20% ดังนั้นนักวิจัยจึงได้พยายามลดขนาดของ ligand ลง ให้พอเหมาะกับไอออนนิกเกิล และพบว่าเขาสามารถทำได้โดยการแทนอะตอมฟอสฟอรัสใน ligand ด้วยอะตอมไนโตรเจนที่มีขนาดเล็กกว่า

ผลที่ตามมาคือได้ ligand ที่มีไอออนนิกเกิลที่เสถียร จึงสามารถนำไปใช้ทำปฏิกิริยาเคมีต่างๆ ได้มากมาย

zeolite เป็นผลึกของ aluminosilicate ที่นักเคมีนิยมใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาเคมีอีกชนิดหนึ่งในอุตสาหกรรมปิโตรเคมี เพราะเป็นโมเลกุลที่มีรูพรุน เป็นที่ว่างให้ตัวทำปฏิกิริยาเข้าไปอยู่ภายในเป็นการเปิดโอกาสให้มันเข้าทำปฏิกิริยาเคมีกันได้ดี รูพรุนอาจมีขนาดตั้งแต่ 0.3 ถึง 2.0 นาโนเมตร

ตามปกติไม่มีใครรู้ว่า zeolite ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการทำให้เกิดปฏิกิริยาเคมีมีโครงสร้างรูปแบบใด ดังนั้น จึงต้องใช้วิธีลองผิดลองถูกในการสร้าง นั่นหมายความว่า นักเคมีต้องใช้เวลาหา และสิ้นเปลืองเงินทองมาก

ในปัจจุบัน นักเคมีทั่วโลกกำลังวิจัยหาวิธีเพิ่มประสิทธิภาพของตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อให้ปฏิกิริยาเคมีดำเนินไปในทิศทางที่ต้องการ ลดขั้นตอนต่างๆ ที่ไม่พึงประสงค์ ลดปริมาณขยะที่เป็นของเสียที่ได้จากการสังเคราะห์สสาร ให้ได้ปฏิกิริยาเคมีที่ใช้พลังงานไม่มากอย่างคุ้มค่า พูดง่ายๆ คือ พยายามสร้างตัวเร่งปฏิกิริยาที่ทำงานได้มาก ด้วยทุนที่น้อยเพื่อลดภัยโลกร้อน และให้สิ่งแวดล้อมคงสภาพที่ดีอย่างยั่งยืน

ตัวเร่งปฏิกิริยาจึงเป็นปัจจัยสำคัญในการทำให้เคมีเป็นวิทยาศาสตร์ที่สะอาด ที่สามารถปลดปล่อยพลังงานออกมาจากแหล่งพลังงานที่ไม่ใช่ถ่านหิน น้ำมัน หรือแก๊สได้มาก และสะอาดในเวลาเดียวกันด้วย

อ่านเพิ่มเติมจาก Chemical Kinetics and Catalysis โดย Richard I. Masel จัดพิมพ์โดย Wiley – Interscience, New York ปี 2001

เกี่ยวกับผู้เขียน

สุทัศน์ ยกส้าน
ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย

อ่านบทความ สุทัศน์ ยกส้าน ได้ทุกวันศุกร์