สมดุลเคมี

การเปลี่ยนแปลงที่ผันกลับได้ การเปลี่ยนแปลงของระบบที่ผันกลับได้ก่อให้เกิด สมดุลเคมีได้มี 3 ประเภท 1 การละลายเป็นสารละลาย KNO3(s) K+(aq) + NO3- (aq) 2 การเปลี่ยนสถานะของสาร ของแข็ง ของเหลว ก๊าซ

3 การเกิดปฏิกิริยาเคมี ปฏิกิริยาไปข้างหน้าอย่างเดียว หรือ ปฏิกิริยาสมบูรณ์ (Irreversible reaction) ปฏิกิริยาที่สารตั้งต้นทำปฏิกิริยากัน จนหมด เกิดเป็นผลิตภัณฑ์อย่างสมบูรณ์ โดยไม่ย้อนกลับ 2H2 + O2 2H2O C + O2 CO2 Zn + 2H+ Zn2+ + H2

2. ปฏิกิริยาแบบมีสมดุล หรือปฏิกิริยาไม่สมบูรณ์ ปฏิกิริยาที่สารตั้งต้นทำปฏิกิริยากัน เกิด ผลิตภัณฑ์และขณะเดียวกันผลิตภัณฑ์บาง ส่วนทำปฏิกิริยากันกลับเป็นสารตั้งต้นใหม่ ทำให้ปฏิกิริยาเกิดไม่สมบูรณ์ไม่ว่าจะใช้ เวลานานเท่าใดก็ตาม เรียกว่า ปฏิกิริยาผันกลับได้ (Reversible reaction) NO2 + NO2 N2O4 สีน้ำตาลแก่ ไม่มีสี

ตัวอย่าง การเปลี่ยนแปลงของระบบใดต่อไปนี้ผันกลับ ได้ ก. ถ้วยใส่น้ำแข็งวางไว้ในห้อง ข. น้ำโซดาในขวดปิดฝา ค. เกล็ด I2 ในขวดชมพู่ปิดฝา ง. ละลายน้ำตาลในน้ำจนอิ่มตัวมีน้ำตาลเหลือ ในบิกเกอร์ จ. ผสม NaOH กับ NH4Cl ในบิกเกอร์ที่ไม่ได้ ปิดฝา ฉ. ผสม Al กับ HCl ในภาชนะที่ปิดฝาสนิท

ภาวะสมดุล (Equilibrium state) ภาวะของระบบที่อัตราเร็วของการเปลี่ยนแปลง ไปข้างหน้าเท่ากับอัตราเร็วของการเปลี่ยนแปลง ย้อนกลับ - ที่สมดุลความเข้มข้นของสารตั้งต้นและ สารผลิตภัณฑ์คงที่

เงื่อนไขของการเกิดภาวะสมดุลเคมี 1. อยู่ในระบบปิด 2. สมบัติของระบบคงที่ 3. เป็นการเปลี่ยนแปลงที่ผันกลับได้ 4. อัตราการเปลี่ยนแปลงไปข้างหน้าเท่ากับ อัตราการเปลี่ยนแปลงย้อนกลับ 5. ระบบนั้นต้องมีสารตั้งต้นเหลือ และสารผลิต ภัณฑ์เกิดขึ้น สารทุกชนิดในระบบต้องมี ปริมาณคงที่

ภาวะสมดุลในปฏิกิริยาเคมี 2Fe3+ + 2I- 2Fe2+ + I2 เมื่อระบบคงที่เอาสารละลายมาทดสอบสารแต่ละ ชนิดในระบบ

พบว่าทดสอบพบสารทุกชนิด - I2 ทดสอบด้วยน้ำแป้ง ให้สีน้ำเงิน - Fe2+ ทดสอบด้วย [Fe(CN)6]3- ให้ตะกอนสีน้ำเงิน - Fe3+ ทดสอบด้วย SCN- ให้สารละลายสีแดง เลือดนก - I- ทดสอบด้วย AgNO3 ให้ตะกอนสีเหลืองอ่อน

สรุป 2Fe2+ + I2 2Fe3+ + 2I- 2Fe3+ + 2I- 2Fe2+ + I2 ในปฏิกิริยาผันกลับใดๆ ที่เกิดขึ้น จะมีการ เปลี่ยนแปลงของปฏิกิริยาจนถึงภาวะหนึ่ง ที่การเปลี่ยนแปลงของสารตั้งต้นและผลิต ภัณฑ์คงที่ เรียกว่า ภาวะสมดุล

สมดุลไดนามิก (Dymamic Equilibrium) เป็นขบวนการที่ระบบมีการเปลี่ยนแปลงตลอด เวลาไม่หยุดนิ่ง โดยการเปลี่ยนแปลงไปข้างหน้าและย้อนกลับเกิดขึ้นในอัตราที่เท่ากัน สมดุลเคมี เป็นสมดุลพลวัต (dymamic equilibrium)

ประเภทของสมดุลไดนามิก 1.สมดุลเคมีเนื้อเดียว (สมดุลเอกพันธุ์) (Homogeneous chemical equilibrium) สมดุลที่สารทุกชนิดอยู่ในสถานะเดียวกันหมด N2(g) + 2H2(g) 2NH3 CH3COOH + CH3CH2OH CH3COOCH2CH3 + H2O PbO + Sn Pb + SnO CH3COOH CH3COO- + H+ Fe2+ Fe3+ + e

2.สมดุลเคมีเนื้อผสม (สมดุลวิวิธพันธุ์) (Heterogeneous chemical equilibrium) สมดุลที่มีสารต่างๆมากกว่า 2 สถานะอยู่ ในระบบเดียวกัน CaCO3 CaO + CO2 AgCl Ag+ + Cl- H2 + Br2 2HBr

การดำเนินเข้าสู่ภาวะสมดุลของระบบ ปฏิกิริยาสามารถเริ่มจากด้านใดก็ได้ - ผลที่ได้จะมีลักษณะเช่นเดียวกัน N2O4 NO2 N O

ที่สมดุลความเข้มข้นของ NO2 และ N2O4 ไม่เท่ากัน เวลา เริ่มต้นมี NO2 อย่างเดียว NO2 N2O4 ความเข้มข้น เวลา เริ่มต้นมี N2O4 อย่างเดียว เริ่มต้นมี N2O4 และ NO2 NO2 N2O4 ความเข้มข้น เวลา ที่สมดุลความเข้มข้นของ NO2 และ N2O4 ไม่เท่ากัน

กราฟของสมดุลเคมี 1. กราฟอัตรากับเวลา X2 + 2Y2 2XY2 อัตราการเกิดปฏิกิริยา เวลา (s) X2 + 2Y2 2XY2 2XY2 X2 + 2Y2

2.กราฟระหว่างความเข้มข้นกับเวลา ก. สารตั้งต้นเหลือน้อยกว่าผลิตภัณฑ์ X Y [X] [Y] ความเข้มข้น เวลา [X] < [Y]

ข. สารตั้งต้นเหลือมากกว่าผลิตภัณฑ์ X Y [X] [Y] ความเข้มข้น เวลา [X] > [Y]

ค. สารตั้งต้นเหลือเท่ากับผลิตภัณฑ์ X Y [X] [Y] ความเข้มข้น เวลา [X] > [Y]

ตัวอย่าง กำหนดสมดุลของปฏิกิริยา N2 + 3H2 2NH3 เริ่มต้นใส่ก๊าซ N2 1.0 โมล และก๊าซ H2 0.8 โมล ในภาชนะ 1 dm3 ให้ทำปฏิกิริยากัน เกิดก๊าซ NH3 ที่อุณหภูมิหนึ่ง โดยอัตราไปข้างหน้าลดลงช้า แต่ อัตราการเกิดปฏิกิริยาย้อนกลับเพิ่มขึ้น เมื่อเข้าสู่ สมดุลพบว่ามีก๊าซ NH3 เกิดขึ้น 0.4 โมล ที่เวลา 30 วินาที จงเขียนกราฟแสดงสมดุล

1. กราฟอัตรากับเวลา อัตราการเกิดปฏิกิริยา เวลา (s) 30 N2 + 3H2 2NH3

2.กราฟระหว่างความเข้มข้นกับเวลา [N2] [H2] ความเข้มข้น เวลา (s) [NH3] 30

ค่าคงที่สมดุล (Equilibrium Constant) เป็นค่าที่บอกให้ทราบถึงความสัมพันธ์ระหว่างความเข้มข้นของสารต่างๆ ที่ภาวะสมดุล ซึ่งหาได้จากอัตราส่วนระหว่างผลคูณของความเข้มข้นของ ผลิตภัณฑ์แต่ละชนิดยกกำลังด้วยสัมประสิทธิ์บอกจำนวนโมลของผลิต- ภัณฑ์นั้นๆกับผลคูณของความเข้มข้นของสารตั้งต้นที่เหลือแต่ละชนิด ยกกำลังด้วยสัมประสิทธิ์บอกจำนวนโมลของสารที่เหลือที่สภาวะสมดุล จะมีค่าคงที่เสมอเมื่ออุณหภูมิคงที่ ค่าคงที่ของสมดุล แทนด้วยสัญลักษณ์ K

สมการที่ได้นี้เรียกว่า กฎของภาวะสมดุลทางเคมี (Law of Chemical Equilibrium) เศษส่วนทางขวามือ เรียกว่า Mass action expression

[ผลิตภัณฑ์]โมล [ผลิตภัณฑ์]โมล [สารตั้งต้น]โมล [สารตั้งต้น]โมล K =

** ค่า K จะบอกปริมาณผลิตภัณฑ์ว่าเกิดมากหรือน้อย

ค่าคงที่สมดุลกับสมการเคมี ในปฏิกิริยาเนื้อผสม ถ้าสารที่เกี่ยวข้องในปฏิกิริยามีของแข็ง(s)) หรือของเหลวบริสุทธิ์(l) รวมอยู่ด้วยไม่ต้องนำความเข้มข้นของสารที่เป็น ของแข็งหรือของเหลวที่บริสุทธิ์มาเขียนไว้ในอัตราส่วนที่แสดงค่าคงที่ ของสมดุล เพราะสารที่เป็นของแข็งและของเหลวบริสุทธิ์จะมีความเข้มข้น คงที่ Fe2+(aq) + Ag+(aq) Fe3+(aq) + Ag(s)

CO2(g) + H2(g) CO(g) + H2O(l) 3Fe(s) + 4H2O(g) Fe3O4(s) + 4H2(g)

โจทย์ จงเขียนความสัมพันธ์ของค่าคงที่สมดุลและ หน่วยของค่าคงที่สมดุลจากปฏิกิริยาต่อไปนี้ ก. 4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g) ข. 2SO3(g) + 2Cl2(g) 2SO2Cl2(g) + O2(g) ค. SO3(g) + H2(g) SO2(g) + H2O(g) ง. 2HgO(s) 2Hg(l) + O2(g) จ. H2O(l) H+(aq) + OH-(aq) **ของแข็งและของเหลวที่บริสุทธ์มีความเข้มข้น คงที่ให้นำความเข้มข้นไปรวมกับค่า K

ข้อสังเกตเกี่ยวกับค่าคงที่ของสมดุล (K) ค่า K ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิคือ เมื่ออุณหภูมิคงที่ ค่า K ก็จะคงที่ แต่ถ้าอุณหภูมิเปลี่ยนค่า K ก็จะเปลี่ยนด้วย ดังนั้นเมื่อกล่าวถึงค่า K จะต้องอ้างถึงอุณหภูมิด้วยเสมอ ค่า K ในปฏิกิริยาต่างชนิดกันส่วนใหญ่จะมีหน่วยต่างกันและ บางปฏิกิริยาไม่มีหน่วย หน่วยของค่า K จะเป็นอย่างไรขึ้นอยู่กับ mass action expression เช่น N2O4(g) 2NO2(g)

N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)

ความสำคัญของค่าคงที่สมดุล, K บอกให้ทราบว่าที่สมดุลมีสารตั้งต้นหรือ ผลิตภัณฑ์มากกว่ากัน K >> 1 สมดุลไปทางขวามีผลิตภัณฑ์มากกว่า K << 1 สมดุลไปทางซ้ายมีสารตั้งต้นมากกว่า

ความสัมพันธ์ระหว่างค่าคงที่สมดุลกับสมการเคมี 1. ถ้าเขียนสมการย้อนกลับ k ใหม่จะเป็นส่วนกลับของ k เดิม K2 = 1 k1 K1• k2 = 1

A + B C ; K1 = 2 C A + B ; K2 = ? K2 = 1 1 K1 2

เช่น N2O4(g) 2NO2(g) =0.36 (ที่ 100’C) เมื่อเขียนสมการย้อนกลับ จะได้ 2NO2(g) N2O4(g)

ค่าคงที่สมดุลกับสมการเคมี 2. ถ้าสมดุลเดิมถูกคูณด้วยจำนวนเต็ม n K ใหม่จะมีค่าเท่ากับ k เดิมยกกำลัง n K2 = (K1)n

1/2N2O4(g) NO2(g) ถ้าคูณสมการด้วย 2 จะได้ N2O4(g) 2NO2(g)

ค่าคงที่สมดุลกับสมการเคมี 3. ถ้าสมการใหม่ เกิดจากสมการย่อยรวมกัน k ใหม่จะเท่ากับ k ย่อยคูณกัน K3 = K1 • K2

SO2(g) + 1/2O2(g) SO3(g) ;K1=20 NO2(g) NO(g) + 1/2O2(g) ;K2 =0.01 SO2(g) + NO2(g) SO3(g) + NO(g) ; K3=?

Ex1 ค่าคงที่สมดุลของปฏิกิริยา 2NO(g)+O2(g) 2NO2(g) เท่ากับ 1 x 1012 จงหาค่าคงที่ของสมการ NO(g)+1/2O2(g) NO2(g) K2 = (K1)1/2 K2 = (1x1012)1/2

Ex2 กำหนดค่าคงที่ของสมการต่างๆ ดังนี้ + + - x2

+x2 3 - +(x2)- K4=K1(K3)2x1/K2

โจทย์ จากปฏิกิริยา จงหาค่าคงที่สมดุลของปฏิกิริยาต่อไปนี้

การคำนวณเกี่ยวกับค่าคงที่สมดุล Ex1 ปฏิกิริยา 2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g) ซึ่งเกิดในภาชนะขนาด 2 ลิตร เมื่อปฏิกิริยาเข้าสู่สมดุลพบว่าในภาชนะ ประกอบด้วย SO3 1.2 mol SO2 0.4 mol และ O2 0.6 mol จงหาค่าคงที่สมดุล แทนค่า วิธีทำ จากโจทย์ [SO3] = 0.6M [SO2] = 0.2M [O2] = 0.3M = 30

Ex2 จากปฏิกิริยา 2H2S(g) 2H2(g)+S2(g) เมื่อถึงสมดุลมี H2S 2 mol, H2 0.4 mol และ S2 1.6 mol ในภาชนะขนาด 500 cm3 จงหาค่าคงที่สมดุลของ ปฏิกิริยานี้ Ex3 จากปฏิกิริยา PCl5(g) PCl3(g)+Cl2(g) ที่ภาวะเริ่มต้น PCl5 และ PCl3 มีค่าเท่ากับ 0.84M และ 0.18M ตามลำดับ ถ้าที่ภาวะสมดุล PCl5 มีความเข้มข้นเท่ากับ 0.72M ค่าคงที่สมดุลของปฏิกิริยานี้มีค่าเท่าใด

Ex4 ปฏิกิริยา A + B C + D มีค่าคงที่สมดุล เท่ากับ 9 ถ้าผสม A และ B อย่างละ 2 mol/dm3 เข้าด้วยกัน จะมี B และ C อยู่อย่างละกี่ mol/dm3 ที่ภาวะสมดุล Ex5 จากสมดุล I2(g) + Br2(g) 2IBr(g) มีค่าคงที่สมดุล 256 ที่ 150’C ถ้าเริ่มต้นด้วย I2 และ Br2 ปริมาณเท่ากันในภาชนะปิด ณ สมดุลมี IBr อยู่ 4 mol/dm3 จงหาความเข้มข้นของ I2 ที่เหลือในหน่วย mol/dm3

จงหาค่า K ของปฏิกิริยา C + D A + B จากปฏิกิริยา 2A C + X ; K1 = 5 X + B A + D ; K2 = 8 จงหาค่า K ของปฏิกิริยา C + D A + B