ค้นหาบล็อก

กำลังโหลด...

วันจันทร์ที่ 27 กันยายน พ.ศ. 2553

สมดุลเคมี

สมดุลเคมี


                  ใน ปฏิกิริยาเคมีที่สารตั้งต้นเกิดการเปลี่ยนแปลงไปเป็นสารผลิตภัณฑ์แล้วเมื่อ เวลาผ่านไปสารผลิตภัณฑ์เกิดการเปลี่ยนแปลงย้อนกลับกลับมาเป็นสารตั้งต้นได้ อีก เรียกปฏิกิริยาเคมีประเภทนี้ว่านี้ว่าเกิดการ เปลี่ยนแปลงผ่านสภาวะสมดุลเคมี

สภาวะสมดุล

            ใน ปฏิกิริยาที่ผันกลับได้นั้น เมื่อระบบเข้าสู่สภาวะ สมดุล สมบัติของระบบไม่ว่าจะเป็นความเข้มข้น สี หรือ ความดัน (ถ้า เป็นแก๊ส) จะคงที่เสมอ  และ เรียกสภาวะสมดุลที่ ระบบไม่หยุดนิ่ง แต่ มีการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าและย้อนกลับตลอดเวลานี้ว่า สมดุล ไดนามิก

ปัจจัยที่มีผลต่อสภาวะสมดุล
            ที่สภาวะสมดุลสมบัติของสารต่างๆในระบบ สามารถถูกรบกวนได้จากปัจจัยภายนอก อันได้แก่ ความเข้มข้น อุณหภูมิ และ ความดัน ทำให้ระบบเกิดการเสียสมดุล ดัง นั้นระบบจึงต้องมีการปรับตัวเข้าสู่สภาวะสมดุลใหม่อีกครั้งหนึ่ง เพื่อลดผล ของการรบกวนนั้น โดยผู้ที่ศึกษาในเรื่อง ของการรบกวนสมดุลและสรุปไว้เป็นหลักเกณฑ์ไว้คือ เลอชา เตอริเย
            ความ เข้มข้นกับภาวะสมดุล
            ถ้า ให้สมการเคมีทั่วไปเป็น                  A + B                                             C + D
            หากมีการไปรบกวนสภาวะสมดุลของ ระบบ โดยการไปเปลี่ยนความเข้มข้นของสารตัวใดตัวหนึ่ง จะ ทำให้ระบบมีการปรับตัวเข้าสู่สภาวะสมดุลใหม่ได้ดังนี้
          .                      ถ้า เพิ่มความเข้มข้นของสารตั้งต้น (A หรือ B)
            ระบบ จะปรับตัวเข้าสู่สภาวะสมดุลใหม่ เพื่อ ลดความเข้มข้นของสารที่เติมเข้าไป (A หรือ B) โดยสารตั้งต้นจะทำปฏิกิริยากันมากขึ้น ส่ง ผลให้ปฏิกิริยาเกิดไปข้างหน้าเพิ่มมากขึ้น จึง ได้สารผลิตภัณฑ์ C และ D เข้มข้นมากขึ้น (สมดุล เลื่อนไปทางขวา)
          .                   ถ้า เพิ่มความเข้มข้นของสารผลิตภัณฑ์ (C หรือ D)
            ระบบ จะปรับตัวเข้าสู่สภาวะสมดุลใหม่ เพื่อ ลดความเข้มข้นของสารที่เติมเข้าไป (C หรือ D) โดยสารผลิตภัณฑ์ คือ C และ D ทำ ปฏิกิริยากันมากขึ้น ส่งผลให้เกิดปฏิกิริยา ย้อนกลับได้มากขึ้น ทำให้ได้สารตั้งต้น A และ B เข้มข้นมากขึ้น (สมดุลเลื่อนไปทางซ้าย)
            .                       ถ้าลดความเข้มข้นของสารตั้งต้น (A หรือ B)
            ระบบ จะปรับตัวเข้าสู่สภาวะสมดุลใหม่  เพื่อ เพิ่มความเข้มข้นของสารตั้งต้นให้มากขึ้น  โดยสาร ผลิตภัณฑ์ C และ D ทำปฏิกิริยากันเกิดปฏิกิริยาย้อนกลับได้มากขึ้น  (สมดุล เลื่อนไปทางซ้าย)
          .                   ถ้า ลดความเข้มข้นของสารผลิตภัณฑ์ (C หรือ D)
            ระบบ จะปรับตัวเข้าสู่สภาวะสมดุลใหม่  เพื่อ เพิ่มความเข้มข้นของสารผลิตภัณฑ์ให้มากขึ้น  โดยสารตั้งต้น A และ B ทำปฏิกิริยากันเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าเพิ่มมากขึ้น  (สมดุล เลื่อนไปทางขวา)

EX.   ใน ปฏิกิริยา Fe3+ + SCN-                                        [FeSCN]2+           
เกิดการ เปลี่ยนแปลงเช่นใด
 
            ¬                             หาก เติม NH4SCN ลงไปในปฏิกิริยา                                                   
            k                       หากดึง [FeSCN]2+ ออกจากปฏิกิริยา                                       
ทำ       ¬                                          เติม NH4SCN
                             เกิด ปฏิกิริยาไปข้างหน้าเพิ่มมากขึ้น  สมดุล เลื่อนไปทางขวา
            k                                        ลด [FeSCN]2+
                             เกิด ปฏิกิริยาไปข้างหน้าเพิ่มมากขึ้น  สมดุล เลื่อนไปทางขวา

            อุณหภูมิ กับสภาวะสมดุล
            ใน สมดุลเคมีของปฎิกิริยาดูดหรือคายความร้อนการ เปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของระบบจะมีผลต่อสภาวะสมดุลของระบบดังนี้
                                                                                                                                                 ดูด
            กรณีที่เป็นปฏิกิริยาดูด ความร้อน        Þ                                                                           A + B           C + D
                                                                                                                                                คาย

            หากมีการเพิ่มอุณหภูมิให้กับระบบ จะทำให้ระบบปรับตัว เข้าสู่สภาวะสมดุลใหม่โดยเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าได้ มากขึ้น ส่งผลให้สมดุลเลื่อน ไปทางขวา คือเกิด C และ D มากขึ้น (A และ B ลดลง)
            หาก เป็นการลดอุณหภูมิของระบบ จะ ทำให้ระบบปรับตัวเข้าสู่สภาวะสมดุลใหม่โดยเกิดปฏิกิริยาย้อนกลับ ส่ง ผลให้สมดุลเลื่อนไปทางซ้าย เกิดสารตั้งต้น A และ B มากขึ้น (C และ D ลดลง)

                                                                                                  คาย
            กรณีที่เป็นปฏิกิริยาคาย ความร้อน      Þ                                                                           A + B           C + D
                                                                                                  ดูด

            หาก มีการลดอุณหภูมิให้กับระบบ ระบบจะปรับตัวโดยการเกิด ปฏิกิริยาไปข้างหน้า เกิดสารผลิตภัณฑ์
C และ D มากขึ้น (A และ B ลดลง)
            หาก เป็นการเพิ่มอุณหภูมิของระบบ ระบบจะปรับตัวโดยการเกิด ปฏิกิริยาย้อนกลับเกิดสาร A และ B
 มากขึ้น (C และ D ลดลง)
            ความ ดันกับสภาวะสมดุล
            การ เปลี่ยนแปลงความดัน มีผลกับสภาวะสมดุลใน ปฏิกิริยาที่มีแก๊สเข้ามาเกี่ยวข้องเท่านั้น
            กรณี ที่ 1                                                                                             การเพิ่มความดัน
            ที่ สภาวะสมดุล เมื่อมีการเพิ่มความดันให้กับระบบ ระบบ จะปรับตัวโดยการลดความดัน โดยสมดุลจะเลื่อนไปในทิศ ทางที่ลดความดัน โดยลดจำนวนโมลของสาร
            กรณี ที่ 2                                                                                              การลดความดัน
          เมื่อ มีการลดความดันให้กับระบบที่สภาวะสมดุล ระบบ จะปรับตัวโดยเพิ่มความดัน โดยสมดุลจะเลื่อนไปในทิศ ทางที่เพิ่มความดัน โดยเพิ่มจำนวนโมล
***        การ เพิ่มหรือลดความดันจะไม่มีผลกับสภาวะสมดุล เมื่อ จำนวนโมลของแก๊สตั้งต้นเท่ากับจำนวนโมลของแก๊สผลิตภัณฑ์             ***
EX.   ใน ปฏิกิริยา PCl5(g)                                                                                                       PCl3(g) + Cl2(g)            เมื่อเพิ่มความดัน           ระบบมีการเปลี่ยนแปลงอย่างไร


ค่าคงที่สมดุล (Equilibrium Constant)
                                                       หาก ให้สมการทั่วไปเป็น                                                             aA + bB                cC + dD
            ที่ สภาวะสมดุล                                    Þ                                                                           ความสัมพันธ์ระหว่างความเข้มข้นของสารตั้งต้นกับผลิตภัณฑ์ เป็นดังนี้
K  =
 
                                                                                                                                       เรียก K ว่าค่าคงที่สมดุล ซึ่งเป็นค่าคงที่ที่ไม่เปลี่ยนแปลงที่อุณหภูมิคงที่
            ค่า K ที่คิดผ่านความเข้มข้นอาจเขียนเป็น KC ก็ได้                                                                          
            หากสารที่อยู่ในระบบเป็นก๊าซ ค่าของ K เขียนในรูปของ KP ได้ หากทราบความดันย่อยของแก๊สแต่ละตัว
KP  =
 
                                                                 
            โดย KC และ KP มีความสัมพันธ์กันดังนี้                                                                 Þ            KP      =    KC(RT) D n       
            เมื่อ                                                  R =          0.0821 L.atm.mol-1.K-1    T = อุณหภูมิ หน่วยเคลวิน                            Dn = ผลต่างโมล (Product กับ Reactant)

การวิเคราะห์ค่า K
                                                                       
          จาก                                                                                                                                                                    ในปฏิกิริยา                                                                                                            aA + bB               cC + dD

            พบ ว่า                                     หาก K มากกว่า 1                                    หมาย ความว่า      สมดุลเลื่อนไปทางขวา เกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้ามาก
                                                                                                                   หาก K น้อยกว่า 1      หมาย ความว่า   สมดุล เลื่อนไปทางซ้าย เกิดปฏิกิริยาย้อนกลับมาก
                                                                                                                      หาก K เท่ากับ 1            หมาย ความว่า             Rateข้าง หน้า =   Rateย้อน กลับ

ตัวอย่างการเขียนค่า K ที่ภาวะสมดุล
            การเขียนค่า K จะไม่นำสารที่อยู่ในรูปของของแข็งหรือของเหลวมาเขียนโดยเด็ดขาด

EX.   N2(g) + 3H2(g)                                                                                2NH3(g)                        Þ                                                                (mol /lit)-2


EX.   CaCO3(s)                                                                      CaO(s) + CO2(g)            Þ       K    =            [CO2]                                                                                                                                 (mol /lit)


ความสัมพันธ์ของค่าคงที่สมดุล

1.    หาก เป็นปฏิกิริยาเดียวกัน แต่เขียนสมการกลับกัน
                                                                                                               เช่น          H2(g) + Cl2(g)                                                    2HCl(g)                                                 ;       K1
                                                                                                                                2HCl(g)                   H2(g) + Cl2(g)                        ;                                                     K2                       
                                                                                                                              

                                                                                                                                 จะเห็นว่า      
           




                                                                      \                           หาก มีการกลับสมการ    ®                 



2.   หากเป็นปฏิกิริยาเดียวกัน แต่จำนวนโมลต่างกัน
                                              เช่น                                                  H2(g) + Cl2(g)             2HCl(g)                         ;                                            K1   
                                                                                                    2H2(g) + 2Cl2(g)                                                                         4HCl(g)    ;   K2
                                                                                                                                                        จะเห็นว่า       K2   =     K12                 
                                                                                             \                                                 หากมีการกลับสมการ    ®     Kใหม่   =  Kเก่าเลข ที่คูณเพิ่ม

3.  
 
ในปฏิกิริยาที่เกิดผ่านหลายขั้นตอน
เช่น                                                 SO2(g) +          O2(g)              SO3(g)                                                                                      ;    K1

 
                                                                                                    CO2(g)         CO(g) +            O2(g)                                                           ;   K2

                                                                                                    เมื่อรวม 2 สมการ จะได้ว่า

                                                                                                    SO2(g) + CO2(g)                              SO3(g) + CO(g)                                   ;   K3

                                                                                                    นั่นคือ      K3 =  K1 ´ K2                                        
                                               \ ในปฏิกิริยาหลายขั้นตอน ® ที่ต้องมีการรวมสมการ ®    Kรวม    =   ผล คูณของ K ย่อย                           


EX.  ให้                                                                         2NO2(g)                N2O4(g)                                              K                                           =    200         ¬

 
        หา                                                                         N2O4(g)                    NO2(g)                                                                                   K    =  ?         k

ทำ     กลับ ¬                                                                   N2O4(g)                    2NO2(g)                                                                                                                ®


 
 
        ´ ®                       N2O4(g)                                              NO2(g)                                                                                                                                              =                                           0.08                                                 #



การคำนวณหาค่าคงที่สมดุล

        ให้คิดผ่านความเข้มข้นของ สารต่างๆ ที่ภาวะสมดุล
EX.  จาก                                                   Fe3+(aq) + SCN-(aq)           FeSCN2+(aq)                      ที่ 25°C
        เมื่อความเข้มข้นที่ภาวะ สมดุลของ Fe3+ , SCN- และ FeSCN2+ เท่ากับ 3.9´10-2M และ 9.2´10-4 M ตาม ลำดับ
          ให้หาค่าคงที่สมดุลของปฏิกิริยาที่ 25°C


 
ทำ     จาก                                                                                       
       

                                                                                                    =     

                                                                                                    =          294.87                                                                                                         M-1                      #

EX.  จาก                                                             N2(g) + 3H2(g)        2NH3(g)          ที่เกิดขึ้นในภาชนะขนาด 5 ลิตร
        ให้หาค่า K เมื่อพบว่าที่ภาวะสมดุลมีแก๊ส N2 3.4 กรัม , H2 0.16 กรัม และ NH3 19 กรัม

ทำ     ที่ภาวะสมดุล                        [N2]                                                 =                             M     ,                                    [H2]                                           =                                 ,       [NH3]                               =                                              

                                                                                                             = 0.024M                                                                                                              =       0.02M                                                                                                      =        0.224M



 



 
        จาก                                                                                       


                                                                                                                     =                                                                                                    

                                                                                                                     =     0.26´106                                                                                                                                 M-2                      #


EX.  จาก                                                                        PCl5(g)        PCl3(g) + Cl2(g)                                                        ให้หาค่าคงที่สมดุลที่ 250°C
        หากเผา PCl5 0.07 โมล ที่ 250°C ในภาชนะขนาด 2 ลิตร เมื่อถึงภาวะสมดุลพบว่ามี Cl2 อยู่ 0.05 โมล
ทำ                        คิด ผ่านความเข้มข้นของสารที่ภาวะสมดุล
        ¬                               จาก สมการ                                       เกิด        Cl2       1 โมล                                             ต้อง เกิด                                                PCl3          1                                                  โมล
                                               \                                                       ถ้าเกิด Cl2       0.05  โมล                                ต้องเกิด                                                           PCl3       0.05                                                โมล
        k                               จาก สมการ                                       เกิด      Cl2 1    โมล    ต้องเผา                                                                                 PCl5           1            โมล
                                               \                                                           ถ้าเกิด   Cl2     0.05    โมล                                ต้องเผา                                                  PCl5      0.05                                                โมล
                  PCl5(g)   PCl3(g) + Cl2(g)                                        
        เริ่มต้น      0.07          0          0                                                 Mole

 
        ที่ สมดุล 0.07-0.05   0.05     0.05                                   Mole



 
        จาก                                                                                  K    =     




 
                                                                                                    =     



                                                                                                    =             


                                                                                                    =      0.0625M                                                                                                                  #



EX.  จาก                                                                2A(g) + B(g)        C(g)     ถ้าใส่ A 1.2 โมล, B 0.8 โมล ในภาชนะ 2 ลิตร ที่ภาวะสมดุลพบว่ามีสาร A 0.9 โมล
          หาค่า K ของปฏิกิริยานี้


 
ทำ     ที่สมดุลมีสาร A  0.9 โมล แสดงว่า Þ สาร A ถูกใช้ในการทำปฏิกิริยา =  1.2 - 0.9   =   0.3   โมล
        ¬                               จาก สมการ                         สาร A 2    โมล    จะทำปฏิกิริยากับ B                          1                                                                    โมล

                                               \                                                       สาร A 0.3 โมล         จะทำ ปฏิกิริยากับ B                       =                                   (0.3)          โมล  


                                                                                                                                                                                                                                =  0.15          โมล



 
                                                                   ใช้สาร B ไป = 0.15  โมล        Þ ที่สมดุลสาร B เหลือ =  0.8 - 0.15  =  0.65  โมล
        k                               จากสมการ                        ใช้สาร A 2   โมล        จะ เกิด C                   1                                                                                               โมล

                                               \                                                       ใช้สาร A 0.3 โมล                                                จะเกิด C                                              =       (0.3)              โมล


                                                                                                                                                                                                                                =  0.15           โมล
                    2A(g) + B(g)       C(g)

        เริ่ม ต้น       1.2     0.8           0   Mole

 
        ที่ สมดุล   1.2-0.3    0.8-0.15 0.15                                 Mole


        จาก                                                                                  K    = 




 
 


                                                                                                    =             
                                                                                                   


                                                                                                    =           1.14                                                                                                        M-2                                                                                                                 #




 
 


EX.  จากปฏิกิริยา                                                               NO2(g)        NO(g) +        O2(g)                                                                                       

        ถ้า เริ่มต้นใส่ NO2 0.2M เมื่อ ถึงสภาวะสมดุลพบว่า NO2 สลายตัวไป 10% ให้หาค่า K

ทำ     สลายตัว 10%    Þ   ถ้า เริ่มต้นใช้  NO2  100 M               จะสลายตัวได้        10          M



 
 

        \                      ถ้า เริ่มต้นใช้    NO2 0.2M                                               จะสลายตัว        =                                     (0.2)                                        =       2´10-2         M


        จาก สมการ    ถ้า ใช้ NO2       1           โมล                                            เกิด NO       =      1                                               โมล

 
        \                                                    ถ้าใช้ NO2    2´10-2    โมล             เกิด NO         =      2´10-2        โมล

        จาก สมการ    ถ้าใช้ NO2       1           โมล                   เกิด O2           =                        โมล



 
 


        \                                                   ถ้าใช้ NO2    2´10-2     โมล             เกิด O2           =             (2´10-2)                    


 
                                                                                                                                                                                    =                 1´10-2         โมล

                   NO2(g)    NO(g) + O2(g)                                         


        เริ่ม ต้น       0.2           0          0                                                 Mole
        ที่ สมดุล 0.2-2´10-2 2´10-2  1´10-2                                 Mole



 
 


        จาก                                                                                  K    =     




 
 


                                                                                                    =             


                                                                                                    =         1.11´10-2                                                                                             M1/2                                                                                                        #



EX.  จากปฏิกิริยา                      2HI(g)                                                   H2(g) + I2(g)    ที่ 448°C                          ให้ หาค่าคงที่สมดุล
        เมื่อความดันย่อยของสาร แต่ละชนิดที่สภาวะสมดุลเป็นดังนี้                             
        PHI                                   =                                     4´10-3    atm          =        7.5´10-3                        atm                                                     =  4.3´10-5       atm



 
 



 
ทำ     จาก                                                                                KP    = 


                                                                                                    =         


                                                                                                    =       2.02´10-2                                                                                                                                                                        #



การคำนวณหาความเข้มข้นของสารที่สภาวะ สมดุล

EX.  ถ้าปฏิกิริยา                 3H2(g) + N2(g)                                         2NH3(g)   มีค่า K = 5´10-2 L2/mol2                ที่ 500°C
        โดย พบว่าที่สภาวะสมดุลมีก๊าซ H2 0.25M, NH3 0.05M แล้ว ให้หา [N2] ที่ สภาวะสมดุลนี้
ทำ                3H2(g)    + N2(g)    2NH3(g)                                  
        ที่สมดุล     0.25      x          0.05 Mole

 
 


 
        จาก                                                                                  K                = 


                                                                                5´10-2 M-2           =          


                                                                                              x                =          3.2                                                                                                   M                                                        
        \                                                                 ที่ภาวะสมดุล [N2]    =          3.2                                                                                              Molar                        #


EX.  ในปฏิกิริยา                   H2(g) + I2(g)                                               2H2I(g)             มี ค่า K = 45.9               ที่ 490°C
        ถ้า เริ่มต้นใส่ H2 และ I2 อย่างละ 1 โมลลงในภาชนะขนาด 1 ลิตร
        ให้หาความเข้มข้นของสาร แต่ละชนิดที่สภาวะสมดุล

ทำ     ¬                               จาก สมการ                                    ใช้ H2            1 โมล ต้อง ใช้ I2                                             1                                                   โมล
                                               \                                                       ถ้าใช้ H2       x โมล     ต้อง ใช้ I2                             x                                                    โมล
        k                               จาก สมการ                                   ใช้ H2         1 โมล      เกิด HI                                            2                                                    โมล
                                               \                                                       ใช้ H2         x โมล     เกิด HI                                                                           2x          โมล
                    H2(g) + I2(g)      2HI(g)  

        เริ่มต้น        1        1            0  

 
        ที่ สมดุล      1-x     1-x          2x 



 
        จาก                                                                                  K                = 



 
                                                                                         45.9            =         


                                                                                         45.9            =         


                                                                                                     =             

 
 

                                                                                6.775(1-x)        =      2x
                                                                                       6.775            =          8.755x
                                                                                              x                =          0.772                                                                      Molar
        \                                         ที่ สภาวะสมดุลมี [H2] เหลือ อยู่เท่ากับ [I2]    =  1-0.772            =                                  0.228                                         M            #

                                                                                                                    และมี [HI]   =                               2(0.772)                                             =  1.544   M             #





ตามหลักของ ปริมาณสารสัมพันธ์ ปฏิกิริยาจะต้องดำเนินไป จนสมบูรณ์ยกตัวอย่างเช่น
CO2 (g) + H2 (g) CO (g) + H2O (g) .........................................(1)
ในระบบเปิด CO2 (g) จะทำ ปฏิกิริยากับ H2 (g) จนหมด และได้ CO (g) และ H2O (g)
ในระบบปิด เมื่อเกิดปฏิกิริยาปริมาณของ CO2 (g) และ H2 (g) จะลดลง ในขณะที่ปริมาณของ CO (g) และ H2O (g) จะเพิ่ม ขึ้น ทำให้รวมตัวกันกลับไปเป็น CO2 (g) และ H2 (g) ดังสมการ
CO (g) + H2O (g) CO2 (g) + H2 (g) .........................................(2)
เมื่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาที่ (1) เท่ากับ อัตราการเกิดปฏิกิริยาที่ (2) เรียก ว่า เกิดสมดุลทาง เคมี และเรียกปฏิกิริยา ที่ (1) ว่า ปฏิกิริยาไปข้างหน้า(forward reaction) เรียกปฏิกิริยาที่ (2) ว่าปฏิกิริยาย้อนกลับ(reversible reaction) นิยมเขียนปฏิกิริยาแสดงสมดุลระหว่างการเกิด ปฏิกิริยาที่ (1) และปฏิกิริยาที่ (2) ดังนี้
CO2 (g) + H2 (g) CO (g) + H2O (g)
หลักการของสมดุลเคมี เมื่อระบบเข้าสู่สมดุลระบบจะต้อง :
1.1 อัตรา การเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าเท่ากับอัตราการเกิดปฏิกิริยาย้อนกลับและความเข้ม ข้นของสาร ตั้งต้นและผลิตผลจะคงที่
ในปฏิกิริยาเคมีใด ๆ เมื่อเริ่มทำปฏิกิริยา ความเข้มข้นของสารเริ่มต้นจะลดลงเรื่อย ๆ ขณะ ที่ความเข้มข้นของสารผลิตภัณฑ์เพิ่มขึ้นตามลำดับ จนกระทั่งเวลาผ่านไป ช่วงหนึ่ง ความเข้มข้นของสารทุกตัวในระบบจะไม่ เปลี่ยนแปลงอีกต่อไป นั่นคือปฏิกิริยาอยู่ใน สภาวะสมดุล
ที่สภาวะนี้ถ้าพิจารณาตามหลักการของจลนศาสตร์เคมี (chemical kinetics) พบว่า อัตราการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าจะเท่ากับอัตราการเกิดปฏิกิริยาย้อนกลับ และจากการทดลองพบว่า ที่สภาวะสมดุล ความเข้มข้นของสารเริ่มต้นและสารผลิตภัณฑ์จะมีค่าคงที่ และไม่ขึ้นกับเวลา
click ที่นี่ ถ้า นศ. สามารถต้องการดูกราฟแสดงการเข้าสู่สมดุลของปฏิกิริยา
1.2 ระบบ เป็นสมดุลไดนามิค (dynamic equilibrium)
ถ้าศึกษาการ เปลี่ยนแปลงในระดับโมเลกุล หรืออะตอม จะพบว่าเมื่อระบบเข้าสู่สภาวะสมดุลนั้น ระบบไม่ได้หยุดนิ่งแต่จะมีการเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา นั่นคือปฏิกิริยาดำเนินไปข้างหน้าและย้อนกลับได้อย่างต่อเนื่อง โดยปราศจากการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของสารในระบบ เรียกสภาวะสมดุลลักษณะนี้ว่า สมดุลไดนามิค
นักวิทยาศาสตร์ ทราบได้อย่างไรว่า สมดุลเป็นสมดุลไดนามิค
 
กฎ ของสมดุลเคมี (Top)
ปฏิกิริยาใดๆ ก็ตาม ที่อุณหภูมิใดอุณหภูมิหนึ่งจะมีค่าคงที่อยู่ค่าหนึ่ง ซึ่งบอกให้ทราบถึงความสัมพันธ์ระหว่าง ความเข้มข้นของสารต่างๆ ที่สภาวะสมดุล เรียกค่าคงที่นี้ว่า ค่าคงที่สมดุล (equilibrium constant, K) พิจารณา ปฏิกิริยาต่อไปนี้
aA + bB cC + dD
เมื่อ a, b, c และ d คือ เลขสัมประสิทธิ์จำนวนโมลของสาร A, B, C และ D ตามลำดับ
สามารถเขียนอัตราส่วนแสดงความสัมพันธ์ระหว่างความ เข้มข้น (equilibrium expression) ได้ดังนี้
Kc =
เมื่อ Kc คือค่าคง ที่สมดุลที่แสดงในเทอมความเข้มข้นของสารในหน่วยโมลาร์ (โมล/ลิตร)
ถ้า K < 1 แสดงว่า ในสภาวะสมดุล [สารตั้งต้น] > [ผลิตผล] หรือปฏิกิริยาย้อนกลับ เกิดขึ้นเกือบจะสมบูรณ์ ในขณะที่ปฏิกิริยาไปข้างหน้าจะเกิดน้อยมาก
ในทางกลับกัน ถ้า K > 1 แสดง ว่า ในสภาวะสมดุล [สารตั้งต้น] < [ผลิตผล] หรือปฏิกิริยาไปข้างหน้าเกิดขึ้นเกือบจะสมบูรณ์
ในกรณีที่หาค่าอัตราส่วนนี้ก่อนถึงสภาวะสมดุลหรือ เมื่อสมดุลถูกรบกวนจะเรียกอัตราส่วนนี้ว่า โควเตียนของปฏิกิริยา (reaction quotient, Q) ณ เวลาใด ๆ และแสดงในเทอมของมวลได้ ดังนี้
Qc = ที่เวลาใดๆ
เมื่อใดที่ระบบอยู่ในภาวะสมดุล Q จะมีค่าเท่ากับ Kc เสมอ
ตัวอย่าง
i. ปฏิกิริยา steam reforming : CH4(g) + H2O(g) CO(g) + 3H2(g)
Kc = หน่วย mol2 dm-6
ii. ปฏิกิริยา การสังเคราะห์แอมโมเนีย : N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)
Kc = หน่วย mol -2 dm6
iii. ปฏิกิริยาการสังเคราะห์แอมโมเนียลดลงเหลือ เท่าตัว : 1/2 N2(g) + 3/2H2(g) NH3(g)
Kc = หน่วย mol-1 dm3
ตัวอย่างการคำนวณโดยใช้ K
ตัวอย่าง ก๊าซ ไฮโดรเจน ไอโอไดด์สลายตัวได้ง่าย ดังสมการ : 2HI(g) H2(g) + I2(g)
ถ้าบรรจุ HI 4.00 โมล ลงในภาชนะ 5.00 ลิตร ที่อุณหภูมิ 458oC พบว่าที่สมดุลจะมีปริมาณของ I2 0.442 โมล จงหาค่า Kc ของปฏิกิริยานี้
ตอบ 0.0201 ทำอย่างไรลอง >> click << ดูวิธีทำครับ

สรุปลักษณะทั่วไปของสมดุลเคมี 3 ประการ คือ
1.
สมดุลเคมีเป็นสมดุลไดนามิค
2.
สมดุลเคมีเป็นขบวนการที่เกิดขึ้นได้เอง
3.
การดำเนินเข้าสู่ภาวะสมดุลเริ่มจากทิศทางใดก็ได้
 
สมดุลหลายวัฏภาค (Heterogeneous Equilibrium) (Top)
มีมากกว่า 1 วัฏภาค(phase) ของสารในระบบสมดุล เช่น water -gas equilibrium :
C (s) + H2O (g) CO (g) + H2 (g)
K =
[C (s)] เป็นความเข้มข้นของ คาร์บอนในสถานะของแข็ง การทดลองพบว่า [C (s)] จะไม่เปลี่ยนแปลง นั่นคือจำนวนโมลต่อหน่วย ปริมาตรของของแข็ง จะคงเดิมเสมอ
K ใหม่ = K [C (s)] =
ดังนั้นจะไม่นำความเข้มข้นของของแข็ง และของเหลวบริสุทธิ์ มาคิดในการหาค่า K

สมดุลไอออนใน สารละลาย

 


การคำนวณและการประยุกต์



ข้อควรรู้เกี่ยว กับค่าคงที่สมดุล (Top)
4.1. ถ้าเขียนสมการกลับกัน ค่า K ก็จะกลับกันด้วย
A + B = C + D .......................K
C + D = A + B .......................K'= K-1
4.2 ใน กรณีที่ปฏิกิริยาเกิดเป็นขั้น ๆ ค่า K ของ ปฏิกิริยารวมจะเท่ากับผลคูณของค่า K ของ ปฏิกิริยาย่อย
A + B = C ....................K1
C = D + E ....................K2
A + B = D + E .......K รวม = K1 x K2
4.3 ถ้า เขียนสมการโดยใช้สัมประสิทธิ์คูณ ค่า K ก็ จะต่างกันด้วย
2 A + 2 B = 2 C + 2 D ................K ใหม่ = K2
4.4 ค่าคงที่สมดุลในเทอมของความดันแก๊ส (Kp)
aA + bB = cC + dD
Kp = ; Kc =

พิจารณา 2SO2 (g) + O2 (g) = 2 SO3 (g) Kc =
จาก gas law. PV= nRT
[SO3] = =
[SO2] = =
[O2] = =

Kc = RT
Kc = KpRT หรือ Kp=Kc(RT)-1
จากสมการ aA (g) + bB (g) + …… = gG (g) + hH (g) +……
.................
Kp=Kc(RT)
= (g + h +…) - (a + b +…)

ตัวอย่าง 1. KP ของปฏิกิริยา 2NO2(g) N2O4(g) ที่ 25oC มีค่าเท่ากับ 7.04 x10-2 kPa-1 ที่สภาวะสมดุล ความดันย่อยของ NO2 ภายในภาชนะเท่ากับ 15 kPa จงคำนวณหาความดันย่อยของ N2O4 ในก๊าซผสมนี้
ตัวอย่าง 2. KP ของปฏิกิริยา 2SO2(g) + O2(g) 2SO3(g) ที่ 25oC เท่ากับ 3.0x1024 atm-1 จงหาค่า KC ของปฏิกิริยานี้
แสดงวิธีทำ 1 และ 2 >>click<< ที่นี่

ค่าคงที่กับการ กำหนดทิศทางของปฏิกิริยา (Top)
ระบบที่ปฏิกิริยายังไม่อยู่ในสภาวะ สมดุล การหาค่าโควเตียนของปฏิกิริยาเพื่อ นำมาเปรียบเทียบกับค่า KC สามารถคาดคะเนทิศทางของการเกิดปฏิกิริยาได้ ดัง นี้ :
- ถ้า Q > KC ปฏิกิริยาจะดำเนินไปทางซ้าย (ปฏิกิริยาย้อนกลับ)
- ถ้า Q < KC ปฏิกิริยาจะดำเนินไปทางขวา (ปฏิกิริยาไปข้างหน้า)
- ถ้า Q = KC ปฏิกิริยาจะอยู่ในภาวะสมดุล
ตัวอย่าง เมื่อบรรจุ N2 1.00 โมล H2 3.00 โมล และ NH3 0.500 โมล ลงในภาชนะ 50 ลิตร ระบบจะปรับตัวอย่างไร เพื่อเข้าสู่สมดุล
N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) ; KC = 69.5 ที่ 350oC
วิธีทำ จากโจทย์ความเข้มข้น ของสารเริ่มต้น ในหน่วยโมล่าร์ เป็น
[N2]o = 0.0200 M [H2]o = 0.0600 M และ [NH3]o = 0.0100 M
แทนค่าลงใน reaction quotient ;
Q = = = 23.1
จะเห็นว่า Q = 23.1 ซึ่งมีค่าน้อยกว่า KC = 69.5 ดังนั้นปฏิกิริยาจะดำเนินจากซ้ายไปขวา เมื่อเข้าสู่สภาวะสมดุล จะมี NH3 เพิ่มมากขึ้น

การประยุกต์ใช้ ค่าคงที่สมดุลในเชิงอุตสาหกรรม (Top)
ในเชิงอุตสาหกรรมนิยมเขียนกราฟ ระหว่าง [สารตั้งต้น] และ [ผลิตผล] เพื่อหาค่า K
>> click << เพื่อทำโจษย์ ต่อไปนี้
6.1 ถ้าเริ่มต้นผสม 2 M n-butane จงหาความเข้มข้นของ n- และ iso-butane ที่สภาวะสมดุล
6.2 ถ้าที่สภาวะสมดุลมี n-butane อยู่ 2 M จงหาความเข้มข้นของ iso-butane ที่จุดสมดุลนี้

ไม่มีความคิดเห็น:

แสดงความคิดเห็น