บททัี่ 2 สมดุลเคมี

รูปภาพของ srsnarumon

สมดุลเคมี (Chemical Equilibrium)

 คือ การเปลี่ยนแปลงในทิศทางที่เกิดสารผลิตภัณฑ์และการเปลี่ยนแปลงย้อนกลับในทิศทางของสารตั้งต้นมีค่าเท่ากัน

ในการศึกษาเรื่องสมดุลเคมี  จะศึกษาการคำนวณค่าคงที่สมดุลโดยการใช้ข้อมูลจากการทดลอง การหาค่าคงที่สมดุลของสมการ จะเกิดขึ้นเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ ปริมาตร หรือความดันของระบบ การคำนวณความเข้มข้นของสารต่าง ๆ ณ สภาวะสมดุล

ในสภาวะสมดุล ความเข้มข้นของสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์จะคงที่ ไม่ว่าเวลาจะผ่านไปนานเท่าใดก็ตาม  ตัวอย่างเช่นการทดลองในระบบสารต่อไปนี้ดังสมการ

                                                         N2O4 (g)           ↔          2NO2 (g)

      ไม่มีสี                                 สีน้ำตาล

เมื่อเรานำก๊าซ N2O4 ใส่ไว้ในขวดที่มีฝาปิด และทำให้มีอุณหภูมิ 100°C ก๊าซในขวดจะเริ่มเปลี่ยนแปลงเ

ป็นสีน้ำตาลและค่อย ๆ เข้มขึ้นเรื่อย ๆ จนความเข้มข้นสีคงที่ เมื่อทำการศึกษาในระดับโมเลกุลพบว่า ในช่วงแรกโมเลกุลของ N2O4 จะแพร่กระจายไปทั่วขวด จากนั้นจึงค่อย ๆ สลายตัวเป็น NO2 ซึ่งมีสีน้ำตาล และโมเลกุลของ NO2 จะค่อย ๆ เพิ่มมากขึ้น จึงเห้นเป็นสีน้ำตาลเข้มขึ้น เมื่อจำนวนโมเลกุลของ N2O4 น้อยลง N2O4 ก็จะสลายตัวช้าลงด้วย ในขณะที่โมเลกุลของ N2O4 สลายตัว โมเลกุลของ NO2 จะเกิดขึ้น และเมื่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้า (การสลายตัของ N2O4) เท่ากับอัตราการเกิดปฏิกิริยาย้อนกลับ (การเกิด N2O4) ภาวะนี้เรียกว่า สมดุล

ค่าคงที่สมดุล

เมื่ออุณหภูมิคงที่ ความเข้มข้นของผลิตภัณฑ์และสารตั้งต้นจะคงที่และยังคงอยุ่ในภาวะสมดุลนั้น ในกรณีของการทดลองนี้สามารถเขียนสมการโดยใช้กฏอัตราได้ว่า

                                             kfwd[N2O4]    =      krev[NO2]2

เมื่อ   kfwd คือ ค่าคงที่อัตราของปฏิกิริยาไปข้างหน้า

         krev คือ ค่าคงที่อัตราของปฏิกิริยาย้อนกลับ

                                                      kfwd    =    [NO2]2

                                                       krev         [N2O4]

                                         K    =    kfwd    =    [NO2]2

                                                       krev          [N2O4]

ค่า K นี้เรียกว่า ค่าคงที่สมดุล (Equilibrium Constant) ซึ่งเป็นค่าคงตัวเฉพาะอุณหภูมิ

สมการทั่วไป                                           aA +bB           ↔            cC + dD

ค่าคงที่สมดุล มีค่าเท่ากับผลคูณของความเข้มข้นที่ภาวะสมดุลของผลิตภัณฑ์ หารด้วยผลคูณของความเข้มข้นที่ภาวะสมดุลของสารตั้งต้น ความเข้มข้นแต่ละค่ายกกำลังเท่ากับตัวเลขนำหน้าสารนั้น ในสมการที่ดุลแล้ว สมการนี้เรียกว่ากฏของสมดุลเคมี

ค่าคงที่สมดุล มีค่าเท่ากับผลคูณของความเข้มข้นที่ภาวะสมดุลของผลิตภัณฑ์ หารด้วยผลคูณของความเข้มข้นที่ภาวะสมดุลของสารตั้งต้น ความเข้มข้นแต่ละค่ายกกำลังเท่ากับตัวเลขนำหน้าสารนั้น ในสมการที่ดุลแล้ว สมการนี้เรียกว่ากฏของสมดุลเคมี

1. เมื่อ K มีค่าน้อย

             N2 (g) + O2 (g)            ↔            2NO (g)      K = 1× 10-30

ปฏิกิริยาออกซิเจนชันของไนโตรเจนที่เกิดขึ้นที่อุณหภูมิ 1000 K ปฏิกิริยานี้จะมีการเกิด NO2 (g) ขึ้นเพียงเล็กน้อยเท่านั้น ระบบก็จะเข้าสู่สภาวะสมดุล

2. เมื่อ K มีค่ามาก

            2CO (g) + O2 (g)           ↔             2CO2 (g)      K = 1× 1030           

ปฏิกิริยาออกซิเจนชันของคาร์บอนมอนอกไซด์ที่อุณหภูมิ 1000 K ปฏิกิริยานี้จะมีการเกิด CO2 (g) ขึ้นจนอาจกล่าวได้ว่า ปฏิกิริยานี้เกิดขึ้นอย่างสมบรูณ์ (go to completion)

2. เมื่อ K มีค่าปานกลาง (intermediate)

                  2BrCl (g)               ↔              Br2 (g) + Cl2 (g)      K = 5

 เมื่อพิจารณาสมการและค่า K เราจะสามารถทราบได้ว่าจำนวนสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์มีอัตราส่วนความเข้มข้นมากน้อยกันอย่างไร 

อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีและค่าคงที่สมดุล

 

การเขียนสมการค่า K อาจเขียนได้โดยตรงจากสมการที่ดุลแล้ว ซึ่งไม่เหมือนในกรณีการเขียนค่า r (อัตราการเกิดปฏิกิริยา) ในเรื่องอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี ซึ่งจะเขียนจากสมการไม่ได้ถ้าไม่ใช่ปฏิกิริยาขั้นเดียว สำหรับสมการของปฏิกิริยาผันกลับได้ ไม่ว่าปฏิกิริยาดำเนินไปขั้นเดียวหรือหลายขั้น สมการค่า K หรือการเขียนกฏของสมดุลเคมีสามารถเขียนได้โดยไม่ต้องรู้กลไกของปฏิกิริยา ถึงแม้ว่าปฏิกิริยามีหลายขั้น แต่ละขั้นย่อมเป็นปฏิกิริยาผันกลับได้ อัตราการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าและอัตราการเกิดปฏิกิริยาย้อนกลับของแต่ละขั้นเท่ากัน ดังนั้นค่าคงตัวสมดุลจึงไม่เกียวกับกลไกปฏิกิริยา

ดังเช่น                                                  2A + B               ↔         C + D มีกลไกขั้นเดียว

                                                 K  =  k1  =  [C][D]

                                                          k2       [A]2[B]  

ถ้าปฏิกิริยานี้มีกลไกสองขั้นดังนี้

                                                        2A               ↔            A2

                                                 A2  +  B              ↔             C  +  D

สำหรับขั้นแรก

                                                    K  =  k1  =  [A2]

                                                     k2       [A]2  

ขั้นสอง

                                            K  =  k1  =  [C][D]

                                                     k2       [A2][B]

                  

                    K = k1k2 = [A2]×[C][D]         ;       K =  [C][D]

                                                   

                                      [A]2  [A2][B]                        [A]2[B]

   จะเห็นได้ว่า ไม่ว่าปฏิกิริยา    2A +B         ↔          C + D

มีกลไกขั้นเดียวหรือสองขั้น ค่าคงตัวสมดุล   K = [C][D]   เหมือนกัน

     1. สมดุลเอกพันธ์ (Homogeneous equilibrium)

               

หมายถึง สมดุลของปฏิกิริยาที่สารทั้งหมดในปฏิกิริยาอยู่วัฏภาคเดียวกัน ตัวอย่างได้แก่ การทดลองข้างต้นคือปฏิกิริยาสลายตัวของ N2O4 ในสถานะก๊าซ ซึ่งมีค่าคงที่สมดุลดังแสดง

         

    K = [NO2]2

             

          [N2O4]

 

สัญลักษณ์ K ใช้เพื่อแสดงว่าเราเขียนค่าคงที่สมดุลในรูปความเข้มข้น ซึ่งมีหน่วยเป็นโมลต่อลิตร หรือในบางกรณีสำหรับปฏิกิริยาของก๊าซ เราอาจใช้ความดันย่อยแสดงความเข้มข้นก็ได้ จากความรู้ที่นักเรียนได้เรียนผ่านมาทราบว่า ที่อุณหภูมิคงที่  ความดันของก๊าซจะสัมพันธ์โดยตรงกับความเข้มข้นของก๊าซในหน่วย  mol/dm3 หรือ P = (n/V)RT

    K = P2NO2

               

          PN2O4

 

 

 

   

                                                                                                                                                                                                                      

 เมื่อ PNO2 และ PN2O4 เป็นความดันย่อยในหน่วย atm ของ NO2 และ N2O4 ตามลำดับ

ที่สภาวะสมดุลสัญลักษณ์ Kp หมายความว่าเราแสดงความเข้มข้นในรูปของความดัน

2. สมดุลวิวิธพันธ์ (Heterogeneous equilibrium)

หมายถึง ภาวะสมดุลของปฏิกิริยาผันกลับได้ที่มีสารตั้งต้นและสารผลิตภัณฑ์ต่างวัฏภาคกัน ตัวอย่างเช่น เมื่อเผาแคลเซียมคาร์บนเนตในภาชนะปิด จะเกิดสมดุลดังนี้

                                        CaCO3 (s)             ↔             CaO (s) + CO2 (g)

 ช่วยด้วยครับ
นักเรียนที่สร้างบล็อก กรุณาอย่า
คัดลอกข้อมูลจากเว็บอื่นทั้งหมด
ควรนำมาจากหลายๆ เว็บ แล้ววิเคราะห์ สังเคราะห์ และเขียนขึ้นใหม่
หากคัดลอกทั้งหมด จะถูกดำเนินคดี
ตามกฎหมายจากเจ้าของลิขสิทธิ์
มีโทษทั้งจำคุกและปรับในอัตราสูง

ช่วยกันนะครับ 
ไทยกู๊ดวิวจะได้อยู่นานๆ 
ไม่ถูกปิดเสียก่อน

ขอขอบคุณในความร่วมมือครับ

อ่านรายละเอียด

สมาชิกที่ออนไลน์

ขณะนี้มี สมาชิก 0 คน และ ผู้เยี่ยมชม 43 คน กำลังออนไลน์