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)

มหาวิทยาลัยศรีปทุม ผู้ใหญ่ใจดี
 
 

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

ช่วยกันนะครับ 
ไทยกู๊ดวิวจะได้อยู่นานๆ 
ไม่ถูกปิดเสียก่อน

ขอขอบคุณในความร่วมมือครับ

อ่านรายละเอียด

ด่วน...... ขณะนี้
พระราชบัญญัติลิขสิทธิ์ (ฉบับที่ 2) พ.ศ. 2558 
มีผลบังคับใช้แล้ว 
ขอให้นักเรียนและคุณครูที่ใช้งาน
เว็บ thaigoodview ในการส่งการบ้าน
ระมัดระวังการละเมิดลิขสิทธิ์ด้วย
อ่านรายละเอียดที่นี่ครับ

 

สมาชิกที่ออนไลน์

ขณะนี้มี สมาชิก 0 คน และ ผู้เยี่ยมชม 257 คน กำลังออนไลน์