สมดุลเคมี Chemical Equilibriumchem.flas.kps.ku.ac.th/01403117/2015/CH09-CHEM-EQ-BW.pdf · Chemical Equilibrium Chemical Equilibrium 3 FLAS: Chemical Equilibrium

Chemical Equilibrium

Chemical Equilibrium 1

สมดลเคมChemical Equilibrium

โครงการจดตงภาควชาเคม คณะศลปศาสตรและวทยาศาสตร

มหาวทยาลยเกษตรศาสตร วทยาเขตกาแพงแสน

2FLAS: Chemical Equilibrium

เนอหา

ลกษณะทวไปของสภาวะสมดล

คาคงทสมดล (K)

ขอสรปเกยวกบคา K

หลกของเลอชาเตอลเยร




ปฏกรยาผนกลบได (Reversible Reaction)

ปฏกรยาผนกลบไดคอปฏกรยาทสารผลตภณฑสามารถเกดปฏกรยายอนกลบและไดสารตงตนกลบคนมา

สารตงตน (reactant) ผลตภณฑ (product)N2O4(g) 2NO2(g)

กระบวนการเดนหนากระบวนการเดนหนา (forward reaction)N2O4(g) 2NO2(g)

กระบวนการยอนกลบกระบวนการยอนกลบ (backward reaction)2NO2(g) N2O4(g)


N2O4(g) 2NO2(g)

การเปลยนแปลงความเขมขนของ NO2 และ N2O4

(A) เมอ N2O4 เปนสารตงตน (B) เมอ NO2 เปนสารตงตน




สมดลเคม (Chemical Equilibrium)

rf = อตราการเกดปฏกรยาไปขางหนา

rb = อตราการเกดปฏกรยายอนกลบ

rf และ rb ขนกบสมบตเฉพาะตวและความเขมขนของสารตงตนของปฏกร ยานนๆ

เมออตราเดนหนาและยอนกลบ เทากน (rf=rb) ระบบจะอยในสมดล

ทสมดล ความเขมขนของสารทกตวในปฏกรยาจะคงท

rf = kf[A] rb= kb[B]=

A Bkf

kb


ลกษณะทวไปของสมดลเคม ทอณหภมหนง ๆ เมอระบบเขาสสมดล ระบบไมไดหยด

นง ยงคงมการเปลยนแปลงตลอด แต สมบตตาง ๆ ของระบบจะคงทเชน ความเขมขนของสาร ความหนาแนนความดน สมดลลกษณะนเรยกวา สมดลพลวต(dynamic equilibrium)




สมดลพลวต (Dynamic Equilibrium)

Forward Reaction rf = kf [A]

Backward Reaction rb = kb [B]

Equilibrium

A Bkf

kb


ผลคณความเขมขนผลคณความเขมขน(reaction quotient, Q)(reaction quotient, Q)

KBA

DC

BA

DC

beq

aeq

deq

ceq

eq

ba

dc

][][

][][Q

][][

][][Q

คาคงทสมดล (Equilibrium Constant) สาหรบปฏกรยาทเกดขนในขนตอนเดยว (single-step reaction)

aA + bB cC + dDทภาวะสมดลจะได

K เปนคาคงทสมดล (ขนกบอณหภม) K มาก มผลตภณฑมาก (kf >> kb)

K นอย มสารตงตนมาก (kf << kb)

kf

kb

beq

aeq

deq

ceq

b

f

BA

DC

k

k

][][

][][ K

Products

Reactants

dcb

baf DCkBAk ][][][][




ผลคณความเขมขน (Reaction Quotient) Reaction Quotient (Q) คอ ผลคณความเขมขน หรอ ผลคณไอออน

สาหรบปฏกรยาใด ๆ aA + bB cC + dD

• a(X) คอกมมนตภาพ (activity) ของสาร X

คากมมนตภาพอาจประมาณไดดงนสารละลาย a(A) [A]

แกส a(B) PB

ของแขง ของเหลวบรสทธ a(C) 1

ba

dc

)()(

)()(

BaAa

DaCaQ

ba

dc

][][

][][

BA

DCQ

ผลคณความเขมขน =


คาคงทสมดล (Equilibrium Constant; K) ความสมพนธระหวางปรมาณสารตงตนและสารผลตภณฑทสมดล

N2O4(g) 2NO2(g)Initial Conc. Equilibrium Conc. Equi. Const.

[N2O4] [NO2] [N2O4] [NO2] [NO2]2/[N2O4]

0.0400 0.0000 0.0337 0.0125 4.64x10-3

0.0000 0.0800 0.0337 0.0125 4.64x10-3

0.0600 0.0000 0.0522 0.0156 4.64x10-3

0.0000 0.0600 0.0246 0.0107 4.64x10-3

0.0200 0.0600 0.0429 0.0141 4.64x10-3

ท 25 °C




ปฏกรยาทเกดในหลายขนตอน

ปฏกรยา 2A + B C + D step 1: 2A A2

step 2: A2 + B C + D

คา K ของปฏกรยารวม

คา K ของปฏกรยาไมวาจะเกดในขนตอนเดยวหรอ หลายขนตอนจะมคาเทากน

22

1][

][

A

AK

]][[

][D][

2

2BA

CK

][][

][D][

]][[

][D][

][

][

22

22

21BA

C

BA

C

A

AKKK


ตวอยางสมการคาคงทสมดล PCl5(g) PCl3(g) + Cl2(g)

H2(g) + I2(g) 2Hl(g)

2H2O2 (g) 2H2O(g) + O2(g)

][

][][

5

23

PCl

ClPClK

][][

][

22

2

IH

HIK

222

22

2

][

][][

OH

OOHK




แบบฝกหด (1) จงเขยนสมการคา K CO(g)+ ½ O2(g) CO2(g)

FeO(s)+ CO(g) Fe(s) + CO2(g)

CH4(g)+ 2H2S(g) CS2(g) + 4H2(g)

2NO (g)+ Cl2(g) 2NOCl(g)


การคานวณหาความเขมขนทสมดล1. เขยนสมการเคมและดลสมการ2. หาความเขมขนของสารแตละตว

ความเขมขนเรมตน ([A]0, [B]0, [P]0) ความเขมขนทเปลยนแปลงไป (x) ความเขมขนทสมดล ([A]0–x, [P]0+x)

3. แทนคาความเขมขนทสมดลของสารแตละตว(เปนฟงกชนของ x) ในสมการคาคงทสมดล

4. แกสมการคาคงทสมดลเพอหาคาความเขมขนทเปลยนไป (x)

5. หาความเขมขนทสมดลโดยแทนคา x ทคานวณไดจากขอ 4




ตวอยาง แกสไฮโดรเจน 2 mol ทาปฏกรยากบแกสไอโอดน 2 mol ใหแกส

ไฮโดรเจนไอโอไดดโดยทดลองในภาชนะ 1 L ทอณหภม 450 C เมอถงสมดลจะมแกสแตละชนดเทาใด เมอคา K = 50

H2(g) + I2(g) 2HI(g)

[H2] [I2] [HI]

Initial 2 M 2 M 0 M

Change -x M -x M +2x M

Equilibrium 2–x M 2–x M 2x M

xx

x

IH

HIK

22

)2(50

]][[

][ 2

22

2

ดงนนทสมดล ความเขมขนของแกสแตละชนดมคาดงน


L-1mol6.1

1.72.142

x

xx

1

12

12

Lmol2.32][

Lmol4.00.2][

Lmol4.00.2][

xHI

xI

xH

xx

2

)2(50




สมดลของปฏกรยาววธพนธ พจารณาปฏกรยาทประกอบดวยสารมากกวาหนงวฏภาค

Pb2+(aq) + Zn(s) Pb(s) + Zn2+(aq)

คาความเขมขนของของแขง (s) และของเหลวบรสทธ (l) มคาคงท

คา Kc คอคาคงทสมดลเมอพจารณาเฉพาะความเขมขน ของสารละลาย

]][(s)[

](s)][[

2

2

PbZn

ZnPbK

][

][

(s)][

(s)][2

2

Pb

Zn

Pb

ZnKKC

*อาจพจารณาวา ความเขมขนของ ของแขงหรอของเหลวบรสทธ = 1


FeO(s) + CO(g) Fe(s) + CO2(g)

คาความเขมขนของของแขง (s) และของเหลวบรสทธ (l) มคาคงท*

])][([

]e(s)][[ 2

COsFeO

COFK

][

][

][

][ 2

CO

CO

Fe(s)

FeO(s)KKC




สมดลของปฏกรยาเกยวของกบแกส

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

ในกรณของแกส อาจใชความดนแทนความเขมขนได โดยคาคงททไดจะเรยกวา KP

322

23

]][[

][

HN

NHKC

3

2

22

3

HN

NH

PPP

PK


ความสมพนธระหวาง KC และ KP

ความเขมขน(M) คอปรมาณสาร(โมล)ตอปรมาตร(ลตร)

กฎของแกส RTV

nPnRTPV

][

][

RTBP

RTARTV

nP

B

AA

RTV

nP

atm

mol

L

K

atm·L mol-1 K-1




aA + bB cC + dD

n(g) คอ ผลตางจานวมโมลของแกส

เมอ n(g) = 0

เมอ n(g) 0 )(gn

CP RTKK

CP KK

)( gn

PC RTKK

)( gn

CP RTKK

)()()( badcgn

)(

][][

][][

][][

][][ gn

ba

dc

bbaa

ddcc

bB

aA

dD

cC

p RTBA

DC

RTBRTA

RTDRTC

PP

PPK


ตวอยาง จงหาคาคงทสมดลของปฏกรยา

2 NO2(g) N2O4(g) ท 25 °C ทภาวะสมดล PNO2

= 0.150 atm PN2O4= 0.160 atm

111.7atm 111.7

atm 150.0

atm 160.0 1

22

2

42

NO

ON

PP

PK

Kc = Kp(RT) -n = 7.111 atm-1 (RT) -n

n = 1-2 = -1Kc = 7.111 atm-1 (0.082 L atm mol-1 K-1 x 298.15 K) –(-1)

= 173.85




แบบฝกหด จงหาคาคงทสมดล KC ของปฏกรยา ทอณหภม 25C

2 SO2(g)+O2(g) 2 SO3(g) เมอ KP=2.5x1024 atm-1


ขอสรปเกยวกบคาคงทสมดล1. การระบคาคงทสมดล ตองระบสมการเคมและ

อณหภม (ถาใชสมประสทธตางกนคา K จะตางกน)H2(g) + I2(g) 2HI(g)

2. 2H2(g) + 2I2(g) 4HI(g )

]][[

][

22

2

IH

HIK

2

22

22

4

][][

][K

IH

HIK '




2. ถาเขยนสมการแสดงปฏกรยายอนกลบ คาคงทสมดลจะเปนสวนกลบของคาคงทสมดลเดม

2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)

2NO2(g) 2NO(g) + O2(g)

KN

ONK

1

]O[

][O][2

2

22

'

][O][

]O[

22

22

ON

NK


3. สาหรบปฏกรยาทประกอบดวยหลายขนตอนยอยK รวมของปฏกรยา = ผลคณคา K ของปฏกรยายอย

K = K1·K2·K3…

4. ความเขมขนของ ของเหลวและของแขงบรสทธ มคาคงท (= 1) คา K ทไดจะเปน Kc

5. สามารถใชความดนแทนความเขมขนของแกสในการหาคา K (ซงจะเปน KP)




หลกของเลอชาเตอลเยร (Le Chatelier’s Principle)

เมอระบบทอยในสภาวะสมดลถกรบกวนทาใหสมดล ของระบบเสยไป ระบบจะปรบตวไปในทศทางทจะทาใหผลกระทบจากปจจยทรบกวนระบบนนลดลงหรอเหลอนอยทสดแลวระบบจะเขาสสมดลใหมอกครง

การเขาสสมดลของระบบจะเรมจากทศใดกได


ปจจยทมผลตอสมดล ความเขมขนความเขมขน:: การเพมหรอลดความเขมขนของสารใน

ปฏกรยาจะทาใหสมดลเคม เสยไป (QK) ปฏกรยาจะปรบตวเพอใหคาผลคณความเขมขน (Q) เทากบคาคงทสมดล (K) อกครง (ไมมผลตอ K)

ความดนความดน:: การเพมหรอลดความดนจะสงผลตอปรมาตรของสาร ปฏกรยาจะปรบตวไปในทศทางททาใหเกดการเพมปรมาตรหรอลดปรมาตรเพอหกลางกบคาความดนทเปลยนแปลงไป (ไมมผลตอ K)

อณหภมอณหภม:: การเปลยนแปลงอณหภมจะทาใหคา K เปลยนแปลง ปฏกรยาจะปรบตวเพอใหคาผลคณความเขมขน(Q) เทากบ คาคงทสมดล (K) คาใหม




การปรบตวของสมดล

ทสมดล ผลคณความเขมขน = K

เมอสมดลถกรบกวน ความเขมขน ความดน Q เปลยน

อณหภม K เปลยน

ระบบจะปรบตวเขาสสมดลใหม (โดยปรบคา Q) สมดลเลอนไปทางขวา (เพมผลตภณฑ)

สมดลเลอนไปทางซาย (เพมสารตงตน)

สมดลใหม

'' KQ

'' KQ eq


อทธพลของความเขมขนตอสมดล

N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) ทสมดล

เมอเตม N2(g) หรอ H2(g) จะรบกวนสมดลทาให

เมอเตม NH3(g) จะรบกวนสมดลโดยทาให

KHN

NH

322

23

]][[

][

KHN

NH<

322

23

]][[

][ ดงนน N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)

KHN

NH>

322

23

]][[

][ ดงนน N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)

ลดสารตงตน เพมผลตภณฑ

เพมสารตงตน ลดผลตภณฑ

KHN

NH

322

23

]][[

][

เพอ

เพอ




อทธพลของความดนตอสมดล ความดนจะมผลโดยตรงตอปรมาตรของสาร (แกส)

ถาจานวนโมลของแกสของสารตงตนและผลตภณฑใน สมการเคมเทากน (ng= 0) ความดนไมมผลตอสมดล N2(g) + O2(g) 2NO(g)

H2(g) + I2(g) 2HI(g)

ถาจานวนโมลของแกสของสารตงตนและผลตภณฑไม เทากน (ng 0) ความดนจะมผลตอสมดล 2N2O(g) 2N2(g) + O2(g)

ng = 0

ng = 3-2 = 1


อทธพลของความดนตอสมดล

2N2O(g) 2N2(g) + O2(g) ทสมดล

เพมความดน หรอ ลดปรมาตรภาชนะ

ลดความดน หรอ เพมปรมาตรภาชนะ

P

ON

ONK

P

PP

2

2

2

22

จานวนโมลของแกสลดลง

จานวนโมลของแกสเพมขน

2N2O(g) 2N2(g) + O2(g) P

ON

ONK

P

PP>

2

2

2

22

2N2O(g) 2N2(g) + O2(g) P

ON

ONK

P

PP<

2

2

2

22

P

ON

ONK

P

PP

2

2

2

22

เกดปฏกรยายอนกลบ

เกดปฏกรยาไปขางหนา



อทธพลของอณหภมตอสมดล ในปฏกรยาเคมทวไป การเปลยนแปลงอณหภมจะมผลตอคา

คงตวอตราซงสมพนธกบพลงงานกระตนตามสมการอารเรเนยส

k = Ae –Ea/RT

เมอมการเปลยนแปลงอณหภมจาก T1 เปน T2 จะมผลทาใหคาคงทสมดล (K)เปลยนแปลงไป ซงมความสมพนธดงสมการ ตอไปน

log K2 = H (1/T1 - 1/T2) ………..(1) K1 2.303R



***อธบายผลการเปลยนแปลงอณหภมทมตอสภาวะสมดลโดยพจารณาจากสมการ (1) ไดดงน***-ในปฏกรยาคายความรอน H มเครองหมาย – ถา T2 > T1log (K2/K1) มเครองหมายเปน – แสดงวา K1 > K2 ดงนนในปฏกรยาคายความรอน เมออณหภมสงขน คาคงตวสมดลจะลดลง นนคอสมดลจะเลอนไปทางซาย (ทาใหคาคงตวสมดลลดลง)

-ในปฏกรยาดดกลนความรอน H มเครองหมาย + ถา T2 > T1 log (K2/K1) มเครองหมายเปน + แสดงวา K2 > K1 ดงนนในปฏกรยาดดความรอน เมออณหภมสงขน คาคงตวสมดลจะเพมขน นนคอสมดลจะเลอนไปทางขวา (ทาใหคาคงตวสมดลเพมขน)***กลาวอกนยหนงวา เมอเพมอณหภม สมดลจะเปลยนแปลงไปในทางทดดความรอน แตถาลดอณหภม สมดลจะเปลยนแปลงไปในทางทคายความรอน***




ตวเรงปฏกรยาและสมดลเคม

ตวเรงปฏกรยา (catalyst) ทาใหปฏกรยาถงจดสมดลเรวขน เพมอตราเรวของปฏกรยาเดนหนา

เพมอตราเรวของปฏกรยายอนหลง

คาคงทสมดลไมเปลยนแปลง

ตวเรงปฏกรยาไมไดเปลยนแปลงสมดล


พลงงานอสระกบสและคาคงทสมดล เมอระบบอยในสภาวะสมดล G = 0

พลงงานอสระกบสสามารถหาไดจาก

G คอ คาพลงงานกบสมาตรฐาน

Q คอ ผลคณความเขมขน

aA + bB cC + dD

QRTGG ln

ba

dc

BA

DCRTGG

][][

][][ln

ความเขมขนของแกส ใชความดน (bar)ความเขมขนของ ของแขงหรอของเหลวบรสทธ = 1




ทสมดลจะได G = 0

ba

dc

BA

DCRTGG

][][

][][ln

beq

aeq

deq

ceq

BA

DCRTG

][][

][][ln

KRTG ln

ln K = - G/RT


ตวอยาง จงคานวณหาคาคงทสมดลของปฏกรยา

SO2(g) + ½ O2(g) SO3(g) ท 298 K (G = 69.84 kJ)

คา K มคานอย แสดงวาทสมดล สารตงตนเกอบเปลยนเปนสารผลตภณฑเลกนอย

Documents

สมดุลเคมี Chemical Equilibriumchem.flas.kps.ku.ac.th/01403117/2015/CH09-CHEM-EQ-BW.pdf · Chemical Equilibrium Chemical Equilibrium 3 FLAS: Chemical Equilibrium