สมดุลเคมี Chemical equilibrium - STREE-KMkm.streesp.ac.th/files/140514099384610_1406250882019.pdf · 2014-06-25 · 4 FLAS: Chemical Equilibrium สภาวะสมดุล

สมดลเคม Chemical Equilibrium

2

FLAS: Chemical Equilibrium

เนอหา ลกษณะทวไปของสภาวะสมดล คาคงทสมดล (K) ขอสรปเกยวกบคา K หลกของเลอชาเตอลเยร พลงงานอสระกบคาคงทสมดล

3


ปฏกรยาผนกลบได (Reversible Reaction)

ปฏกรยาผนกลบได คอปฏกรยาทสารผลตภณฑสามารถเกดปฏกรยายอนกลบและไดสารตงตนกลบคนมา

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

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

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

4


สภาวะสมดล (Equilibrium State) N2O4(g) 2NO2(g)

ไมมส สน าตาล เมอระบบอยทสมดลและมการเปลยนแปลงสภาวะของ ระบบ อาจเกดปฏกรยาเดนหนาหรอยอนกลบได

5


N2O4(g) 2NO2(g) การเปลยนแปลงความเขมขนของ NO2 และ N2O4

(A) เรมจาก N2O4 เพยงอยางเดยว (B) เรมจาก NO2 เพยงอยางเดยว

6


สมดลเคม (Chemical Equilibrium)

rf และ rb ขนกบสมบตเฉพาะ ตวและความเขมขนของสารตงตนของปฏกรยานนๆ

เมออตราเดนหนาและยอน กลบเทากน (rf=rb) ระบบจะอยในสมดล

ทสมดล ความเขมขนของสารทกตวในปฏกรยาจะคงท

Equilibrium

A B

rf = k[A] rb= k’[B]

k

k’

=

7


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

8


ลกษณะทวไปของสมดลเคม ทอณหภมหนง ๆ เมอระบบเขาสสมดล ระบบไมไดหยดนง ยงคงมการเปลยนแปลงตลอด แต สมบตตาง ๆ ของระบบจะคงทเชน ความเขมขนของสาร ความหนาแนน ความดน สมดลลกษณะนเรยกวา สมดลพลวตร (dynamic equilibrium)

เมอระบบอยในสมดลแตมปจจยจากภายนอกมารบกวนระบบ เชน การเปลยนแปลง T หรอ P สมดลของระบบจะเสยไป เมอหยดการรบกวนระบบจะเขาสสมดลใหมไดเอง ตามหลกของ เลอ ชาเตอลเยร (Le Chatelier's principle)

การเขาสสมดลของระบบอาจเรมจากทศใดกได

9


สมดลพลวตร (Dynamic Equilibrium)

Forward Reaction rf = kf [A]

Backward Reaction rb = kb [B]

ปรมาณสารทสมดลขนกบคา kf และ kb

kf >> kb ผลตภณฑมาก

kf << kb สารตงตนมาก

Equilibrium

A B kf

kb

10


ผลคณความเขมขน (reaction quotient, Q)

K B A

D C

B A

D C

b

eq

a

eq

d

eq

c

eq

eq

b a

d c

= =

=

] [ ] [

] [ ] [ Q

] [ ] [

] [ ] [ Q

คาคงทสมดล (Equilibrium Constant) ส าหรบปฏกรยาทเกดขนในขนตอนเดยว (single-step reaction)

aA + bB cC + dD ทสมดลจะได

K เปนคาคงท (ขนกบอณหภม) K มาก มผลตภณฑมาก K นอย มสารตงตนมาก

kf

kb

b

eq

a

eq

d

eq

c

eq

b

f

BA

DC

k

k

][][

][][ K ==

Products

Reactants

d c

b

b a

f D C k B A k ] [ ] [ ] [ ] [ =

11


การค านวณหาคา K ไมขนกบกลไกการเกดปฏกรยา ดงนนสมการคา K สามารถเขยนไดโดยตรงจากสมการของปฏกรยารวม

กลไกทมหลายขนตอน คา K ของปฏกรยารวมจะเทากบผลคณของคา K ของแตละปฏกรยายอย

K = K1·K2·K3…

คาคงทสมดล (K) ไมมหนวย

12


ปฏกรยาทเกดในหลายขนตอน ปฏกรยา 2A + B C + D step 1: 2A A2

step 2: A2 + B C + D

คา K ของปฏกรยารวม

คา K ของปฏกรยาไมวาจะเกดในขนตอนเดยวหรอหลายขนตอนจะมคาเทากน

2

21

][

][

A

AK =

]][[

][D][

2

2BA

CK =

][][

][D][

]][[

][D][

][

][

2

2

2

221

BA

C

BA

C

A

AKKK ===

13


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

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

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

] [

] [ ] [

5

2 3

PCl

Cl PCl K =

] [ ] [

] [

2 2

2

I H

HI K =

2

2 2

2

2

2

] [

] [ ] [

O H

O O H K =

14


พจารณาปฏกรยา

aA + bB cC + dD ถาระบบไมอยทสมดล ผลคณความเขมขน (Q) ไมเทากบคาคงทสมดล

ถา Q K ปฏกรยาจะเดนหนาเพอเขาสสมดล ถา Q K ปฏกรยาจะยอนกลบเพอเขาสสมดล

ปฏกรยาจะด าเนนไปในทศทางทท าให Q = K

Reactants Products

การปรบตวเขาสสมดล

kf

kb

KBA

DCba

dc

][][

][][

15


การค านวณหาความเขมขนทสมดล 1. เขยนสมการเคมและดลสมการ 2. 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 ทค านวณไดจากขอ 4

16


ตวอยางการหาความเขมขนทสมดล

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

Initial 1.0 0.5 0.0 Changes –x –x +2x Equilibrium 1.0 –x 0.5–x 2x

] 5 . 0 ][ 0 . 1 [

] 2 [

] [ ] [

] [

2

2 2

2

x x

x

I H

HI K

- - = =

17


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)

18


สมดลของปฏกรยาววธพนธ พจารณาปฏกรยาทประกอบดวยสารมากกวาหนงวฏภาค

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

คาความเขมขนของของแขง (s) และของเหลวบรสทธ (l) มคาคงท

คา Kc คอคาคงทสมดลเมอพจารณาเฉพาะความเขมขนของสารละลาย

]][(s)[

](s)][[

2

2

=PbZn

ZnPbK

][

][

(s)][

(s)][2

2

==Pb

Zn

Pb

ZnKKC

19


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

ความเขมขนของของแขง (s) และของเหลวบรสทธ (l) มคาคงท ใหพจารณาวา ความเขมขนของของแขงหรอของเหลวบรสทธ= 1

])][([

]e(s)][[ 2

COsFeO

COFK =

][

][

][

][ 2

CO

CO

Fe(s)

FeO(s)KKC ==

20


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

ในกรณของแกส อาจใชความดนแทนความเขมขนไดโดยคาคงททไดจะเรยกวา KP

3

22

2

3

]][[

][

HN

NHKC =

3

2

22

3

HN

NH

PPP

PK =

21


ความสมพนธระหวาง KC และ KP

ความเขมขน(M) คอปรมาณสาร(mol)ตอปรมาตร(L) กฎของแกส

ปฏกรยา aA(g) + bB(g) cC(g) + dD(g)

RTV

nPnRTPV

==

][

][

RTBP

RTARTV

nP

B

AA

=

=

=

)(

][][

][][

][][

][][ gn

ba

dc

bbaa

ddcc

b

B

a

A

d

D

c

Cp RT

BA

DC

RTBRTA

RTDRTC

PP

PPK

=

=

=

22


n(g) คอ ผลตางจ านวมโมลของแกส เมอ n(g) = 0

เมอ n(g) 0 )(gn

CP RTKK

=

CP KK =

)(gn

PC RTKK-

=

)(gn

CP RTKK

=

)()()( badcgn -=

RTV

nP

=atm

mol

L

K

atm·L

mol·K

23


ตวอยาง จงหาคาคงทสมดลของปฏกรยา

2 NO2(g) N2O4(g) ท 25 °C เมอทสมดล 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

1

1

1

15.298Kmol

atmL082.0atm 111.7

121

atm 111.7

-

-

-

=

-=-=

==

KK

n

RTRTKK

C

nn

PC

24


แบบฝกหด จงหาคาคงทสมดล KC ท 25 C ของปฏกรยา

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

CP RTKK

=

124

1

KmolatmL

1

KmolatmL124

atm 105.2

1K 15.298314.8

K 15.298314.8atm 105.2

-

-

-

-

=

=

C

C

K

K

25


ขอสรปเกยวกบคาคงทสมดล 1. การระบคาคงทสมดล ตองระบสมการเคมและ

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

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

]][[

][

22

2

IH

HIK =

2

2

2

2

2

4

][][

][K

IH

HIK =='

26


2. ถาเขยนสมการแสดงปฏกรยายอนกลบ คาคงทสมดลจะเปนสวนกลบของคาคงทสมดลเดม

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

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

KN

ONK

1

]O[

][O][2

2

2

2

=='

][O][

]O[

2

2

2

2

ON

NK =

27


3. ส าหรบปฏกรยาทประกอบดวยหลายขนตอนยอย K รวมของปฏกรยา = ผลคณคา K ของปฏกรยายอย

K = K1·K2·K3…

3. ความเขมขนของ ของเหลวและของแขงบรสทธ มคาคงท (จะได KC)

4. สามารถใชความดนแทนความเขมขนของแกสในการหาคา K (จะได KP)

28


คาคงทสมดลอนๆ Solubility Product Constant (Ksp)

MgCl2(s) Mg2+(aq) + 2Cl–(aq)

Equilibrium Dissociation Constants

AH(aq) + H2O A–(aq) + H3O+(aq)

B(aq) + H2O BH+(aq) + OH–(aq)

H2O + H2O H3O+(aq) + OH–(aq)

22 ]][[ -= ClMgKSP

][

]][[ 3

AH

OHAKa

-

=

][

]][[

B

OHBHKb

-

=

]][[ 3

-= OHOHKw

29


ตวอยาง จงหาคาคงทสมดลของปฏกรยาตอไปน

PCl5(g) PCl3(g) + Cl2(g) Initial 3 M 0 M 0 M Change -x M +x M +x M Equilibrium 3-x M x M x M

x

x

PCl

ClPClK

-==

3]5[

]2][3[ 2

03

)3(

2

2

=-

=-

KKxx

xxKa

acbbx

cbxax

2

4

0

2

2

--=

=

30


ตวอยาง แกสไฮโดรเจน 2 mol ท าปฏกรยากบแกสไอโอดน 2 mol ท า

ปฏกรยากนเปนแกสไฮโดรเจนไอโอไดดในภาชนะ 1 L ทอณหภม 450 C เมอถงสมดลจะมแกสแตละชนดเทาใด เมอคา K = 50

H2(g) + I2(g) 2HI(g) Initial 2 M 2 M 0 M Change -x M -x M +2x M Equilibrium 2–x M 2–x M 2x M

x x

x

I H

HI K

- - = =

2 2

) 2 ( 50

] ][ [

] [ 2

2 2

2

x

x

- =

2

) 2 ( 50

31


ทสมดล จะได L mol 6 . 1

1 . 7 2 . 14 2

× =

- =

x

x x

1

1

2

1

2

L mol 6 . 1 2 ] [

L mol 4 . 0 0 . 2 ] [

L mol 4 . 0 0 . 2 ] [

-

-

-

× = =

× = - =

× = - =

x HI

x I

x H

32


หลกของเลอชาเตอลเยร (Le Chatelier’s Principle)

เมอระบบทอยในสภาวะสมดลถกรบกวนท าใหสมดลของระบบเสยไป ระบบจะปรบตวไปในทศทางทจะท าใหผลกระทบจากปจจยทรบกวนระบบนนลดลงหรอเหลอนอยทสด แลวระบบจะเขาสสมดลใหมอกครง

33


ปจจยทมผลตอสมดล ความเขมขน: การเพมหรอลดความเขมขนของสารใน

ปฏกรยาจะท าใหสมดลเคมเสยไป (QK) ปฏกรยาจะปรบตวเพอใหคาผลคณความเขมขน (Q) เทากบคาคงทสมดล (K) อกครง (ไมมผลตอ K)

ความดน: การเพมหรอลดความดนจะสงผลตอปรมาตรของสารปฏกรยาจะปรบตวไปในทศทางทท าใหเกดการเพมปรมาตรหรอลดปรมาตรเพอหกลางกบคาความดนทเปลยนแปลงไป (ไมมผลตอ K)

อณหภม: การเปลยนแปลงอณหภมจะท าใหคา K เปลยนแปลง ปฏกรยาจะปรบตวเพอใหคาผลคณความเขมขน (Q) เทากบคาคงทสมดล (K) คาใหม

34


การเลอนของสมดล

ทสมดล เมอสมดลถกรบกวน ความเขมขน ความดน Q เปลยน อณหภม K เปลยน

ระบบจะปรบตวเขาสสมดลใหม (ปรบคา Q) สมดลเลอนไปทางขวา (เพมผลตภณฑ) สมดลเลอนไปทางซาย (เพมสารตงตน)

สมดลใหม

KReactant

ProductQ

eq

eq

eq ==][

][

'' QK

'' KQ

'' KQ eq =

35


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

ทสมดล

เตม N2(g) หรอ H2(g)

เตม NH3(g)

KHN

NH=

3

22

2

3

]][[

][

KHN

NH

3

22

2

3

]][[

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

KHN

NH

3

22

2

3

]][[

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

ลดสารตงตน เพมผลตภณฑ

เพมสารตงตน ลดผลตภณฑ

K H N

NH =

3 2 2

2 3

] ][ [

] [

36


อทธพลของความเขมขนตอสมดล Mg(OH)2(s) Mg2+(aq) + 2OH–(aq)

ทสมดล เตม MgCl2 หรอ NaOH

เตม HCl (H+ ท าปฏกรยากบ OH–OH–ลด)

SPKOHMg =- 22 ]][[

ตกตะกอนมากขน

ตะกอนละลายมากขน

Mg(OH)2 Mg2+ + 2OH–

Mg(OH)2 Mg2+ + 2OH–

SP K OH Mg = - ] ][ [

2

SP K OH Mg - 2 2 ] ][ [

SP K OH Mg - 2 2 ] ][ [

37


อทธพลของความดนตอสมดล ความดนจะมผลโดยตรงตอปรมาตรของสาร (แกส) ถาจ านวนโมลของแกสของสารตงตนและผลตภณฑในสมการเคมเทากน (ng= 0) ความดนไมมผลตอสมดล N2(g) + O2(g) 2NO(g) H2(g) + I2(g) 2HI(g)

ถาจ านวนโมลของแกสของสารตงตนและผลตภณฑไมเทากน (ng 0) ความดนจะมผลตอสมดล 2N2O(g) 2N2(g) + O2(g)

ng = 0

ng = 3-2 = 1

38


อทธพลของความดนตอสมดล A(g) + B(g) AB(g)

ความดนรวมของระบบขนกบจ านวนโมลรวมของแกส จ านวนโมลรวมของแกส(ntot) = nA + nB + nAB

ถา nAB มาก nA และ nB จะนอย ntot จะนอย ถา nAB นอย nA และ nB จะมาก ntot จะมาก

nA= 4 nB=4 nAB = 4

ntot = 12

=

V

RTP 12

nA= 2 nB=2 nAB = 6

ntot = 10

=

V

RTP 10

nA= 6 nB=6 nAB = 2

ntot = 14

=

V

RTP 14

• ลด P: สมดลเลอนไปทาง ng มาก (เพม P รวมของแกส)

• เพม P: สมดลเลอนไปทาง ng นอย (ลด P รวมของแกส)

39


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

ทสมดล

เพมความดน หรอ ลดปรมาตรภาชนะ

ลดความดน หรอ เพมปรมาตรภาชนะ

P

ON

ONK

P

PP=

2

2

2

22

จ านวนโมลของแกสลดลง

จ านวนโมลของแกสเพมขน

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

O N

O N K

P

P P

2

2

2

2 2

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

O N

O N K

P

P P

2

2

2

2 2

P

O N

O N K

P

P P =

2

2

2

2 2

40


อทธพลของอณหภมตอคาสมดลเคม คาคงทสมดลขนกบอตราสวนระหวาง kf และ kb

คา k เปลยนแปลงขนกบ T ตามสมการของ Arrhenius

RTEaeAk/-

=

Rxn Coordinate

Eaf

Eab

En

erg

y

reactants

products

b

f

k

kK =

ถา H เปนบวก K จะเพมขนเมอ T เพม ถา H เปนลบ K จะลดลงเมอ T เพม

41


Endothermic Reaction

เพมอณหภม (T) คา เพมขน คา K เพมขน

เพมอณหภม เกดผลตภณฑมากขน ลดอณหภม เกดสารตงตนมากขน

=HRTH

b

fe

A

AK /-

=

RTHe /-

กระบวนการดดความรอน

Eaf

Eab

En

erg

y

Rxn Coordinate

reactants

products

(+)H

LH KK

42


Exothermic Reaction

เพมอณหภม (T) คา ลดลง คา K ลดลง

เพมอณหภม เกดสารตงตนมากขน ลดอณหภม เกดผลตภณฑมากขน

-=HRTH

b

fe

A

AK /-

=

RTHe /-

กระบวนการคายความรอน E

ne

rgy

Rxn Coordinate

reactants

products

Eab

Eaf

(–)H

LH KK

43


อทธพลของอณหภมตอสมดล N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) H= –91.80 kJ

ทสมดล

เพมอณหภม K ลด

ลดอณหภม K เพม

KHN

NH=

3

22

2

3

]][[

][

เกดสารตงตนเพมขน

เกดผลตภณฑมากขน

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

NH

3

22

2

3

]][[

][

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

HN

NH

3

22

2

3

]][[

][

LH KK

H K H N

NH =

3

2 2

2

3

] ][ [

] [

L K H N

NH =

3

2 2

2

3

] ][ [

] [

44


อทธพลของอณหภมตอสมดล 4NH3(g) + N2(g) 3N2H4(l) H = +335.49 kJ

ทสมดล

เพมอณหภม K เพม

ลดอณหภม K ลด

KNHN

HN=

4

32

3

42

]][[

][LH KK

4NH3(g) + N2(g) 3N2H4(l) KNHN

HN

4

32

3

42

]][[

][

KNHN

HN

4

32

3

42

]][[

][4NH3(g) + N2(g) 3N2H4(l)

เกดผลตภณฑมากขน K

NHN

HN=

4

32

3

42

]][[

][

เกดสารตงตนเพมขน K

NHN

HN=

4

32

3

42

]][[

][

45


ตวเรงปฏกรยาและสมดลเคม ตวเรงปฏกรยา (catalyst) คอสารทใสไปในปฏกรยาเพอท าใหปฏกรยาถงจดสมดลเรวขน เพมอตราเรวของปฏกรยาเดนหนา เพมอตราเรวของปฏกรยายอนหลง คาคงทสมดลไมเปลยนแปลง

ตวเรงปฏกรยาไมไดเปลยนแปลงสมดล

46


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

47


G 0 ปฏกรยาจะยอนกลบเพอเขาสสมดล G = 0 ปฏกรยาอยทสมดล G 0 ปฏกรยาจะเดนหนาเพอเขาสสมดล

ทสมดลจะได

ba

dc

BA

DCRTGG

][][

][][ln=

b

eq

a

eq

d

eq

c

eq

BA

DCRTG

][][

][][ln-=

KRTG ln-=

48


ตวอยาง จงค านวณหาคาคงทสมดลของปฏกรยา

SO2(g) + ½ O2(g) SO3(g) ท 298 K (G = 69.84 kJ) คา K มคามาก แสดงวาทสมดล มสารตงตนเกอบทงหมด

เปลยนเปนสารผลตภณฑ

1212.24

KmolJ

molJ

107.110K

12.24

K 15.298 8.3142.303

69840

303.2log

==

=

-=

=

RT

GK

Documents

สมดุลเคมี Chemical equilibrium - STREE-KMkm.streesp.ac.th/files/140514099384610_1406250882019.pdf · 2014-06-25 · 4 FLAS: Chemical Equilibrium สภาวะสมดุล