ข้อ ใด ไม่ใช่ สมบัติ ของตัวเร่งปฏิกิริยาเคมี

โลกร้อน!  น้ำมันแพง! ค่าแรงถูก!

ปัญหาเหล่านี้ (อาจ) มี catalyst เป็นคำตอบ!

“Catalyst” หรือ “ตัวเร่งปฏิกิริยา” มีความหมายตรงตัวคือ เป็นสิ่งที่ช่วยเร่งปฏิกิริยาให้เกิดเร็วขึ้น ปฏิกิริยาเคมีทั้งหลายที่มีความสำคัญต่อชีวิต หากไม่มีตัวเร่งปฏิกิริยามักจะไม่สามารถเกิดได้เองตามธรรมชาติ หรือเกิดได้อย่างเชื่องช้า และใช้เวลานานนับเดือนหรือนับปีกว่าที่เราจะได้ผลิตภัณฑ์ในปริมาณที่ต้องการ กระบวนการทางเคมีที่เรียกว่า “Catalysis” หรือ “การเร่งปฏิกิริยา” จึงมีความจำเป็นอย่างยิ่ง เพราะมันทำหน้าที่เปลี่ยนกลไกในการเกิดปฏิกิริยา ซึ่งนำไปสู่การลดพลังงานในการเกิดปฏิกิริยาจึงสามารถเร่งปฏิกิริยาให้เร็วขึ้นได้ อาจกล่าวได้ว่าตัวเร่งปฏิกิริยานั้นเปรียบเสมือนเครื่องทุ่นแรง ทำให้สารเคมีเกิดการแตกตัวและรวมตัวขึ้นเป็นสารเคมีชนิดใหม่ได้ง่ายขึ้นอย่างมาก

ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับชีวิตประจำวันของคนเรามีหลากหลาย ตั้งแต่เอ็นไซม์สารพัดชนิดในร่างกาย ซึ่งจัดเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาทางชีวภาพ หรือตัวเร่งปฏิกิริยากลุ่มโลหะที่ใช้อย่างหลากหลายในอุตสาหกรรม เช่น โลหะแพลตินัมในเครื่องฟอกไอเสียในรถยนต์ (catalytic converter) ที่ทำหน้าที่กำจัดก๊าซพิษจากท่อไอเสีย ตัวเร่งปฏิกิริยานิเกิลที่ใช้ในกระบวนการผลิตก๊าซไฮโดรเจน จากปฏิกิริยาระหว่างก๊าซมีเทนและไอน้ำ (ปฏิกิริยา steam reforming) ซึ่งมีความสำคัญยิ่งต่อกระบวนการผลิตสารเคมีและเชื้อเพลิง หรือตัวเร่งปฏิกิริยาเหล็ก ที่ใช้ในกระบวนการผลิตแอมโมเนียจากปฏิกิริยาระหว่างก๊าซไนโตรเจนในอากาศและก๊าซไฮโดรเจน (ปฏิกิริยา Haber–Bosch) อันเป็นสารตั้งต้นของปุ๋ยบำรุงพืช ซึ่งการค้นพบปฏิกิริยานี้ทำให้เราสามารถทำเกษตรกรรมขนาดใหญ่และผลิตอาหารเพียงพอเลี้ยงคนทั้งโลกได้

นอกจากตัวเร่งปฏิกิริยาทางชีวภาพและตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะที่ใช้ในชีวิตประจำวันแล้ว หลายคนอาจจะเคยได้ยินข่าวว่ารางวัลโนเบลสาขาเคมีปีล่าสุดนี้ (2021) ตกเป็นของนักเคมีอินทรีย์ Benjamin List ชาวเยอรมัน และ David W.C. MacMillan ชาวอเมริกัน สำหรับงานวิจัยเรื่องตัวเร่งปฏิกิริยาเคมีอินทรีย์แบบอสมมาตร (Asymmetric organocatalysis) ในการสังเคราะห์สารเคมีบางชนิด สารที่มีสูตรโครงสร้างเดียวกันอาจจะมีโครงสร้างที่สลับด้านกัน คล้ายมือซ้ายกับมือขวาของเราที่เป็นภาพสะท้อนของกันและกัน เราเรียกสารประเภทนี้ว่า Chiral molecule ซึ่งโมเลกุลเหล่านี้อาจจะมีคุณสมบัติที่ต่างกันโดยสิ้นเชิง (เช่น น้ำตาลกลูโคส มี 2 รูป ร่างกายเราย่อย D-glucose ได้ แต่ย่อย L-glucose ไม่ได้ เช่นนี้เป็นต้น) ตัวเร่งปฏิกิริยาเคมีอินทรีย์นี้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาประเภทที่ 3 ที่ไม่ใช่ทั้งเอ็นไซม์หรือโลหะ แต่เป็นสารเคมีอินทรีย์โมเลกุลเล็กๆ ที่มีโครงสร้างจำเพาะและมีความอสมมาตรในตัว จึงสามารถเร่งปฏิกิริยาอสมมาตรนี้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งมีประโยชน์มากสำหรับการสังเคราะห์สารเคมีที่ต้องการความจำเพาะสูง เช่น ยารักษาโรค

ว่าแต่… ตัวเร่งปฏิกิริยาจะช่วยแก้ปัญหาที่บอกไว้ข้างต้นได้อย่างไร?

ประเด็นโลกร้อน และน้ำมันแพง เป็นโจทย์ใหญ่ระดับโลกที่ต้องการความร่วมมือจากนานาชาติในการแก้ปัญหา การผลักดันงานวิจัยด้านตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อความยั่งยืนทางพลังงานและสิ่งแวดล้อมอาจจะเป็นหนึ่งในกลไกเชิงเทคโนโลยีที่จะช่วยแก้เหล่านี้ได้ เช่น การพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อเปลี่ยนของเสียทางเกษตรกรรมให้กลายเป็นเชื้อเพลิงชีวภาพ (bio-based fuel) หรือผลิตภัณฑ์มูลค่าสูง (bio-based fine chemicals) เพื่อทดแทนการใช้ปิโตรเลียม การพัฒนาเทคโนโลยีเพื่อดักจับ กักเก็บ และใช้ประโยชน์จากก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (Carbon Capture Utilization and Storage; CCUS) รวมไปถึงการพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับพลังงานสะอาดอื่นๆ เทคโนโลยีเหล่านี้ หากได้รับการผลักดันและสนับสนุนจากทั้งภาครัฐและเอกชน อาจนำไปสู่เทคโนโลยีใหม่ ธุรกิจใหม่ หรือเศรษฐกิจใหม่ ก็เป็นได้

กลุ่มวิจัย Nanocatalysis and Molecular Simulation (NCAS) จากศูนย์นาโนเทคโนโลยีแห่งชาติ (NANOTEC) ของเรามีเป้าหมายเพื่อศึกษาและพัฒนาเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับตัวเร่งปฏิกิริยาเคมีเพื่อความยั่งยืนทางพลังงานและสิ่งแวดล้อมดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ เพื่อให้ได้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีความจำเพาะสูง มีราคาที่แข่งขันได้ในตลาดอุตสาหกรรม และมีความคงทนต่อสภาวะปฏิกิริยาเคมีที่หลากหลาย งานของพวกเราครอบคลุมตั้งแต่การสังเคราะห์ตัวเร่งปฏิกิริยา การทดสอบตัวเร่งปฏิกิริยา การศึกษาคุณลักษณะจำเพาะของตัวเร่งปฏิกิริยา (characterization) ด้วยเครื่องมือที่มีความทันสมัย การศึกษาคุณสมบัติของปฏิกิริยาเคมีด้วยแบบจำลองขั้นสูง (Computational chemistry) รวมถึงการจัดเก็บข้อมูลและสร้างเครื่องมือทำนายคุณสมบัติของตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยปัญญาประดิษฐ์ (Artificial Intelligence; A.I.)

อยากรู้หรือไม่ว่าพวกเราใช้เงินวิจัย (ซึ่งส่วนใหญ่มาจากภาษีของพวกท่าน) ไปทำอะไรกันบ้าง? ขอเชิญกดไลค์ กดฟอล เพื่อติดตามเรื่องราวความคืบหน้าในวงการวิจัยด้านตัวเร่งปฏิกิริยา และอัพเดทผลงานวิจัยระดับแนวหน้า (ที่อธิบายเป็นภาษามนุษย์และไม่ติด paywall) ได้ที่นี่เพจ NCAS นี้ หรือแวะชมเว็บไซต์ของเราได้ที่ www.nanotec.or.th/ncas

#NCASresearch

เรียบเรียงโดย ดร. โชติธัช สรรพิทักษ์เสรี

ภาพโดย ดร. ปองกานต์ จักรธรานนท์

อ้างอิง

https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2021/press-release/

แบบทดสอบ เรื่อง ตัวเร่งปฏิกิริยาและตัวหน่วงปฏิกิริยาเคมี

1.ปฏิกิริยาเติมก๊าซ H2 แก่สารอินทรีย์จะไม่เกิดขึ้นเลย ถ้าไม่เติมผงนิเกิลลง ในปฏิกิริยาและเมื่อสิ้นสุดปฏิกิริยาแล้วจะได้นิเกิลเหมือนเดิม ผงนิเกิลมีผลต่อปฏิกิริยาอย่างไร

ก.      ลดพลังงานก่อกัมมันต์ของปฏิกิริยา

ข.      เพิ่มพลังงานจลน์ให้โมเลกุลสารตั้งต้น

ค.      ลดความแตกต่างระหว่าง  ระดับพลังงานของสารตั้งต้นกับผลิตภัณฑ์

ง.       เพิ่มความสามารถในการผสมเป็นเนื้อเดียวกันของสารที่เข้าทำปฏิกิริยา

2.      A  +  B       →       C  +  D    เมื่อมีตัวเร่งปฏิกิริยา

เมื่อเติมตัวเร่งปฏิกิริยา  จะลดพลังงานก่อกัมมันต์   ไปเท่าไร

ก.      a  –  b

ข.      b  –  a

ค.      d  –  c

ง.       c  –  d

3.      สาร 3 ชนิด คือ A , B และ C ปริมาณเท่ากันผสมกัน เมื่อเวลาผ่านไปตรวจหาปริมาณทั้ง 3 ได้ดังกราฟ

จากกราฟ  หมายความ ข้อใดถูกต้อง

ก.      A   →  C

ข.      A + B    →    C

ค.      B + C    →  A + B

ง.       4.B + C    →  A

4.      NH2NO2  +  OH–      ↔       H2O  +  NHNO–2

NHNO–2            →     N2O  +  OH–

ปฏิกิริยารวม   NH2NO2       ↔               H2O  +  N2O

สารใดเป็นตัวเร่ง

ก.                  OH–

ข.                  H2O

ค.                  N2O

ง.                   NHNO2

5.      จงพิจารณา  การเติมตัวเร่งปฏิกิริยา  ในปฏิกิริยาหนึ่งๆ จะมีผลต่อข้อใดต่อไปนี้

1. Ea
2. ปริมาณผลิตภัณฑ์
3. กลไกการเกิดปฏิกิริยา
4. พลังงานรวมของปฏิกิริยา
5. เวลาในการเกิดปฏิกิริยา

ก.      1  4  5

ข.      1    3  5

ค.      1  3  4  5

ง.       1  2  3  4  และ  5

6.  หน้าที่ของตัวเร่งปฏิกิริยา คือ ข้อใด

ก.      ลดความแตกต่างระหว่างพลังงานของสารตั้งต้นและสารผลิตภัณฑ์

ข.      เพิ่มพลังงานให้กับโมเลกุลของระบบ

ค.      ลดพลังงานกระตุ้นของปฏิกิริยา

ง.       ช่วยเพิ่มจำนวนครั้งของการชนกันของโมเลกุลของสารตั้งต้น

7.  เราทราบได้อย่างไรว่า MnO2  เป็นเพียงตัวเร่งปฏิกิริยาในการเผา KClO3

ก.   MnO2  ไม่มีการเปลี่ยนแปลงใดๆ  ทั้งสิ้น ระหว่างที่เกิดปฏิกิริยาเคมี

ข.   มีการเปลี่ยนแปลงทางด้านฟิสิกส์เท่านั้น  สมบัติทางเคมีไม่เปลี่ยนอย่างถาวร

ค.  ปริมาณลดลงเล้กน้อยและคุณภาพของ MnO2 ยังเหมือนเดิม

ง.   ปริมาณและคุณภาพของ MnO2 ยังเหมือนเดิม

8.  ข้อความใดไม่ถูกต้องเกี่ยวกับตัวเร่งปฏิกิริยา

ก.   ทำให้ได้สารใหม่เพิ่มขึ้น

ข.   ทำให้ปฏิกิริยาเกิดเร็วขึ้นกว่าเดิม

ค.   ทำให้ขั้นตอนของปฏิกิริยาเปลี่ยนไป

ง.   ทำให้พลังงานก่อกัมมันต์ของปฏิกิริยาเพิ่มขึ้น

9.  ปฏิกิริยา    X + Y      Z   มีกราฟระหว่างพลังงานและการดำเนินไปของปฏิกิริยา  ดังรูป

1. ปฏิกิริยานี้เป็นปฏิกิริยาคายความร้อน
2. ตัวเร่งปฏิกิริยาจะช่วยลดพลังงานกระตุ้นของปฏิกิริยา
3. ตัวเร่งปฏิกิริยาทำให้ปฏิกิริยานี้ดำเนินไป 2 ขั้น  ขั้นที่ 1 เร็ว   ขั้นที่ 2 ช้า

ข้อสรุปข้อใดถูกต้อง

ก.  1  และ  2

ข. 2  และ  3

ค.  1  และ  3

ง.  1  2  และ  3

10. ในปฎิกิริยาดูดความร้อน  ถ้าเติมตัวเร่งปกิกิริยาลงไปในปกิกิริยาจะมีผลอย่างไร

ก. ปฏิกิริยาจะดูดความร้อน  และมีพลังงานก่อกัมมันต์มากกว่าเดิม

ข. ปฏิกิริยาจะดูดความร้อน  และมีพลังงานก่อกัมมันต์น้อยกว่าเดิม

ค. ปฏิกิริยาจะคายความร้อน  และมีพลังงานก่อกัมมันต์มากกว่าเดิม

ง. ปฏิกิริยาจะคายความร้อน  และมีพลังงานก่อกัมมันต์น้อยกว่าเดิม

Single Post Navigation