Make your own free website on Tripod.com

บทที่ 11

สมดุลเคมี

 

                  ในปฏิกิริยาเคมีที่สารตั้งต้นเกิดการเปลี่ยนแปลงไปเป็นสารผลิตภัณฑ์แล้วเมื่อเวลาผ่านไปสารผลิตภัณฑ์เกิดการเปลี่ยนแปลงย้อนกลับกลับมาเป็นสารตั้งต้นได้อีก เรียกปฏิกิริยาเคมีประเภทนี้ว่านี้ว่าเกิดการเปลี่ยนแปลงผ่านสภาวะสมดุลเคมี

 

สภาวะสมดุล

                ในปฏิกิริยาที่ผันกลับได้นั้น เมื่อระบบเข้าสู่สภาวะสมดุล สมบัติของระบบไม่ว่าจะเป็นความเข้มข้น สี หรือความดัน (ถ้าเป็นแก๊ส) จะคงที่เสมอ  และ เรียกสภาวะสมดุลที่ระบบไม่หยุดนิ่ง แต่มีการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าและย้อนกลับตลอดเวลานี้ว่า สมดุลไดนามิก

 

ปัจจัยที่มีผลต่อสภาวะสมดุล

                ที่สภาวะสมดุลสมบัติของสารต่างๆในระบบสามารถถูกรบกวนได้จากปัจจัยภายนอก อันได้แก่ ความเข้มข้น อุณหภูมิ และความดัน ทำให้ระบบเกิดการเสียสมดุล ดังนั้นระบบจึงต้องมีการปรับตัวเข้าสู่สภาวะสมดุลใหม่อีกครั้งหนึ่ง เพื่อลดผลของการรบกวนนั้น โดยผู้ที่ศึกษาในเรื่องของการรบกวนสมดุลและสรุปไว้เป็นหลักเกณฑ์ไว้คือ เลอชาเตอริเย

                ความเข้มข้นกับภาวะสมดุล

                ถ้าให้สมการเคมีทั่วไปเป็น             A + B              C + D

                หากมีการไปรบกวนสภาวะสมดุลของระบบ โดยการไปเปลี่ยนความเข้มข้นของสารตัวใดตัวหนึ่ง จะทำให้ระบบมีการปรับตัวเข้าสู่สภาวะสมดุลใหม่ได้ดังนี้

            .     ถ้าเพิ่มความเข้มข้นของสารตั้งต้น (A หรือ B)

                        ระบบจะปรับตัวเข้าสู่สภาวะสมดุลใหม่ เพื่อลดความเข้มข้นของสารที่เติมเข้าไป (A หรือ B) โดยสารตั้งต้นจะทำปฏิกิริยากันมากขึ้น ส่งผลให้ปฏิกิริยาเกิดไปข้างหน้าเพิ่มมากขึ้น จึงได้สารผลิตภัณฑ์ C และ D เข้มข้นมากขึ้น (สมดุลเลื่อนไปทางขวา)

                .     ถ้าเพิ่มความเข้มข้นของสารผลิตภัณฑ์ (C หรือ D)

                        ระบบจะปรับตัวเข้าสู่สภาวะสมดุลใหม่ เพื่อลดความเข้มข้นของสารที่เติมเข้าไป (C หรือ D) โดยสารผลิตภัณฑ์ คือ C และ D ทำปฏิกิริยากันมากขึ้น ส่งผลให้เกิดปฏิกิริยาย้อนกลับได้มากขึ้น ทำให้ได้สารตั้งต้น A และ B เข้มข้นมากขึ้น (สมดุลเลื่อนไปทางซ้าย)

                .     ถ้าลดความเข้มข้นของสารตั้งต้น (A หรือ B)

                        ระบบจะปรับตัวเข้าสู่สภาวะสมดุลใหม่  เพื่อเพิ่มความเข้มข้นของสารตั้งต้นให้มากขึ้น  โดยสารผลิตภัณฑ์ C และ D ทำปฏิกิริยากันเกิดปฏิกิริยาย้อนกลับได้มากขึ้น  (สมดุลเลื่อนไปทางซ้าย)

                .     ถ้าลดความเข้มข้นของสารผลิตภัณฑ์ (C หรือ D)

                        ระบบจะปรับตัวเข้าสู่สภาวะสมดุลใหม่  เพื่อเพิ่มความเข้มข้นของสารผลิตภัณฑ์ให้มากขึ้น  โดยสารตั้งต้น A และ B ทำปฏิกิริยากันเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าเพิ่มมากขึ้น  (สมดุลเลื่อนไปทางขวา)

 

EX.        ในปฏิกิริยา Fe3+ + SCN-                [FeSCN]2+          

กล่องข้อความ: เกิดการเปลี่ยนแปลงเช่นใด
 

                ¬    หากเติม NH4SCN ลงไปในปฏิกิริยา               

                k    หากดึง [FeSCN]2+ ออกจากปฏิกิริยา       

ทำ            ¬    เติม NH4SCN

                        เกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าเพิ่มมากขึ้น  สมดุลเลื่อนไปทางขวา

                k    ลด [FeSCN]2+

                        เกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าเพิ่มมากขึ้น  สมดุลเลื่อนไปทางขวา

 

                อุณหภูมิกับสภาวะสมดุล

                ในสมดุลเคมีของปฎิกิริยาดูดหรือคายความร้อนการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของระบบจะมีผลต่อสภาวะสมดุลของระบบดังนี้

                                                                                                                                                 ดูด

                กรณีที่เป็นปฏิกิริยาดูดความร้อน     Þ           A + B            C + D

                                                                                                                                                คาย

 

                หากมีการเพิ่มอุณหภูมิให้กับระบบ จะทำให้ระบบปรับตัวเข้าสู่สภาวะสมดุลใหม่โดยเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าได้มากขึ้น ส่งผลให้สมดุลเลื่อนไปทางขวา คือเกิด C และ D มากขึ้น (A และ B ลดลง)

                หากเป็นการลดอุณหภูมิของระบบ จะทำให้ระบบปรับตัวเข้าสู่สภาวะสมดุลใหม่โดยเกิดปฏิกิริยาย้อนกลับ ส่งผลให้สมดุลเลื่อนไปทางซ้าย เกิดสารตั้งต้น A และ B มากขึ้น (C และ D ลดลง)

 

                                                                                                  คาย

                กรณีที่เป็นปฏิกิริยาคายความร้อน   Þ           A + B            C + D

                                                                                                  ดูด

 

                หากมีการลดอุณหภูมิให้กับระบบ ระบบจะปรับตัวโดยการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้า เกิดสารผลิตภัณฑ์

C และ D มากขึ้น (A และ B ลดลง)

                หากเป็นการเพิ่มอุณหภูมิของระบบ ระบบจะปรับตัวโดยการเกิดปฏิกิริยาย้อนกลับเกิดสาร A และ B

 มากขึ้น (C และ D ลดลง)

                ความดันกับสภาวะสมดุล

                การเปลี่ยนแปลงความดัน มีผลกับสภาวะสมดุลในปฏิกิริยาที่มีแก๊สเข้ามาเกี่ยวข้องเท่านั้น

                กรณีที่ 1            การเพิ่มความดัน

                        ที่สภาวะสมดุล เมื่อมีการเพิ่มความดันให้กับระบบ ระบบจะปรับตัวโดยการลดความดัน โดยสมดุลจะเลื่อนไปในทิศทางที่ลดความดัน โดยลดจำนวนโมลของสาร

                กรณีที่ 2            การลดความดัน

                        เมื่อมีการลดความดันให้กับระบบที่สภาวะสมดุล ระบบจะปรับตัวโดยเพิ่มความดัน โดยสมดุลจะเลื่อนไปในทิศทางที่เพิ่มความดัน โดยเพิ่มจำนวนโมล

***            การเพิ่มหรือลดความดันจะไม่มีผลกับสภาวะสมดุล เมื่อจำนวนโมลของแก๊สตั้งต้นเท่ากับจำนวนโมลของแก๊สผลิตภัณฑ์         ***

EX.        ในปฏิกิริยา PCl5(g)                  PCl3(g) + Cl2(g)   เมื่อเพิ่มความดัน ระบบมีการเปลี่ยนแปลงอย่างไร

ทำ            ระบบจะปรับตัวโดยการลดความดันในทิศทางที่จำนวนโมลของสารลดลง คือเกิดปฏิกิริยาย้อนกลับไดมากขึ้น

 

ค่าคงที่สมดุล (Equilibrium Constant)

                        หากให้สมการทั่วไปเป็น         aA + bB                     cC + dD

                ที่สภาวะสมดุล    Þ           ความสัมพันธ์ระหว่างความเข้มข้นของสารตั้งต้นกับผลิตภัณฑ์เป็นดังนี้

กล่องข้อความ: K  =
 

                                                   เรียก K ว่าค่าคงที่สมดุล ซึ่งเป็นค่าคงที่ที่ไม่เปลี่ยนแปลงที่อุณหภูมิคงที่

                ค่า K ที่คิดผ่านความเข้มข้นอาจเขียนเป็น KC ก็ได้                           

                หากสารที่อยู่ในระบบเป็นก๊าซ ค่าของ K เขียนในรูปของ KP ได้ หากทราบความดันย่อยของแก๊สแต่ละตัว

กล่องข้อความ: KP  =
 

                                       

                โดย KC และ KP มีความสัมพันธ์กันดังนี้ Þ           KP    =     KC(RT) D n      

                เมื่อ   R = 0.0821 L.atm.mol-1.K-1       T = อุณหภูมิหน่วยเคลวิน             Dn = ผลต่างโมล (Product กับ Reactant)

 

การวิเคราะห์ค่า K

                       

                จาก                                                    ในปฏิกิริยา               aA + bB                   cC + dD

 

                พบว่า        หาก K มากกว่า 1      หมายความว่า     สมดุลเลื่อนไปทางขวา เกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้ามาก

                                หาก K น้อยกว่า 1      หมายความว่า     สมดุลเลื่อนไปทางซ้าย เกิดปฏิกิริยาย้อนกลับมาก

                                หาก K เท่ากับ 1         หมายความว่า     Rateข้างหน้า =   Rateย้อนกลับ

 

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.       หากเป็นปฏิกิริยาเดียวกัน แต่เขียนสมการกลับกัน

                          เช่น        H2(g) + Cl2(g)             2HCl(g)       ;     K1

                                       2HCl(g)                H2(g) + Cl2(g)     ;     K2                         

                                       

 

                                                    จะเห็นว่า      

                       

 


                                    \       หากมีการกลับสมการ    ®                                  

 

 

 

2.       หากเป็นปฏิกิริยาเดียวกัน แต่จำนวนโมลต่างกัน

                        เช่น          H2(g) + Cl2(g)                 2HCl(g)       ;       K1   

                                        2H2(g) + 2Cl2(g)            4HCl(g)       ;       K2   

                                        จะเห็นว่า  K2    =      K12          

                        \    หากมีการกลับสมการ ®            Kใหม่        =      Kเก่าเลขที่คูณเพิ่ม

 

3.      

กล่องข้อความ:
 

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    =   ผลคูณของ K ย่อย    

 

 

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

 

  

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

 

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

 

 

กล่องข้อความ:
 

 

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

 

 

 

การคำนวณหาค่าคงที่สมดุล

 

                ให้คิดผ่านความเข้มข้นของสารต่างๆ ที่ภาวะสมดุล

EX.        จาก          Fe3+(aq) + SCN-(aq)                   FeSCN2+(aq)   ที่ 25°C

                เมื่อความเข้มข้นที่ภาวะสมดุลของ Fe3+ , SCN- และ FeSCN2+ เท่ากับ 3.9´10-2M และ 9.2´10-4 M ตามลำดับ

                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

 

 

 


กล่องข้อความ:  
 

                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                   คิดผ่านความเข้มข้นของสารที่ภาวะสมดุล

                ¬    จากสมการ        เกิด           Cl2           1      โมล          ต้องเกิด            PCl3                 1                   โมล

                        \                    ถ้าเกิด       Cl2       0.05      โมล          ต้องเกิด             PCl3             0.05                  โมล

                k    จากสมการ          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

กล่องข้อความ:  
 

                ที่สมดุล            0.07-0.05               0.05                0.05        Mole

 

 

กล่องข้อความ:  
 

                จาก          K     =             

 

 

 

กล่องข้อความ:  
 

                                        =             

 

 

 

                                        =                             

 

 

                                        =              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

                ¬    จากสมการ        สาร A 2    โมล         จะทำปฏิกิริยากับ B                         1                    โมล

 

                        \                    สาร A 0.3 โมล        จะทำปฏิกิริยากับ 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              จะเกิด C                           1                          โมล

 

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

 

 

                                                                                                                        =      0.15                     โมล

                                           2A(g)    +     B(g)                    C(g)   

 

                เริ่มต้น                   1.2              0.8                        0          Mole

 

                ที่สมดุล              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)             

 

                ถ้าเริ่มต้นใส่ NO2 0.2M เมื่อถึงสภาวะสมดุลพบว่า NO2 สลายตัวไป 10% ให้หาค่า K

 

ทำ           สลายตัว 10%    Þ   ถ้าเริ่มต้นใช้  NO2  100 M     จะสลายตัวได้           10             M

 

 


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

 

 

                จากสมการ    ถ้าใช้ NO2       1           โมล                  เกิด NO         =         1                โมล

 

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

 

                จากสมการ    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)      

 

 

                เริ่มต้น                   0.2                        0                      0           Mole

                ที่สมดุล           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   ให้หาค่าคงที่สมดุล

                เมื่อความดันย่อยของสารแต่ละชนิดที่สภาวะสมดุลเป็นดังนี้

                PHI  =      4´10-3    atm                 =     7.5´10-3 atm                 =      4.3´10-5 atm

 

 

 


 

ทำ           จาก          KP    =     

 

 

                                        =                     

 

 

                                        =           2.02´10-2                                                                          #

 

 

 

การคำนวณหาความเข้มข้นของสารที่สภาวะสมดุล

 

EX.        ถ้าปฏิกิริยา        3H2(g) + N2(g)             2NH3(g)        มีค่า K = 5´10-2 L2/mol2       ที่ 500°C

                โดยพบว่าที่สภาวะสมดุลมีก๊าซ H2 0.25M, NH3 0.05M แล้ว ให้หา [N2] ที่สภาวะสมดุลนี้

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)           มีค่า K = 45.9 ที่ 490°C

                ถ้าเริ่มต้นใส่ H2 และ I2 อย่างละ 1 โมลลงในภาชนะขนาด 1 ลิตร

                ให้หาความเข้มข้นของสารแต่ละชนิดที่สภาวะสมดุล

 

ทำ           ¬    จากสมการ        ใช้ H2              1 โมล       ต้องใช้ I2          1              โมล

                        \                    ถ้าใช้ H2           x โมล       ต้องใช้ I2         x               โมล

                k    จากสมการ        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      

 

                ที่สมดุล                  1-x              1-x                       2x     

 

 

 

                จาก          K                             =     

 

 

 

                                45.9                        =                     

 

 

                                45.9                        =                     

 

 

                                                 =                             

 

 


                                6.775(1-x)             =              2x

                                6.775                      =              8.755x

                                x                              =              0.772              Molar

                \            ที่สภาวะสมดุลมี [H2] เหลืออยู่เท่ากับ [I2]   =      1-0.772          =      0.228      M                    #

 

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