สมดุลเคมี (Chemical Equilibrium) ครูกนกพร บุญนวน

ผลการเรียนรู้สมดุลเคมี ทดลอง สืบค้นข้อมูลและอภิปราย การเปลี่ยนแปลงที่ผันกลับได้ ภาวะสมดุล การดำเนินเข้าสู่ภาวะสมดุลของระบบ การเปลี่ยนแปลงที่ทำให้เกิดภาวะสมดุล ความสัมพันธ์ระหว่างความเข้มข้นของสารต่างๆ ณ ภาวะสมดุล 2. คำนวณค่าคงที่สมดุลของระบบ 3. สืบค้นข้อมูล และอภิปรายปัจจัยที่มีผลต่อภาวะสมดุลของระบบ การใช้หลักเลอชาเตอลิเอในอุตสาหกรรม

การทดลอง 7.1 ปฏิกิริยาระหว่างสารละลาย CuSO4 และสารละลาย HCl จุดประสงค์การทดลอง 1. ทำการทดลองเพื่อศึกษาปฏิกิริยาผันกลับได้ 2. อธิบายความหมายและยกตัวอย่างปฏิกิริยาผันกลับได้

ผลการทดลอง เมื่อหยดสารละลาย HCl ลงในสารละลายสีฟ้าของ CuSO4 จะได้สารละลายสีเขียวแกมเหลือง เมื่อเติมน้ำลงในสารละลายสีเขียวแกมเหลือง จะได้สารละลายสีฟ้ากลับคืนมา

สรุปผลการทดลอง 1. เมื่อหยดสารละลาย HCl ลงในสารละลาย CuSO4 ซึ่งมีสีฟ้า ได้สารละลายสีเขียวแกมเหลืองเกิดขึ้น เนื่องจาก Cl- จาก HCl เข้าไปแทนที่ H2O ใน [Cu(H2O)4]2+ เกิดเป็น [CuCl4]2- ซึ่งมีสีเหลืองแต่จากการทดลองจะได้สารละลายสีเขียวแกมเหลือง ซึ่งเป็นสีผสมระหว่างสีฟ้าของ Cu2+(aq) กับสีเหลืองของ [CuCl4]2- และเมื่อหยดน้ำลงในสารละลายสีเขียวแกมเหลือง สารละลายจะเปลี่ยนกลับเป็นสีฟ้าเหมือนเดิม แสดงว่าโมเลกุลของ H2O เข้าไปแทนที่ Cl- 2. การเปลี่ยนแปลงของ [Cu(H2O)4]2+ เมื่อเติมกรด HCl เป็นปฏิกิริยาไปข้างหน้าได้ [CuCl4]2- ซึ่งมีสีเหลือง เมื่อเติม H2O ลงไป ปฏิกิริยาจะเกิดย้อนกลับได้ [Cu(H2O)4]2+ ซึ่งมีสีฟ้ากลับคืนมา ปฏิกิริยาระหว่าง [Cu(H2O)4]2+ กับ HCl และน้ำจึงเป็นปฏิกิริยาผันกลับได้

สมการเคมี ปฏิกิริยาไปข้างหน้า:[Cu(H2O)4]2+(aq) +4Cl-(aq) [CuCl4]2-(aq)+4H2O(l) (Forward reaction) สีฟ้า ไม่มีสี สีเหลือง ไม่มีสี ปฏิกิริยาย้อนกลับ:[CuCl4]2- (aq) +4H2O(l) [Cu(H2O)4]2+(aq)+4Cl-(aq) (Backward reaction) สีเหลือง ไม่มีสี สีฟ้า ไม่มีสี ปฏิกิริยาผันกลับได้ : [Cu(H2O)4]2+(aq) +4Cl-(aq) [CuCl4]2-(aq)+4H2O(l) (Reversible reaction) สีฟ้า สีเหลือง

สมดุลเคมีคืออะไร สมดุลเคมี คือสภาวะที่เกิดขึ้นในระบบที่สามารถเกิดการเปลี่ยนแปลงแบบผันกลับ (reversible) ได้โดยที่อัตราเร็วของการเปลี่ยนแปลงไปข้างหน้าเท่ากับอัตราเร็วของการเปลี่ยนแปลงย้อนกลับ

ชนิดของสมดุล การเปลี่ยนแปลงของระบบที่ก่อให้เกิดสมดุลเคมีต้องเป็นการเปลี่ยนแปลงที่ผันกลับได้ มี 3 ประเภท 1) การละลาย 2) การเปลี่ยนสถานะ 3) การเกิดปฏิกิริยาเคมี

KNO3(s) K+(aq)+NO3-(aq) 1) สมดุลของการละลาย KNO3(s) K+(aq)+NO3-(aq)

2) สมดุลของการเปลี่ยนสถานะ ของแข็ง ของเหลว ก๊าซ ของเหลวอยู่ใน สมดุลกับไอ

3) สมดุลของการเกิดปฏิกิริยาเคมี [Co(H2O)6]2+ +4Cl- [CoCl4]2- + 6H2O น้ำเย็น น้ำร้อน

7.1 การเปลี่ยนแปลงที่ผันกลับได้ 1. ปฏิกิริยาที่เกิดไม่สมบูรณ์เป็น ปฏิกิริยาผันกลับได้ (Reversible reaction ) 2. ปฏิกิริยาที่เกิดสมบูรณ์เป็น ปฏิกิริยาที่ผันกลับไม่ได้

ปฏิกิริยาผันกลับได้ คือ ปฏิกิริยาเคมีที่สารตั้งต้นทำปฏิกิริยาเปลี่ยนไปเป็นผลิตภัณฑ์แล้ว สารผลิตภัณฑ์นั้นทำปฏิกิริยากันเปลี่ยนกลับมาเป็นสารตั้งต้น โดยกำหนดว่า สารตั้งต้นทำปฏิกิริยาเปลี่ยนไปเป็นผลิตภัณฑ์ เรียกว่า เกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้า สารผลิตภัณฑ์ทำปฏิกิริยากันเปลี่ยนกลับมาเป็นสารตั้งต้น เรียกว่าปฏิกิริยาย้อนกลับ

ข้อสังเกตเกี่ยวกับปฏิกิริยาผันกลับได้ เป็นปฏิกิริยาที่สารผลผลิตจากปฏิกิริยาทำปฏิกิริยากันได้ผลผลิตที่เป็นสารตั้งต้น ปฏิกิริยาไปข้างหน้า และปฏิกิริยาผันกลับเกิดขึ้นพร้อมกัน ถ้าเริ่มต้นจากปฏิกิริยาด้านใดให้ถือว่าปฏิกิริยานั้นเป็นปฏิกิริยาไปข้างหน้า เขียนลูกศรคู่ ( ) ในสมการ เพื่อแสดงว่าปฏิกิริยาผันกลับได้

พบในปฏิกิริยาการสลายตัว ปฏิกิริยารวมตัว และปฏิกิริยาแทนที่ ปฏิกิริยาผันกลับเกิดขึ้นได้หรือไม่นั้นขึ้นอยู่กับภาวะของปฏิกิริยา เช่น อุณหภูมิ ความดัน สภาพละลายได้ และค่าคงที่สมดุลของปฏิกิริยา ปฏิกิริยาจะผันกลับได้มากน้อยเพียงใด ขึ้นอยู่กับค่าคงที่สมดุลของปฏิกิริยานั้น

ตัวอย่างปฏิกิริยาเคมีที่ผันกลับได้ N2O4(g) 2 NO2(g) (ไม่มีสี) (สีน้ำตาล) 1. N2O4 (g) 2NO2 (g) forward Rxn 2. 2NO2 (g) N2O4 (g) reverse Rxn

N2O4(g) 2NO2(g)

การทดลองที่ 7.2 การทดสอบไอร์ออน (III)ไอออน (Fe3+) ไอร์ออน(II)ไอออน (Fe2+) และไอโอดีน (I2) จุดประสงค์การทดลอง 1. ทำการทดลองเพื่อทดสอบ Fe3+ Fe2+ และ I2 2. บอกวิธีทดสอบ Fe3+ Fe2+ และ I2

การเปลี่ยนแปลงที่สังเกตได้เมื่อเติมสารละลาย ผลการทดลอง สารที่ทดสอบ การเปลี่ยนแปลงที่สังเกตได้เมื่อเติมสารละลาย NH4SCN K3[Fe(CN)6] น้ำแป้ง Fe(NO3)3 (NH4)2Fe(SO4)2 I2

การเปลี่ยนแปลงที่สังเกตได้เมื่อเติมสารละลาย ผลการทดลอง สารที่ทดสอบ การเปลี่ยนแปลงที่สังเกตได้เมื่อเติมสารละลาย NH4SCN K3[Fe(CN)6] น้ำแป้ง Fe(NO3)3 สารละลายเปลี่ยน สีเป็นแดงสด สารละลายเปลี่ยนเป็น สีน้ำตาลแกมเขียว ไม่เห็นการเปลี่ยนแปลง (NH4)2Fe(SO4)2 มีตะกอนสีน้ำเงินเกิดขึ้นและสารละลายตอนบนใสไม่มีสี I2 มีสารละลาย สีน้ำเงินเกิดขึ้น

สรุปผลการทดลอง 1. Fe3+ + SCN- [FeSCN]2+ เหลืองอ่อน ไม่มีสี สีแดง เหลืองอ่อน ไม่มีสี สีแดง ใช้ NH4SCN ทดสอบ Fe3+ ซึ่งได้สารสีแดงสด 2. Fe2+ + [Fe(CN)6]3- + K+ KFe[Fe(CN)6](s) สีน้ำเงิน Fe3+ + [Fe(CN)6]3- + K+ Fe[Fe(CN)6](aq) สีน้ำตาลแกมเขียว ใช้ K3[Fe(CN)6] ทดสอบ Fe2+ ซึ่งได้ตะกอนสีน้ำเงิน 3. ใช้แป้งทดสอบ I2 ซึ่งได้สารสีน้ำเงินเข้ม (สารสีน้ำเงินเข้มนี้อาจเห็น เป็นตะกอนหรือคล้ายสารละลายขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของน้ำแป้ง)

การทดลอง 7.3 เรื่องการทดสอบภาวะสมดุลระหว่าง Fe2+ และ Fe3+ จุดประสงค์การทดลอง 1. ทำการทดลองเพื่อศึกษาภาวะสมดุลระหว่าง Fe2+ และ Fe3+ 2. ทดสอบปฏิกิริยาไปข้างหน้าและปฏิกิริยาย้อนกลับ พร้อมทั้งเขียน สมการแสดงภาวะสมดุลได้

อุปกรณ์ 1. หลอดทดลองขนาดกลางพร้อมจุกปิด 1 หลอด 1. หลอดทดลองขนาดกลางพร้อมจุกปิด 1 หลอด 2. หลอดทดลองขนาดเล็ก 6 หลอด 3. หลอดหยดสาร 5 อัน

สารเคมี 1. สารละลายไอร์ออน(III) ไนเตรต (Fe(NO3)3) 0.05 M 2. สารละลายแอมโมเนียมไอร์ออน(II)ซัลเฟต [(NH4)2Fe(SO4)2] 0.05 M 3. สารละลายแอมโมเนียมไทโอไซยาเนต (NH4SCN) 0.5 M 4. สารละลายโพแทสเซียมเฮกซะไซยาโนเฟอเรต (III) (K3Fe(CN)6) 0.5 M 5. สารละลายโพแทสเซียมไอโอไดด์ (KI) 0.05 M 6. น้ำแป้งสุก 7. สารละลายไอโอดีนในเอทานอล

ผลการทดลอง ตอนที่ 1 หลอดที่ สารที่ผสมกัน การเปลี่ยนแปลงที่สังเกตได้ 1 ผลการทดลอง ตอนที่ 1 หลอดที่ สารที่ผสมกัน การเปลี่ยนแปลงที่สังเกตได้ 1 2 3 4 Fe(NO3)3+ KI Fe(NO3)3+ KI+K3Fe(CN)6 Fe(NO3)3+ KI+น้ำแป้งสุก Fe(NO3)3+ KI+NH4SCN

ผลการทดลอง ตอนที่ 1 หลอดที่ สารที่ผสมกัน การเปลี่ยนแปลงที่สังเกตได้ 1 ผลการทดลอง ตอนที่ 1 หลอดที่ สารที่ผสมกัน การเปลี่ยนแปลงที่สังเกตได้ 1 2 3 4 Fe(NO3)3+ KI Fe(NO3)3+ KI+K3Fe(CN)6 Fe(NO3)3+ KI+น้ำแป้งสุก Fe(NO3)3+ KI+NH4SCN สารละลายสีเหลืองเข้ม ตะกอนสีน้ำเงิน สารละลายสีน้ำเงิน สารละลายสีแดง

การเปลี่ยนแปลงที่สังเกตได้ ผลการทดลอง ตอนที่ 2 การทดลอง การเปลี่ยนแปลงที่สังเกตได้ หยดสารละลาย I2 ในเอทานอลลงในสารละลาย (NH4)2Fe(SO4)2 เติมสารละลาย NH4SCN ลงในสารละลายผสมของ (NH4)2Fe(SO4)2 และ I2 ในเอทานอล

การเปลี่ยนแปลงที่สังเกตได้ ผลการทดลอง ตอนที่ 2 การทดลอง การเปลี่ยนแปลงที่สังเกตได้ หยดสารละลาย I2 ในเอทานอลลงในสารละลาย (NH4)2Fe(SO4)2 สารละลายสีน้ำตาลแกมเหลือง(แตกต่างจากสีของ I2 ในเอทานอลเล็กน้อย) เติมสารละลาย NH4SCN ลงในสารละลายผสมของ (NH4)2Fe(SO4)2 และ I2 ในเอทานอล สารละลายสีแดง

สรุปผลการทดลอง ตอนที่ 1 สารละลาย Fe(NO3)3 มีสีเหลือง สารละลาย KI ไม่มีสี เมื่อผสมสารละลาย Fe(NO3)3 กับสารละลาย KI ได้สารละลายสีเหลือง เมื่อหยดสารละลาย K3Fe(CN)6 ลงในสารละลายผสมได้ตะกอนสีน้ำเงิน แสดงว่าระบบ มี Fe2+ เกิดขึ้นและเมื่อหยดน้ำแป้งได้สารสีน้ำเงิน แสดงว่าระบบมี I2 เกิดขึ้นด้วย จึงสรุปได้ว่าปฏิกิริยาระหว่าง Fe(NO3)3 กับ KIได้ผลิตภัณฑ์เป็น Fe2+ และ I2 ดังสมการ 2Fe3+(aq) + 2I-(aq) 2Fe2+(aq) + I2(aq) เมื่อพิจารณาสมการ พบว่า Fe3+ ทำปฏิกิริยาพอดีกับ I- ด้วยจำนวนโมลที่เท่ากัน ดังนั้นสารละลาย KI 0.05 mol/dm3 10 หยด จึงควรจะทำปฏิกิริยาพอดีกับสารละลาย Fe(NO3)3 0.05 mol/dm3 จำนวน 10 หยด

แต่ในการทดลองสารละลาย KI 10 หยดและ Fe(NO3)3 5 หยดแสดงว่าใช้ KI มากเกินพอ จึงไม่ควรมี Fe3+ เหลืออยู่ในระบบ จากการตรวจสอบโดยเติมสารละลาย NH4SCN พบว่าเกิดสารละลายสีแดง แสดงว่ามี Fe3+ อยู่ในระบบด้วย

2Fe2+(aq) + I2(aq) 2Fe3+(aq) + 2I-(aq) ตอนที่ 2 ในสารละลาย (NH4)2Fe(SO4)2 ซึ่งประกอบด้วย NH4+ Fe2+ และSO 42- เมื่อเติมสารละลาย I2 ในเอทานอลลงไป พบว่าสารละลายเปลี่ยนเป็นสีน้ำตาลแกมเหลืองและเมื่อทดสอบด้วย NH4SCN สารละลายเปลี่ยนเป็นสีแดง แสดงว่ามี Fe3+ เกิดขึ้น จึงสรุปได้ว่า Fe2+ ทำปฏิกิริยากับ I2 ได้ Fe3+ เป็นผลิตภัณฑ์และผลิตภัณฑ์อีกชนิดหนึ่งควรจะเป็น I- ซึ่งเป็นสารไม่มีสี ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเป็นดังสมการ 2Fe2+(aq) + I2(aq) 2Fe3+(aq) + 2I-(aq)

7.2 การเปลี่ยนแปลงที่ทำให้เกิดภาวะสมดุล ความหมายของภาวะสมดุล ภาวะสมดุล ( Equilibrium state ) คือภาวะของระบบที่มีอัตราการเปลี่ยนแปลงไปข้างหน้าเท่ากับอัตราการเปลี่ยนแปลงย้อนกลับที่สมดุลจะมีสารตั้งต้นทุกชนิดเหลืออยู่ และผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นทุกชนิดคงที่ ภาวะสมดุลจะเกิดกับระบบที่มีการเปลี่ยนแปลง

คุณสมบัติของสมดุลเคมี 1. ต้องเกิดในระบบปิด 2. เกิดการเปลี่ยนแปลงที่ผันกลับได้ 3. ที่ภาวะสมดุลอัตราการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าจะเท่ากับอัตราการเกิดปฏิกิริยาผันกลับ 4. มีสารตั้งต้นเหลืออยู่ทุกสารในระบบ 5. สมบัติของระบบคงที่

สมดุลไดนามิก ผลการทดลองนี้ยืนยันได้ว่า ณ ภาวะสมดุลยังมีการเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้นตลอดเวลา จึงเรียกสมดุลของสารอิ่มตัวนี้ว่า สมดุลไดนามิก (dynamic Equilibrium) สมดุลไดนามิกแบ่งออกเป็น 2 ประเภท ดังนี้ สมดุลเนื้อเดียวกัน (Homogeneous Chemical Equilibrium) เป็นสมดุลที่มีสารทุกชนิดอยู่ในสถานะเดียวกันหมด สมดุลเคมีมีเนื้อผสม (Heterogeneous Chemical Equilibrium) เป็นสมดุลที่มีสารต่างๆมากกว่า 2 สถานะอยู่ในระบบเดียวกันหมด

กราฟของสมดุลเคมี 1.กราฟสมดุลเคมีที่เขียนขึ้นระหว่างอัตราการเกิดปฏิกิริยากับเวลา A2(g) + 2B2(g) 2AB2(g)

กราฟของสมดุลเคมี (ต่อ) 2. กราฟสมดุลเคมีที่เขียนขึ้นระหว่างความเข้มข้นของสารกับเวลา แบบที่ 1 ที่สมดุล ความเข้มข้นของสารตั้งต้นที่เหลือน้อยกว่าความเข้มข้นของผลิตภัณฑ์ อธิบาย 1. ที่สมดุล [x] < [y] 2. ระบบเริ่มเข้าสู่สมดุล ณ เวลา t1

กราฟของสมดุลเคมี (ต่อ) 2. กราฟสมดุลเคมีที่เขียนขึ้นระหว่างความเข้มข้นของสารกับเวลา แบบที่ 2 ที่สมดุล ความเข้มข้นของสารตั้งต้นที่เหลือมากกว่าความเข้มข้นของผลิตภัณฑ์ อธิบาย 1. ที่สมดุล [x] > [y] 2. ระบบเริ่มเข้าสู่สมดุล ณ เวลา t2

กราฟของสมดุลเคมี (ต่อ) 2. กราฟสมดุลเคมีที่เขียนขึ้นระหว่างความเข้มข้นของสารกับเวลา แบบที่ 3 ที่สมดุล ความเข้มข้นของสารตั้งต้นที่เหลือเท่ากับความเข้มข้นของผลิตภัณฑ์ อธิบาย 1. ที่สมดุล [x] = [y] 2. ระบบเริ่มเข้าสู่สมดุล ณ เวลา t3

7.3 ความสัมพันธ์ระหว่างความเข้มข้นของสารต่างๆ ณ ภาวะสมดุล 7.3.1 ค่าคงที่สมดุล ปฏิกิริยาที่ผันกลับได้ ไม่ว่าจะเริ่มต้นจากสารตั้งต้นที่มีความเข้มข้นเท่าใดก็ตาม ถ้าระบบเข้าสู่ภาวะสมดุลความเข้มข้นของสารต่างๆในระบบจะมีค่าคงที่ ซึ่งนำความเข้มข้นของสารต่างๆมาหาความสัมพันธ์กันพบว่าอัตราส่วนระหว่างผลคูณของความเข้มข้นของผลิตภัณฑ์และแต่ละชนิด ยกกำลัง ด้วยตัวเลขบอกจำนวนโมลของผลิตภัณฑ์นั้นๆกับผลคูณของความเข้มข้นของสารตั้งต้นที่เหลือแต่ละชนิดยกกำลัง ด้วยตัวเลขบอกจำนวนโมลของสารตั้งต้นนั้น จะได้ค่าคงที่เสมอ ณ อุณหภูมิคงที่เรียกว่า ค่าคงที่สมดุล

กำหนดให้สมดุลปฏิกิริยาเป็น aA + bB cC + dD ค่าคงที่สมดุล กำหนดให้สมดุลปฏิกิริยาเป็น aA + bB cC + dD ณ อุณหภูมิค่าหนึ่งจะได้ค่าคงที่สมดุล ( K ) K = [C]c[D]d [A]a[B]b

สมดุลจะให้ สมดุลไปทางขวา สมดุลไปทางซ้าย N2O4 (g) 2NO2 (g) K = [NO2]2 = 4.63 x 10-3 aA + bB cC + dD K = [C]c[D]d [A]a[B]b Law of Mass Action สมดุลจะให้ สมดุลไปทางขวา K > 1 Favor products สมดุลไปทางซ้าย K < 1 Favor reactants

ข้อสังเกตเกี่ยวกับค่าคงที่ของสมดุล (K)

ค่า K มิได้เกี่ยวข้องกับอัตราเร็วในการเกิดปฏิกิริยา กล่าวคือ ค่า K มาก Rate ของปฏิกิริยาอาจจะเร็วหรือช้าก็ได้ ค่า K อาจมีค่ามากกว่า น้อยกว่าหรือเท่ากับหนึ่งก็ได้ ขึ้นอยู่กับปฏิกิริยานั้น

ตัวอย่างการเขียนค่าคงที่สมดุล PCl5 (g) PCl3 (g) + Cl2 (g) H2(g) + I2(g) 2HI(g)

เมื่อของแข็งมีการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นน้อยมาก เมื่อ มีค่าคงที่ไม่ต้องนำมาคิด

[Pb] [Zn2+] [Pb2+] [Zn] [Zn2+] [Pb2+] KC = = Pb2+ (aq) +Zn (s) Pb (s) + Zn2+ (aq) KC = [Pb] [Zn2+] [Pb2+] [Zn] = [Zn2+] [Pb2+] KC คือ ค่าคงที่สมดุลที่คิดจากความเข้มข้น เพราะ ความเข้มข้นของของแข็งและของเหลวบริสุทธิ์ มีค่าคงที่เสมอ (มีค่าเท่ากับ 1)

7.3.2 ค่าคงที่สมดุลกับสมการเคมี 1. เมื่อเขียนสมการของปฏิกิริยาเคมีกลับกันกับสมการเดิม ค่า K ที่จะได้มีค่าเป็นส่วนกลับกับค่า K เดิม คือกลับเศษเป็นส่วนและส่วนเป็นเศษ

2NO (g) + O2 (g) 2NO2 (g) [NO2]2 [NO]2[O2] K1 = สำหรับปฏิกิริยาที่ผันกลับได้ ถ้าเขียนสมการแสดงปฏิกิริยาย้อนกลับ ค่าคงที่สมดุลจะเป็นส่วนกลับของค่าคงที่สมดุลเดิม 2NO (g) + O2 (g) 2NO2 (g) [NO2]2 [NO]2[O2] K1 = 2NO2 (g) 2NO (g) + O2 (g) [NO]2[O2] [NO2]2 K2 = K2 = 1K1 48

2. เมื่อคูณตัวเลขใดเข้าไปในสมการของปฏิกิริยา ค่า K ใหม่ที่ได้จะต้องนำค่า K เดิมมายกกำลังด้วยตัวเลขที่คูณนั้น

ในการระบุค่าคงที่สมดุล ต้องระบุสมการแสดงสมดุลและอุณหภูมิ  ถ้าการใช้สัมประสิทธิ์ต่างกันค่า K จะต่างกัน H2 (g) + I2 (g) 2HI (g) 2H2 (g) + 2I2 (g) 4HI (g) K2 = K12 50

3. ถ้าปฏิกิริยารวม เกิดจากปฏิกิริยาย่อยรวมกัน ค่าคงที่สมดุลจะเท่ากับค่าคงที่สมดุลของปฏิกิริยาย่อยคูณกัน

ในปฏิกิริยาที่มีหลายขั้นตอน K รวมของปฏิกิริยา = ผลคูณของค่า K ของปฏิกิริยาย่อย ขั้นที่ 1 2NO2 (g) N2O4 (g) K1 N2O4 (g) + O2 (g) 2NO3 (g) K2 ขั้นที่ 2 รวม 2NO2 (g) + O2 (g) 2NO3 (g) K = K1 K2 52

4. เมื่อหารตัวเลขใดๆ เข้าไปในสมการของปฏิกิริยา ค่า K ใหม่ที่ได้จะต้องนำค่า K เดิมมาถอดรากลำดับที่เท่ากับ ตัวเลขที่หารนั้น

ในการระบุค่าคงที่สมดุล ต้องระบุสมการแสดงสมดุลและอุณหภูมิ  ถ้าการใช้สัมประสิทธิ์ต่างกันค่า K จะต่างกัน H2 (g) + I2 (g) 2HI (g) 1/2H2 (g) + 1/2I2 (g) HI (g) K2 = K1 54

7.3.3 ขั้นตอนการหาค่าคงที่สมดุล 1. เขียนสมการเคมี 2. ดุลสมการเคมี 3. ณ จุดสมดุล หาความเข้มข้นของผลิตภัณฑ์ 4. ณ จุดสมดุล หาความเข้มข้นของ สารตั้งต้นที่เหลือ เขียนค่า K และแทนค่าความเข้มข้น ของสารผลิตภัณฑ์ และสารตั้งต้นลงในสมการค่า K

ตัวอย่างโจทย์การหาค่าคงที่สมดุล ตัวอย่างที่ 1 จากปฏิกิริยาดังแสดงในสมการต่อไปนี้ ที่ภาวะสมดุลภายในภาชนะขนาด 2 dm3 มี A 4 mol B 4 mol C 2 mol และ D 6 mol จงคำนวณค่าคงที่สมดุล

ดังนั้นค่าคงที่สมดุลของปฏิกิริยานี้ = 2.25 dm3/mol

x x [PCl3][Cl2] [PCl5] = เริ่มต้น (M) 3 เปลี่ยนแปลง (M) –x +x +x 3-x ตัวอย่างที่ 2 จงหาค่าคงที่สมดุลของปฏิกิริยาต่อไปนี้ PCl5 (g) PCl3 (g) + Cl2 (g) เริ่มต้น (M) 3 เปลี่ยนแปลง (M) –x +x +x 3-x x x จุดสมดุล (M) K = [PCl3][Cl2] [PCl5] (x)(x) (3-x) =

ตัวอย่างที่ 3 จากสมการ K = [HI]2 [H2][I2] (2x)2 = (0.02-x) (0.02-x) ตัวอย่างที่ 3 จากสมการ H2 (g) + I2 (g) 2 HI (g) เริ่มต้น (M) 0.02 0.02 0 เปลี่ยนแปลง (M) –x -x +2x จุดสมดุล (M) 0.02-x 0.02-x 2x K = [HI]2 [H2][I2] (2x)2 (0.02-x) (0.02-x) =

ตัวอย่างที่ 4 อุณหภูมิหนึ่งก๊าซ HI 1 โมลต่อลิตร สลายตัว 2HI H2(g) + I2(g) จงคำนวณหาค่าคงที่สมดุล เมื่อ HI สลายตัว 20%

วิธีทำ ก๊าซ HI 1 โมลต่อลิตร สลายตัว 20% ก๊าซ HI สลายตัว = เริ่มต้น 1 0 0 เปลี่ยนแปลง -0.2 +0.1 +0.1 สมดุล 1-0.2 0.1 0.1 ค่าคงที่สมดุล =1.56 X 10-2

ตัวอย่าง 5 ปฏิกิริยา ที่สมดุลในภาชนะ 5 ลิตร ถ้ามี A 2 โมล B 2 โมล C 2 โมล และ D 3 โมล จงหาค่าคงที่สมดุล A (s) + 2B (g) + 2C (g) 4D (g) [D]4 [B]2[C]2 KC = ที่สมดุลมี B 2 โมล [B] = 2/5 = 0.4 molL-1 มี C 2 โมล [C] = 2/5 = 0.4 molL-1 มี D 3 โมล [D] = 3/5 = 0.6 molL-1

[D]4 [B]2[C]2 KC = แทนค่า = (0.6)4 (0.4)2 (0.4)2 = 5.1

ตัวอย่างที่ 6 ที่ภาวะสมดุลของปฏิกิริยา CO2(g) + H2(g) CO(g) + H2O(g)   ตัวอย่างที่ 6    ที่ภาวะสมดุลของปฏิกิริยา CO2(g) + H2(g) CO(g) + H2O(g) ในภาชนะขนาด 6 ลิตรที่อุณหภูมิ 1007 ºC ความดันย่อยของ แก๊สต่างๆเป็นดังนี้ CO2 = 63.1 บรรยากาศ H2 = 21.1 บรรยากาศ CO = 84.2 บรรยากาศและ H2O = 31.6 บรรยากาศ จงคำนวณหาค่าที่ของสมดุล( Kp) สำหรับปฏิกิริยานี้ที่อุณหภูมิ 1007 ºC                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        

ตัวอย่าง 7 กำหนดสมการ NO2(g) + SO2(g) SO3(g) + NO(g) และให้ความเข้มข้นเริ่มต้นของ SO2 เป็น 0.4 mol/dm3 และ NO2 0.6 mol/dm3 เมื่อปฏิกิริยาสิ้นสุดลงเหลือ SO2 0.1 mol/dm3 จงหาค่าคงที่สมดุลของปฏิกิริยานี้มีค่าเท่าใด NO2(g) + SO2(g) SO3(g) + NO(g) เริ่มต้น 0.6 0.4 0 0 เปลี่ยนแปลง -x -x +x +x 0.3 สมดุล 0.6-0.3 0.1 0.3 0.3

= 3

ไม่ขึ้นกับปริมาณของ CaCO3 หรือ CaO CaCO3 (s) CaO (s) + CO2 (g) PCO 2 = Kp PCO 2 ไม่ขึ้นกับปริมาณของ CaCO3 หรือ CaO

การทดลอง 7.4 การเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นภาวะสมดุล การทดลอง 7.4 การเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นภาวะสมดุล จุดประสงค์การทดลอง ทำการทดลองเพื่อศึกษาผลของความเข้มข้นต่อภาวะสมดุลของระบบได้ อธิบายการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นในระบบ เมื่อเพิ่มหรือลดความเข้มข้นของสารตั้งต้นได้

ผลการทดลอง 1 Fe(NO3)3+NH4SCN 2 Fe(NO3)3+NH4SCN+Fe(NO3)3 3 หลอดที่ สารละลายผสม การเปลี่ยนแปลงที่สังเกตได้ 1 Fe(NO3)3+NH4SCN 2 Fe(NO3)3+NH4SCN+Fe(NO3)3 3 Fe(NO3)3+NH4SCN+NH4SCN 4 Fe(NO3)3+NH4SCN+Na2HPO4

ผลการทดลอง Fe(NO3)3+NH4SCN หลอดที่l สารละลายผสม การเปลี่ยนแปลงที่สังเกตได้ 1 Fe(NO3)3+NH4SCN สารละลายสีแดง 2 Fe(NO3)3+NH4SCN+ Fe(NO3)3 สารละลายมีสีแดงเข้มขึ้น แล้วความเข้มข้นของสีคงที่ 3 NH4SCN สารละลายมีสีแดงเข้มขึ้น แล้วความเข้มของสีคงที่ 4 Na2HPO4 มีตะกอนสีขาวเกิดขึ้นเล็กน้อยสารละลายมีสีจางลงมากแล้วสีคงที่

สรุปผลการทดลอง 1. Fe3+ ในสารละลาย Fe(NO3)3 ทำปฏิกิริยากับ SCN- ได้สารละลายสีแดงของ [FeSCN]2+ เมื่อความเข้มของสีคงที่ แสดงว่าระบบอยู่ในภาวะสมดุล 2. เมื่อเติมสารละลาย Fe3+ ลงในระบบที่อยู่ในภาวะสมดุล ความเข้มของ Fe3+ ในระบบจะเพิ่มขึ้นและสารละลายผสมสีแดงเข้มขึ้น แสดงว่าในระบบมี [FeSCN]2+ เกิดเพิ่มขึ้นในที่สุดความเข้มของสีคงที่ แสดงว่าระบบเข้าสู่สมดุลอีกครั้ง

3. เมื่อเติมสารละลายที่มี SCN- ลงในระบบที่อยู่ในภาวะสมดุล ความเข้มข้นของ SCN- ในระบบจะเพิ่มขึ้นและสารละลายผสมสีแดงเข้มขึ้น แสดงว่ามี [FeSCN]2+ เพิ่มขึ้นในที่สุดความเข้มข้นของสีคงที่ แสดงว่าระบบเข้าสู่สมดุลอีกครั้ง 4. เมื่อเติมสารละลาย Na2HPO4 ลงในระบบที่อยู่ในภาวะสมดุล HPO4 2- จะทำปฏิกิริยากับ Fe3+ เกิดตะกอนขาวของ FePO4 การเติม HPO42 ลงในระบบจึงเป็นการลดความเข้มข้นของ Fe3+ และยังพบว่าสารละลายมีสีจางลง แสดงว่า [FeSCN]2+ เกิดปฏิกิริยาย้อนกลับโดยสลายตัวได้ Fe3+ และ SCN-

การทดลอง 7.5 การศึกษาผลของความดันและ อุณหภูมิต่อภาวะสมดุล การทดลอง 7.5 การศึกษาผลของความดันและ อุณหภูมิต่อภาวะสมดุล จุดประสงค์การทดลอง 1. อธิบายวิธีเตรียมแก๊ส NO2 และเขียนสมการแสดงปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นได้ 2. ทำการทดลองเพื่อศึกษาผลของการเปลี่ยนแปลงความดันและอุณหภูมิที่ มีต่อภาวะสมดุลของระบบได้

จุดประสงค์การทดลอง 3.อธิบายการเปลี่ยนแปลงภาวะสมดุลของระบบเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงความดันและอุณหภูมิของระบบได้ 4.ใช้ผลการทดลองเป็นเกณฑ์ในการระบุว่าปฏิกิริยาใดดูดหรือคายความร้อนได้ 5.อธิบายการเปลี่ยนแปลงค่าที่สมดุลของปฏิกิริยาดูดหรือคายความร้อนเมื่อมีการเพิ่มหรือลดอุณหภูมิของระบบที่อยู่ในภาวะสมดุลได้

ผลการทดลอง ตอนที่ 1 แก๊สที่เตรียมได้มีสีน้ำตาลแดง ตอนที่ 2 เมื่อกดก้านหลอดฉีดยาลงไปอย่างรวดเร็วให้มีปริมาตรลดลงครึ่งหนึ่งน้อยกว่า สังเกตเห็นสีน้ำตาลแดงเข้มขึ้นชั่วขณะหนึ่ง แล้ว สีจางลงเล็กน้อย หลังจากนั้นสีจะคงที่แต่ความเข้มข้นของสีมากกว่าก่อนกดก้านหลอดฉีดยา เมื่อดึงก้านหลอดฉีดยาขึ้นมาอยู่ที่ระดับเดิมทำให้ปริมาตรของแก๊สเพิ่มขึ้น สังเกตเห็นสีของแก๊สจางลงชั่วขณะหนึ่ง ต่อมาสีเข้มขึ้นเล็กน้อยแล้วคงที่ แต่ความเข้มของสีน้อยกว่าก่อนดึงก้านหลอดฉีดยาขึ้น เมื่อทำการทดลองซ้ำก็ได้ผลทำนองเดียวกัน

ผลการทดลอง (ต่อ) ตอนที่ 3 เมื่อนำหลอดทดลองที่บรรจุแก๊สสีน้ำตาลแดงหลอดที่ 1 จุ่มลงในน้ำแข็งพบว่าแก๊สในหลอดมีสีจางลงเกือบไม่มีสีและคงที่ ส่วนหลอดที่ 2 ซึ่งจุ่มในน้ำร้อนมีสีน้ำตาลเข้มขึ้นเมื่อนำหลอดที่ 1 จุ่มลงในน้ำร้อน สีน้ำตาลแดงเข้มขึ้นและคงที่ และนำหลอดที่ 2 จุ่มในน้ำแข็งสีน้ำตาลจางลงและคงที่ เมื่อนำทั้งสองหลอดมาควบคุมอุณหภูมิให้เท่ากันที่อุณหภูมิห้อง แก๊สในหลอดที่ไม่มีสีจะเปลี่ยนเป็นสีเหลืองแล้วเข้มขึ้นจนเป็นสีน้ำตาลแดง ส่วนหลอดที่มีสีน้ำตาลแดงจะมีสีจางลง ในที่สุดแก๊สทั้งสองหลอดมีความเข้มของสีเท่ากันและเท่ากับสีของแก๊สในหลอดที่ 3 ซึ่งใช้หลอดเปรียบเทียบ

สรุปผลการทดลอง ตอนที่ 1 แก๊ส NO2 มีสีน้ำตาลแดงส่วนแก๊ส N2O4 ไม่มีสี ในระบบจึงมีภาวะสมดุลระหว่างแก๊ส NO2 กับแก๊ส N2O4 เกิดขึ้นดังสมการ 2NO2(g) N2O4 สีน้ำตาลแดง ไม่มีสี

สรุปผลการทดลอง (ต่อ) ตอนที่ 2 ตอนที่ 2 การกดก้านหลอดฉีดยาเป็นการลดปริมาตรของแก๊ส ทำให้ความดันและความเข้มข้นของแก๊สเพิ่มขึ้น ขณะกดก้านหลอดฉีดยาในตอนแรก แก๊สผสมมีสีเข้มขึ้นมาเนื่องจากโมเลกุลของแก๊ส NO2 เข้ามาชิดกันมากขึ้นทำให้ความเข้มข้นของแก๊ส NO2 เพิ่มขึ้นชั่วขณะหนึ่ง ต่อมาสีจางลงเล็กน้อยแสดงว่าที่ภาวะนี้แก๊ส NO2 ลดลง เพราะเกิดปฏิกิริยาเป็นแก๊ส N2O4 เพิ่มขึ้นหลังจากนั้นสีจะเข้มขึ้นแล้วคงที่ แสดงว่าระบบเข้าสู่ภาวะสมดุลอีกครั้งแต่เมื่อดึงก้านหลอดฉีดยาสีของแก๊สจางลง แสดงว่าความเข้มข้นของแก๊ส NO2 ในระบบลดลง หลังจากนั้นสีจะเข้มขึ้นแล้วคงที่ แสดงว่าภาวะสมดุลของระบบเปลี่ยนแปลงไปและในที่สุดระบบจะเข้าสู่ภาวะที่สมดุลอีกครั้ง สรุปได้ว่าการเปลี่ยนแปลงความดันของระบบ ทำให้สมดุลของระบบถูกรบกวนและในที่สุดระบบก็จะปรับตัวเพื่อเข้าสู่ภาวะสมดุลอีกครั้ง

สรุปผลการทดลอง (ต่อ) ตอนที่ 3 1.เมื่อลดอุณหภูมิ แก๊สมีสีจางลงแล้วคงที่ แสดงว่าภาวะสมดุลเปลี่ยนแปลงไปเนื่องจากแก๊ส NO2 เกิดปฏิกิริยาได้แก๊ส N2O4 เพิ่มขึ้น แล้วระบบเข้าสู่สมดุลอีกครั้ง ณ อุณหภูมินั้น สีจึงคงที่ 2.เมื่อเพิ่มอุณหภูมิแก๊สมีสีเข้มขึ้น แสดงว่าภาวะสมดุลเปลี่ยนแปลงไปโดยเกิดปฏิกิริยาย้อนกลับ ทำให้มีแก๊ส NO2 เกิดมากขึ้น สีจึงเข้มขึ้นแล้วคงที่ แสดงว่าระบบเข้าสู่สมดุลอีกครั้ง ณ อุณหภูมินั้น

อภิปรายหลังการทดลอง (ต่อ) 3. เมื่อเพิ่มอุณหภูมิแล้วเกิดแก๊ส NO2 มากขึ้น แสดงว่าการเกิดแก๊ส NO2 เป็นปฏิกิริยาดูดความร้อนแต่เมื่อลดอุณหภูมิแก๊ส NO2 จะลดลง เกิดแก๊ส N2O4 มากขึ้น แสดงว่าการเกิดแก๊ส N2O4 เป็นปฏิกิริยาคายความร้อน เขียนสมการแสดงภาวะสมดุลได้ดังนี้ 2NO2(g) N2O4(g) คายความร้อน ดูดความร้อน

7.4 ผลของการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้น ความดันและอุณหภูมิ 7.4 ผลของการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้น ความดันและอุณหภูมิ ผลของการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นที่มีต่อภาวะสมดุล ผลของการเปลี่ยนแปลงความดันที่มีผลต่อภาวะสมดุล ผลของการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่มีต่อภาวะสมดุล

1. ผลของการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นที่มีต่อภาวะสมดุล การเพิ่มหรือลดความเข้มข้นของสารหนึ่งสารใดในปฏิกิริยาเคมี เป็นเหตุให้ภาวะสมดุลเปลี่ยนไป แต่ค่าคงที่สมดุลยังคงเดิม เช่น ถ้าเพิ่มความเข้มข้นของ H2, I2 สมดุลจะเลื่อนไปทางขวา

A(aq) + B(aq) C (aq) + D (aq)

2. ผลของการเปลี่ยนแปลงความดันที่มีต่อภาวะสมดุล ในระบบเคมีที่มีองค์ประกอบเป็นก๊าซ ถ้าความดันของระบบเพิ่มขึ้น สมดุลจะเลื่อนไปทางฝ่ายที่มีจำนวนโมลน้อย เช่น N2 + 3H2 2NH3 เมื่อเพิ่มความดัน สมดุลจะเลื่อนไปทางขวา **ในกรณีที่โมลเท่ากัน ความดันจะไม่มีผลต่อสมดุล**

เมื่อจำนวนโมลทั้งสองข้างของปฏิกิริยาเคมีเท่ากัน ความดันไม่มีผลต่อสมดุล H2 (g) + I2 (g) 2HI (g) N2 (g) + O2 (g) 2NO (g) จำนวนโมลทั้งสองข้างของปฏิกิริยาเคมีไม่เท่ากัน ความดันมีผลต่อสมดุล แต่ K ไม่เปลี่ยน 2N2O (g) 2N2 (g) + O2 (g)

เพิ่มความดัน (ลด V) ทำให้ระบบเกิดปฏิกิริยาไปในทิศทางที่ทำให้จำนวนโมลของแก๊สรวมลดลง N2O4 (g) 2NO (g) ลดความดัน (เพิ่ม V) ทำให้ระบบเกิดปฏิกิริยาไปในทิศทางที่ทำให้จำนวนโมลของแก๊สรวมเพิ่มขึ้น N2O4 (g) 2NO (g)

3. ผลของการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่มีต่อภาวะสมดุล สมดุลของปฏิกิริยาคายความร้อน H2(g) + I2(g) 2HI(g) H = -9.4 KJ หรือ H2(g) + I2(g) 2HI(g) + 9.4 KJ 2. สมดุลของปฏิกิริยาดูดความร้อน N2O4(g) 2NO2(g) H = +57.2 KJ หรือ N2O4(g) +57.2 KJ 2NO2(g)

1. ปฏิกิริยาคายความร้อน ถ้าเพิ่มอุณหภูมิสูงขึ้น ผลิตภัณฑ์น้อยลง ค่า K จะลดลง ถ้าลดอุณหภูมิลดลง ผลิตภัณฑ์มากขึ้น ค่า K จะเพิ่มขึ้น 2. ปฏิกิริยาดูดความร้อน ถ้าเพิ่มอุณหภูมิสูงขึ้น ผลิตภัณฑ์มากขึ้นค่า K จะมากขึ้น ถ้าลดอุณหภูมิลดลง ผลิตภัณฑ์น้อยลงค่า K จะลดลง

Exothermic reaction ถ้า T2  T1 product เกิดไม่ดี K (คายความร้อน) Energy

(ดูดความร้อน) Endothermic reaction ถ้า T2  T1 product เกิดดี K Energy

ลักษณะทั่วไปของสภาวะสมดุล เมื่อระบบอยู่ในสมดุลแต่มีสิ่งอื่นจากภายนอกมารบกวนระบบ เช่น การเปลี่ยนอุณหภูมิ ความดัน สมดุลของระบบจะเสียไป เมื่อหยุดรบกวน ระบบจะเข้าสู่สมดุลใหม่ได้เอง -----------> เลอชาเตอลิเยร์ การเข้าสู่สมดุลของระบบอาจเริ่มจากทิศใดก็ได้ โดยพยายามลดสิ่งที่รบกวนให้เหลือน้อยที่สุด

หลักของเลอชาเตอลิเอ “เมื่อระบบที่อยู่ในภาวะสมดุล ถูกรบกวนโดยการเปลี่ยนแปลง ปัจจัยที่มีผลต่อสมดุล ระบบจะเปลี่ยนแปลงไปในทิศทางที่ลดผล ของการรบกวนนั้น เพื่อให้ระบบกลับคืนสู่ภาวะสมดุลอีกครั้ง” เช่น

การใช้หลักของเลอชาเตอลิเอ ในอุตสาหกรรม การผลิตก๊าซแอมโมเนีย (กระบวนการฮาเบอร์) ความเข้มข้น - เพิ่มความเข้มข้นของก๊าซ N2 และ ก๊าซ H2 อุณหภูมิ - ลดอุณหภูมิ ความดัน - เพิ่มความดัน

การเตรียมก๊าซซัลเฟอร์ไตรออกไซด์ (SO3) เพื่อเป็นสารตั้งต้นในการเตรียมกรดซัลฟิวริก ; ปฏิกิริยาคายความร้อน การสังเคราะห์เพชรจากแกรไฟต์ ดังสมการ แกรไฟต์ เพชร

7.6 สมดุลเคมีในสิ่งมีชีวิตและสิ่งแวดล้อม กระบวนการหายใจ การแลกเปลี่ยนแก๊สในระบบหมุนเวียนเลือด

แก๊สในกระแสเลือด

กฏของเฮนรี่

กฏของเฮนรี่