Equilibrium mahidol

สาขาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ สมดุลเคมี / 1

นายสาโรจน บุญเส็ง

สมดุลเคม ี(Chemical equilibrium)

1. สมดุลเคมี เปนสมดุลแบบไดนามิกหรือสมดุลพลวัต (dynamic equilibrium) หมายถึงการเปลี่ยนแปลงปฏิกิริยาไปขางหนาและปฏิกิริยายอนกลับอยูตลอดเวลา ไมหยดุนิ่ง 2. ประเภทของสมดุลไดนามิก

2.1 ภาวะสมดุลระหวางสถานะ เกิดจากสถานะที่แตกตางกัน ประเภทสมดุล การเปลี่ยนแปลง ภาวะของสมดลุ ตัวอยาง

สมดุลของการหลอมเหลว

solid liquidอัตราการหลอมเหลวเทากับอัตราการแข็งตัว

H2O(s) H2O(l)

สมดุลของการกลายเปนไอ

liquid gas อัตราการระเหยเทากับอัตราการกล่ันตัว

H2O(l) H2O(g)

สมดุลของการระเหิด

solid gas อัตราการระเหดิเทากับอัตราการเกิดผลึก

I2(s) I2(g)

2.2 ภาวะสมดุลในสารละลาย 1) สมดุลของการแตกตวั เกดิขึ้นกับสารละลายอิเล็กโทรไลตออนในน้ํา สวนหนึ่งแตกตวัเปนไอออน ในขณะที่บางสวนของไอออนจะรวมกันเปนโมเลกุล เชน

HCN(aq) + H2O(l) H3O+(aq) + CN-(aq)

2) สมดุลของการละลาย เกิดขึน้กับสารละลายอิเล็กโทรไลตแกหรือนอนอิเล็กโทรไลตที่อยูในภาวะอิ่มตวั(ถาไมอ่ิมตัวจะไมเกิดสมดุลเกิดขึ้น) ซ่ึงกลาวไดวาอตัราการละลายเทากับอัตราการตกผลึก

CuSO4(s) + H2O(l) Cu2+(aq) + SO42-(aq)



2.3 ภาวะสมดุลในปฏิกิริยาเคม ีเชน

PCl5(g) PCl3(g) + Cl2(g) NH4

+(aq) + H2O(l) NH3(aq) + H3O+(aq) 3. ปฏิกิริยาท่ีผันกลับได (Reversible reaction)

ในการเปลี่ยนแปลงทางเคมี เมื่อสารตั้งตนเขาทําปฏิกิริยากนัไดสารผลิตภัณฑจะเรียกวาปฏิกิริยาไปขางหนา และเมื่อสารผลิตภัณฑทําปฏิกิริยากันแลวไดเปนสารตั้งตนเรียกวาปฏิกิริยายอนกลับ สําหรับการเปลี่ยนแปลงปฏิกริิยาเคมีทั้งไปขางหนาและปฏิกิริยายอนกลับจะเรียกวาการเปลี่ยนแปลงทีผั่นกลับไดหรือปฏิกิริยาที่ผันกลับได (reversible reaction) ปฏิกิริยาไปขางหนา Reactant Product ปฏิกิริยายอนกลับ Reactant Product ปฏิกิริยาที่ผันกลับได Reactant Product

ปฏิกิริยาผันกลับไดของสารละลาย

[Co(H2O)6]2+ + 4Cl- [CoCl4]2- + 6H2O



ณ อุณหภมูิหองไอออนทั้งสองของโคบอลตจะปะปนกันอยูในสารละลาย และเปน

สารละลายสีมวง ตอเมื่อเราใหความรอนแกสารละลาย ปฏิกิริยาไปขางหนาจะเกิดไดมากขึ้น สารละลายจะเปลี่ยนเปนสีน้าํเงินในรูปของ [CoCl4]2- และเมือ่นําสารละลายนี้มาทําใหเยน็ ปฏิกิริยายอนกลับจะเกดิไดมากขึ้นใหสารละลายสีชมพูในรูปของ [Co(H2O)6] 2+ ในบทนี้เราจะศึกษาเรื่องสมดุลเคมี รวมถึงปจจัยตาง ๆ ที่มีผลตอสมดุลเคมี ปฏิกิริยาเคมีสวนใหญมักจะเปนปฏิกิริยาทีผั่นกลับได คือมีการเปลี่ยนแปลงในทศิทางที่เกิดสารผลิตภณัฑหรือการเปลี่ยนแปลงไปขางหนาและการเปลี่ยนแปลงยอนกลับหรือการเปลี่ยนแปลงในทิศทางที่เกิดสารตั้งตนเมื่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาไปขางหนาและอัตราการเกิดปฏิกิริยายอนกลับมีคาเทากัน แสดงวาระบบเขาสู สมดุลเคมี (Chemical Equilibrium) 4. ระบบกับสิ่งแวดลอม (System and surrounding)

1) ระบบ ส่ิงที่เราศึกษาหรอืทดลอง 2) ส่ิงแวดลอม คือส่ิงที่อยูนอกระบบ

5. ชนิดของระบบ

1) ระบบเปด (Opened system) คือระบบที่มีการถายเทไดทั้งมวลสารและพลังงานกับสิ่งแวดลอม

2) ระบบปด (Closed system) คือระบบที่มีการถายเทเฉพาะพลังงานอยางเดยีว แตไมมีการถายเทมวลสาร

3) ระบบโดดเดี่ยว (Isolated system) คือระบบที่ไมมีการถายเททัง้พลังงานและมวลสารแกส่ิงแวดลอม

Opened system Closed system Isolated system

Energy Matter

Energy Matter

Energy Matter



ตัวอยาง การเปลี่ยนแปลงตอไปนี้จัดวาเปนระบบแบบใด

1) การหลอมเหลวแนพธารีนในชามกระเบื้อง ระบบ............................. 2) ใสโลหะทองแดงลงในสารละลายกรดไนตริก ระบบ............................. 3) ผสมกรด HCl กับ NaOH ในบีกเกอร ระบบ............................. 4) ตั้งบีกเกอรใสน้ําปูนใสไวบนโตะจนกระทั่งมีฝาสีขาว

ลอยอยูบนน้ําปูนใส ระบบ............................. 6. ระบบที่อยูในภาวะสมดุล

1) เกิดในระบบปด 2) อัตราการเกิดปฏิกิริยาไปขางหนาเทากับปฏิกิริยายอนกลับ 3) เปนปฏิกิริยาทีผั่นกลับได 4) มีสมบัติคงที่ (สี อุณหภูมิ ความดัน ความเขมขน และ จํานวนโมล)

ตัวอยาง จากปฏิกิริยาเคมีตอไปนี้จงตอบคาํถาม A + B C + D 1) A B สมดุล ระบบเขาสูสภาวะสมดุลได หรือ ไมได สารใดเกิดใหม ................. สารใดที่มีจํานวนโมลเพิ่มขึน้........................สารใดที่มีจาํนวนโมลลดลง........................ 2) C D สมดุล ระบบเขาสูสภาวะสมดุลได หรือ ไมได สารใดเกิดใหม ................. สารใดที่มีจํานวนโมลเพิ่มขึน้........................สารใดที่มีจาํนวนโมลลดลง........................ 3) A C สมดุล ระบบเขาสูสภาวะสมดุลได หรือ ไมได สารใดเกิดใหม ................. สารใดที่มีจํานวนโมลเพิ่มขึน้........................สารใดที่มีจาํนวนโมลลดลง........................



4) B D สมดุล ระบบเขาสูสภาวะสมดุลได หรือ ไมได สารใดเกิดใหม ................. สารใดที่มีจํานวนโมลเพิ่มขึน้........................สารใดที่มีจาํนวนโมลลดลง........................ 5) A B C สมดุล ระบบเขาสูสภาวะสมดุลได หรือ ไมได สารใดเกิดใหม ................. สารใดที่มีจํานวนโมลเพิ่มขึน้........................สารใดที่มีจาํนวนโมลลดลง........................ 6) B C D สมดุล ระบบเขาสูสภาวะสมดุลได หรือ ไมได สารใดเกิดใหม ................. สารใดที่มีจํานวนโมลเพิ่มขึน้........................สารใดที่มีจาํนวนโมลลดลง........................ 7. ภาวะสมดลุ

อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีไปขางหนาเทากับปฏิกิริยายอนกลับ

เร่ิมตนอัตราการเกิดปฏิกิริยาไปขางหนาเริม่ลดลง ในขณะที่ปฏิกิริยายอนกลับเริ่มเพิ่มขึ้น ที่ภาวะสมดุลอัตราการเกิดปฏิกิริยาไปขางหนาและปฏิกริิยายอนกลับมีคาเทากันถาไมมีการรบกวนสมดุลเกิดขึ้น ตัวอยางเชนการทดลองในระบบของสารตอไปนี้ดังสมการ N2O4(g) 2NO2(g) ไมมีสี สีน้ําตาล

เมื่อเรานํากาซไดไนโตรเจนเตตระออกไซดใสไวในขวดที่มีฝาปด และทําใหมีอุณหภูมิ 100๐C กาซในขวดจะเริ่มเปลี่ยนเปนสีน้าํตาลและคอย ๆ เขมขึ้นเรื่อย ๆ จนความเขมสีคงที่ เมือ่ทําการศึกษาในระดับโมเลกลุพบวา ในชวงแรกโมเลกุลของ N2O4 จะแพรกระจายไปทั่วขวด จากนั้นจึงคอย ๆ สลายตัวเปน NO2 ซ่ึงมีสีน้ําตาล และโมเลกุลของ NO2 จะคอย ๆ เพิ่มมากขึ้น จึงเห็นเปนสีน้าํตาลเขมขึ้น เมื่อจํานวนโมเลกุลของ N2O4 นอยลง N2O4 ก็จะสลายตัวชาลงดวย



ในขณะที่โมเลกุลของ N2O4 สลายตัว โมเลกุลของ NO2 จะเกดิขึ้น และเมื่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาไปขางหนา (การสลายตัวของ N2O4 ) เทากับอัตราการเกิดปฏิกิริยายอนกลับ (การเกิด N2O4 ) ภาวะนี้เรียกวา ภาวะสมดุล

8. กราฟแสดงความสัมพนัธระหวางอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีกับเวลาในระบบที่มีภาวะสมดุล R1

A B R2 เมื่อเปรียบเทียบ R1 และ R2 ควรเปนอยางไร ที่เร่ิมตนปฏิกริิยา R1………………R2 ที่ภาวะสมดุล R1………………R2 นอกจากการเกิดภาวะสมดลุนั้นจะตองเปนระบบปด เปนปฏิกิริยาที่ผันกลับไดแลว ภาวะสมดุลจะเกิดขึ้นไดอีกประการหนึ่งทีสํ่าคัญคือคุณสมบัติของระบบคงทีท่ั้ง สี กล่ิน และความเขมขนของสาร

อัตราการเก

ิดปฏิกิ

ริยาเค

มี

เวลา

สมดุล

ปฏิกิริยายอนกลับ B A

ปฏิกิริยาไปขางหนา A B



กราฟแสดงในเทอมของความเขมขนของสมดุลไดนามิกของสารแตละตัวในระบบได ซ่ึงที่ภาวะสมดุลความเขมขนของสารทุกตัวในระบบจะคงที่ดังกราฟตอไปนี ้ A + B C + D กราฟแสดงความเขมขนที่ภาวะสมดุลเมื่อความเขมขนของสาร ผลิตภัณฑ เทากับ สารตั้งตน กราฟแสดงความสัมพันธที่ภาวะสมดุลเมื่อความเขมขนของสารผลิตภัณฑ นอยกวา สารตั้งตน กราฟแสดงความสัมพันธที่ภาวะสมดุลเมื่อความเขมขนของสารผลิตภัณฑ มากกวา สารตั้งตน การแสดงกราฟสมดุลของระบบในแงความเขมขนไมจําเปนตองเขียนความสัมพันธระหวางความเขมขนของสารทุกตัวกับเวลา อาจเขียนพิจาณาแคสารใดสารหนึ่ง

[ ]

เวลา

C + D

A + B

C + D

A + B [ ]

เวลา

C + D

A + B

[ ]

เวลา



9. ภาวะสมดลุกับตัวเรงปฏกิิริยา หากนําตวัเรงใสเขาไปในปฏกิิริยาที่สามารถเกิดภาวะสมดุลไดและปฏกิิริยาขณะนัน้ยังไมเขาสูสมดุล ตัวเรงจะเรงใหเขาสูภาวะสมดุลไดเร็วข้ึน โดยจะเรงใหปฏิกิริยาไปขางหนาและปฏิกิริยายอนกลับใหเทากนั แตถาภาวะนัน้เขาสูสมดุลแลวตัวเรงปฏิกิริยาจะไมมีผลตอระบบ 10. สมดุลเอกพันธและสมดุลวิวิธพันธ (Homogeneous and heterogeneous equilibrium) สมดุลเอกพันธคือสมดุลที่มีสามตั้งตนและผลิตภัณฑทกุชนิดมวีัฏภาคเดียวกันสวนสมดุลที่มีวัฏภาคตางกันตั้งแต 2 ชนิดเรียกวาสมดุลวิวิธพันธ ตัวอยางสมดุลวิวิธพันธไดแกสภาวะระหวางน้ําในสถานะของเหลวกับน้ําในสถานะไอ

H2O(l) H2O(g) เลอชาเตอริเอ (Lechatelier) กลาวไววา ระบบใดก็ตามที่เขาสูภาวะสมดุล หากระบบถูกระกวนดวยภาวะตางๆ (ความเขมขน อุณหภูม ิหรือ ความดัน) จะทําใหระบบที่เขาสูสมดุลนั้นเสียไป แตระบบจะพยายามปรับสภาวะใหเขาสูสมดุลอีกครั้ง แตจะไมเหมือนสมดุลคร้ังแรก เชน จากปฏิกริิยา A + B C + D ซ่ึงอยูในภาวะสมดลุถาเปลี่ยนความเขมขนของสารตัวหนึ่งตวัใดของระบบจะทําใหสมดุลเปลี่ยน ถาเพิ่ม [A] จะทําใหสมดุลเปลี่ยนทิศทาง เพื่อลดความเขมขนของ A ตามหลักเลอชาเตอริเอ สมดุลเปลี่ยนจากซายไปขวา ที่สมดุลใหม [A] เพิ่มขึ้น [B] ลดลง [C] และ [D] เพิ่มขึ้น เมื่อเทียบกับสมดลุเดิม

สมดุลเกา สมดุลเวลา



ถาลด [A] จะทําใหสมดุลเปลี่ยนทิศทาง เพื่อเพิ่มความเขมขนของ A ตามหลักเลอชาเตอริเอ สมดุลเปลี่ยนจากขวาไปซาย ที่สมดุลใหม [A] ลดลง [B] เพิ่มขึ้น [C] และ [D] ลดลง เมื่อเทียบกับสมดลุเดิม 11. คาคงที่สมดุลกับสมการเคม ี กําหนดใหปฏิกิริยาเคมีคือ aA + bB cC + dD เมื่อเขียนคาคงที่สมดุล (K) จะไดความสัมพันธดังนี ้

ba

dc

[B][A][D][C]K = ... (1)

หากมีการเปลีย่นแปลงสมการเคมี เชนกลับสมการจากสารตั้งตนเปนสารผลิตภัณฑหรือจํานวนโมลของสมการเปลี่ยนแปลงไปจากเดิม กจ็ะมีผลตอคาคงที่สมดุลใหมดวย ดังตัวอยาง กรณีที่ 1. ถากลับสมการจากสารตั้งตนเปนสารผลิตภัณฑคาคงที่สมดุลใหมจะเปนสวนกลับกับคาคงที่เดิมเชน

A + B C + D … K1 คาคงที่สมดุลคือ

[A][B][C][D]K1 =

ถากลับสมการ

C + D A + B … K2 คาคงที่สมดุลคือ

[C][D][A][B]K 2 =

สมดุลเกา สมดุลเวลา



จะเห็นไดวา

12 K

1K =

กรณีที่ 2. ถานําสมการเคมีมารวมกันจะสงผลตอคาคงที่เดิม คาคงที่ใหมจะเทากับคาคงที่ของปฏิกิริยาแรกคณูดวยคาคงทีข่องปฏิกิริยาที่สองเชน A + B C + D … K1 เขียนคาคงที่สมดุลได

[A][B][C][D]K1 =

E + F G + B … K2 เขียนคาคงที่สมดุลได

[E][F][G][B]K 2 =

เมื่อรวมสมการเคมีจะได A + E + F C + D + G เขียนคาคงที่สมดุลได

[A][E][F][C][D][G]K3 =

จะเห็นไดวา 321 K

[A][E][F][C][D][G]KK ==×

กรณีที่ 3. ถานําจํานวนเต็มใดๆ (n = 1, 2, 3, …) คูณเขาไปในสมการจะพบวา คาคงที่ใหมเทากับคาคงที่เดิมกําลัง n เชน A + B C + D … K1 เขียนคาคงที่สมดุลได

[A][B][C][D]K1 =

เอาสองคูณทั้งสมการจะได

2A + 2B 2C + 2D … K2

เขียนคาคงที่สมดุลได 22

22

2 [B][A][D][C]K =

จะเห็นไดวา 212 KK =



ดังนั้นสรุปไดวา

1) ถากลับสมการคา K จะกลับเศษเปนสวน 2) ถานําสมการมารวมกันคา K จะนํามาคูณกัน 3) ถาเอาเลขคูณทั้งสมการคา K นํามายกกําลัง

ตัวอยาง จงหาคา K ของปฏิกิริยาตอไปนี ้ A + B C + D --- K1 G + B E + F --- K2 A + E + F C + D + G K = ……………………… ตัวอยาง คาคงที่สมดุลของปฏิกิริยา 2NO(g) + O2(g) 2NO2(g) เทากับ 1× 1012 คาคงที่สมดลุของปฏิกิริยา NO(g) + 1/2O2(g) NO2(g) เทากบัเทาใด K = ……………………………………………. 12. การหาคาคงท่ี K มีทั้งหมด 4 แนวทาง

1) ใหหา คาคงทีส่มดุล โดยกําหนดความเขมขนใหทกุคา 2) ใหหาคาคงที่สมดุล โดยกําหนดความเขมขนใหบางคา สวนคาที่เหลือหาจากสมการ

เคม ี3) กําหนดคาคงที่สมดุลให และหาความเขมขนของสารแตละตัว 4) การหาคา K เมื่อมีการรบกวนสมดุล

คา K ที่นํามาคิด คิดเฉพาะสารที่เปน aqueous และ gas เทานั้น ตัวอยาง 12.1 จากปฏิกิริยา A(s) + 2B(g) + 2C(g) 4D(g) + 6E(s) + F(g) ที่ภาวะสมดุลในภาชนะ 5 ลิตรซึ่งมีสารตางๆ ดังนี้ A = 15 mol, B = 5 mol, C = 10 mol, D = 20 mol, E = 5 mol และ F = 5 mol จงหาคา K



ตัวอยาง 12.2 จากปฏิกิริยาเคมีตอไปนี้ N2O4(g) 2NO2(g) ที่ภาวะสมดุลพบวาความเขมขนของ N2O4 มีคาเทากับ 4.50 × 10-2 mol/dm3 และ ความเขมขนของ NO2 เทากับ 1.61 × 10-2 mol/dm3 จงคํานวณหาคา K ของปฏิกิริยานี ้ ตัวอยาง 12.3 3.0 โมลของ SO2 และ 1.50 โมลของ O2 บรรจุอยูในภาชนะ 2.0 dm3 ที่อุณหภูมิ 1350 K จากการทดลองพบวาที่ภาวะสมดลุมี O2 0.90 โมล จงคํานวณหาคาคงที่สมดุลของปฏิกิริยา 2SO2(g) + O2(g) 2SO3(g) ตัวอยาง 12.4 1.24 โมลของ H2 และ 5.08 โมลของ N2 บรรจุอยูในภาชนะ 10 dm3 ที่ 400 ๐C เมื่อถึงภาวะสมดุลมี NH3 0.159 โมลเกิดขึน้ จงคํานวณหาคา K สําหรับปฏิกิริยา N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)



ตัวอยาง 12.5 การทดลองในการสันดาปใน combustion chamber ที่ 1800 K ความเขมขนเริ่มตนของ N2 และ O2 เทากับ 2.2 และ 0.060 mol/dm3 ตามลําดับคาคงที่สมดุลของปฏิกิริยา

N2(g) + O2(g) 2NO(g)

เทากับ 1.2 × 10-4 ที่ 1800 K จงคํานวณหาความเขมขนของ N2, O2 และ NO ที่ภาวะสมดุล ตัวอยาง 12.6 จากการเผา PCl5 0.08 โมล ในภาชนะ 2 ลิตรใหความรอน 250 ๐C รอใหถึงภาวะสมดุลพบวาจะให Cl2(g) 0.05 โมล จงคํานวณหาคาคงที่สมดุลของปฏิกิริยาที่ 250 ๐C ตัวอยาง 12.7 ปฏิกิริยา A(g) + B(g) C(g) + D(g) ถาอุณหภมูิที่ 25๐C ปริมาตร 1 ลิตรมีกาซ A, B, C และ D อยู 2, 2, 1 และ 1 โมลตามลําดับถารบกวนสมดุลโดยการเติม A ลงไปโดยไมเปลี่ยนอุณหภมูิพบวาเมื่อระบบเขาสูสมดุลใหมจะมีกาซ B เหลืออยู 1.5 โมล อยากทราบวาเติมกาซ A ลงไปกี่โมล



12. การเปล่ียนแปลงภาวะสมดุล อิทธิพลที่มีตอภาวะสมดุลของระบบและสามารถทําใหสมดุลของระบบเปลี่ยนไปมีดังนี ้

1) ความเขมขน 2) ความดัน 3) อุณหภูม ิ1) ความเขมขนกับการเปลี่ยนภาวะสมดุล จะสงผลใหสมดุลเกิดการเปลี่ยนแปลงแลวเกดิ

สมดุลใหมเกดิขึ้น ตัวอยางเชนการทดปฏิกิริยาระหวาง Fe(NO3)3 กับสารละลาย NH4SCN เมื่ออยูในระบบสมดุลเขียนสมการไดดังนี ้ Fe3+(aq) + SCN-(aq) FeSCN2+(aq) สีเหลืองออน ไมมีสี สีแดง

เมื่อเติมสารละลาย Fe(NO3)3 ลงไปในระบบที่สมดุลแลวความเขมขนของ Fe3+ ในระบบเพิ่มขึ้นจะพบวาสารละลายผสมมีสีแดงเขมขึ้นแสดงใหเห็นวาระบบเกดิการปรับตัวโดยมี FeSCN2+ ไอออนเกิดเพิ่มขึ้นและในที่สุดสีคงทีอีกครั้ง แสดงวาระบบเขาสูสมดุลอีกครั้ง

เมื่อเติมสารละลาย NH4SCN จะทําใหความเขมขนของ SCN- ไอออนในระบบเพิม่ขึ้นสารละลายผสมจะมีสีแดงเขมขึ้นแสดงวามี FeSCN2+ เพิ่มขึ้นไอออนเกิดเพิ่มขึ้นตอมาสีจะคงที่แสดงวาระบบเขาสูสมดุลอีกครั้ง

ตัวอยางที่ 12.1 จงทํานายการดําเนินไปของปฏิกิริยาเมื่อรบกวนสมดุลวาทิศทางไปทางไหนเพื่อปรับเขาสูสมดุลใหม 2Fe3+ + 2I- 2Fe2+ + I2 เติม Fe(NO3)3 สมดุลเล่ือนไปทาง …………………… เติม Pb(NO3)3 สมดุลเล่ือนไปทาง …………………… เติม KI สมดุลเล่ือนไปทาง …………………… เติม AgNO3 สมดุลเล่ือนไปทาง …………………… เติม LiI สมดุลเล่ือนไปทาง ……………………



ตัวอยางที่ 12.2 A + 3B 2C ถาเพิ่มความเขมขนของ A ลงไปจงวาดกราฟแสดงภาวะสมดุลใหม แตเมื่อลดความเขมขนของ C กราฟสมดลุใหมจะเปนอยางไร ในกรณีที่เปนปฏิกิริยาจําพวกกรดเบส - ถาเติมกรดหรือเกลือที่เปนกรดเปรียบเสมือนเติม H+ - ถาเติมเบสหรือเกลือที่เปนเบส เปรียบเสมือนเติม OH-

2) ความดนักบัการเปลี่ยนภาวะสมดุล จะมีผลเฉพาะกาซหรือไอเทานัน้ ระบบจะเขาสู

สมดุลเมื่อถูกรบกวนตามหลกัของเลอชาเตอลิเอ โดยอาศัยกฎของบอยล (Boyle’s law): P

V 1α

และกฎของอาโวกาโดร: V α n ถารบกวนสภาวะสมดุลโดยการเพิ่มความดันของระบบ ระบบจะปรับตัวไปในทางทีจ่ะลด

ความดันของตวัเอง โดยการลดจํานวนโมลของแกส คือเกิดปฏิกิริยาจากดานที่มแีกสมากไปยังดานที่มีแกสนอย แลวเขาสูสมดุลใหม

เวลา

[ ]

A B C

เวลา

[ ]

A B C



แตถารบกวนภาวะสมดุลโดยการลดความดันของระบบ ระบบจะปรับตัวไปในทางทีจ่ะ

เพิ่มความดนัของตัวเอง โดยการเพิ่มจํานวนโมลของแกส คือเกิดปฏิกริิยาจากดานทีม่ีแกสนอยไปยังดานที่มีแกสมาก แลวเขาสูภาวะสมดุลใหม

ดังนั้นสามารถสรุปไดดังนี ้ถาเพิ่มความดนัสมดุลจะเลื่อนไปทางโมลนอย และ ถาลดความดนัสมดุลจะเลื่อนไปทางโมลมาก แตถาจํานวนโมลเทากันเมื่อเปล่ียนความดนัระบบจะเขาสูภาวะสมดุลใหมโดยไมมกีารปรับตัว เชน 2SO2(g) + O2(g) 2SO3(g) 3 mol 2 mol ถาเพิ่มความดนัระบบจะปรับตัวเขาสูสมดลุโดยเล่ือนไปทางโมลนอย นั้นคือเล่ือนจากซายไปขวา ถาลดความดันระบบจะปรับตัวเขาสูสมดุลโดยเล่ือนไปทางโมลมาก นั้นคือเล่ือนจากขวาไปซาย ตัวอยางที่ 12.3 2CO(g) + O2(g) 2CO2(g)

• เพิ่มความดนัสมดุลเล่ือนไปทาง……………………….. • ลดความดันสมดุลเล่ือนไปทาง………………………… • ถาตองการใหสมดุลเล่ือนจากซายไปขวา (สมดุลเล่ือนไปขางหนา) ตองลดหรือเพิ่มความ

ดัน……………….. ถาเพิ่มความดนัใหระบบจะไดกราฟที่สมดุลใหมเปนเชนไร

เวลา

CO O2 CO2

ความเขมข

น



ถาลดความดันใหระบบจะไดกราฟที่สมดุลใหมเปนเชนไร

3) อุณหภูมิกบัการเปลี่ยนภาวะสมดุล อุณหภูมิมีผลตอสมดุลเคมีวาดําเนินไปขางหนาหรือยอนกลับตองพิจารณากอนวาปฏิกิริยาเคมีนั้นเปนดูดหรือคายความรอน หากปฏิกิริยาเปนปฏิกิริยาดูดความรอน เมื่อเพิ่มอุณหภมูิจะสงผลใหระบบดําเนินไปขางหนามากขึน้แตหากลดอณุหภูมิจะสงผลใหปฏิกิริยาเกิดยอนกลับ ในทางกลบักันหากเปนปฏิกิริยาคายความรอนหากลดอุณหภูมิจะสงผลใหปฏิกิริยาดําเนนิไปขางหนา แตเมือ่เพิ่มอุณหภูมปิฏิกิริยาจะเกดิยอนกลับ ตารางพิจารณาปฏิกิริยาวาดดูหรือคายความรอน ปฏิกิริยาดูดความรอน (Endothermic reaction)

ปฏิกิริยาคายความรอน (Exothermic reaction)

A + B + 100 kJ C + D A + B C + D - 100 kJ A + B C + D ΔH เปนบวก A + B C + D - heat A + B + heat C + D A C + D

A + B - 100 kJ C + D A + B C + D + 100 kJ A + B C + D ΔH เปนลบ A + B C + D + heat A + B - heat C + D A + B C

ตัวอยาง 12.4 จากสมการ N2O4(g) + 92 kJ 2NO2(g) หากเพิ่มอณุหภูมิปฏิกิริยาจะปรับเขาสูภาวะสมดุลโดย……………………..

เวลา

CO O2 CO2 คว

ามเขมข

น



ตัวอยาง 12.5 จากสมการ 2CO2 2CO + O2 จงทํานายกราฟหลังจากรบกวนระบบ ถาเพิ่มอุณหภมูิใหแกระบบ ถาลดอุณหภูมแิกระบบ 13 การใชหลักของเลอชาเตอริเอในอุตสาหกรรม

ในการผลิตทางดานอุตสาหกรรมผูลงทุนจะตองทําการผลิตและเลือกใชวิธีผลิตในการเปลี่ยนวัตถุดิบเพื่อใหไดผลิตภัณฑมากที่สุด ในการผลิตกาซแอมโมเนยีมีปฏิกิริยาดังนี ้ N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) + 92 kJ

เวลา

CO O2 CO2


น

เวลา

CO O2 CO2


น



จากปฏิกิริยาถาอาศัยหลักของเลอชาเตอลิเอเพื่อใหไดกาซมาก ๆ ทําไดดังนี ้

1) ลดอุณหภูม ิ2) เพิ่มความดนั 3) เพิ่มความเขมขนของสารตั้นและลดความเขมขนของสารใหม

แตในทางปฏบิัติจะใชหลักของเลอชาเตอริเอ เพียงอยางเดียวไมไดในทางอุตสาหกรรมจะตองคํานึงถึงเวลาและเงินทุนดวย

จากการทดลองพบวาภาวะทีพ่อเหมาะคืออุณหภูมิที่เหมาะสมประมาณ 500๐C และใชตัวเรงปฏิกิริยาดวย ซ่ึงตัวเรงปฏิกริิยาที่เหมาะสมคือเหล็ก

ปฏิกิริยาการเตมิ H2

ปฏิกิริยาการเตมิ H2 และการดึง NH3



ตัวอยางที่ 13.1 การเตรียมกาซซัลเฟอรไตรออกไซด (SO3) เพื่อใชเปนสารตั้งตนในการเตรียมกรดซัลฟวริก โดยการนํากาซซัลเฟอรไดออกไซด (SO2) มาทําปฏิกิริยากับกาซออกซิเจนดังสมการ

2SO2(g) + O2(g) 2SO3(g) ซ่ึงปฏิกิริยานี้เปนปฏิกิริยาคายความรอน จงใชหลักเลอชาเตอลิเอเพื่อใหไดผลิตภัณฑปริมาณมาก

แบบฝกหัดเพิม่เติมเร่ือง สมดุลเคมี 1. จงหาคา K ของสมการตอไปนี้ ในกรณีที่เกีย่วกับกาซ ใหหาทั้ง Kp และ KC และเขียนสมการแสดงความสัมพันธของ KP กับ KC ดวย ก. 2NOCl(g) 2 NO (g) + Cl2 (g) ข. COCl2(g) CO (g) + Cl2 (g) ค. NO(g) ½ N2 (g) + ½ O2 (g) ง. Zn (s) + CO2(g) ZnO (s) + CO (g) จ. MgSO4(s) MgO (s) + SO3 (g) ……………………………………………………………………………………………………………………….……………………………………………………………………………………………………………………….……………………………………………………………………………………………………………………….………………………………………………………………………………………………………



……………….……………………………………………………………………………………………………………………….……………………………………………………………………………………………………………………….………………………………………………………………………………………………………………………. 2. สมการของปฏิกิริยา CaCO3 (s) CaO (s) + CO2 (g) ที่อุณหภูมิ 800 °C ความดันของ CO2 เทากับ 0.236 atm จงคํานวณ (ก) KP (ข) KC ที่อุณหภูมินี ้……………………………………………………………………………………………………………………….……………………………………………………………………………………………………………………….……………………………………………………………………………………………………………………….……………………………………………………………………………………………………………………….………………………………………………………………………………………………………………………. 3. แอมโมเนยีมคารบาเมต ( NH4CO2NH2 ) สลายตัวดังสมการ NH4CO2NH2 (s) 2NH3 (g) + CO2 (g) ตอนเริ่มตนปฏิกิริยามีแอมโมเนียมคารบาเมตที่เปนของแข็งเพียงอยางเดยีว และเมื่ออุณหภูมิ 40°C พบวามีความดันของกาซ (NH3 และ CO2) เทากับ 0.363 atm จงคํานวณหาคาคงที่สมดุล (KP) ……………………………………………………………………………………………………………………….………………………………………………………………………………………………………………………. 4.ที่ภาวะสมดลุ คา KC ของสมการ H2 (g) + CO2 (g) H2O (g) + CO (g) เทากับ 4.2 ที่อุณหภูมิ 1650 ° C เมื่อเร่ิมตนปฏิกิริยานํา CO2 0.8 โมล ฉีดเขาไปในภาชนะขนาด 5 ลิตร ที่มี H2 อยู 0.80 โมล จงคํานวณหาความเขมขนของสารตั้งตนและสารผลิตภัณฑที่ภาวะสมดุล ……………………………………………………………………………………………………………………….……………………………………………………………………………………………………………………….……………………………………………………………………………………………………………………….…………………………………………………………………………………………………………………….……………………………………………………………………………………………………………………….



5. จงเติมคําวา “เพิ่มขึ้น” “ลดลง” หรือ “ไมเปลี่ยนแปลง” ถามีการรบกวนสมดุลของปฏิกิริยาตอไปนี้ลงในชองวางใหถูกตอง H2 (g) + Cl2 (g) 2 HCl (g) + 68 kJ การเปลี่ยนแปลง [Cl2] [HCl] K

เติม H2 ลงไป

เพิ่มอุณหภูมใิหกับระบบ

เพิ่มปริมาตรใหกับระบบ 6. ปฏิกิริยาการเตรียมแอมโมเนีย N2 (g) + 3H2 (g) 2 NH3 (g) ปฏิกิริยานี้เปนปฏิกิริยาดูดความรอน ในอตุสาหกรรมตองการใหไดผลิตภัณฑมากทีสุ่ดคือปฏิกิริยาเลื่อนจากซายไปขวา อาศัยความรูเร่ืองหลักของเลอชาเตอลิเอในการทําใหได NH3 มาก ๆ สามารถทําไดโดย ……………………………………………………………………………………………………………………….……………………………………………………………………………………………………………………….……………………………………………………………………………………………………………………….……………………………………………………………………………………………………………………….……………………………………………………………………………………………………………………….……………………………………………………………………………………………………………………….……………………………………………………………………………………………………………………….……………………………………………………………………………………………………………………….



ในทางปฏิบัตจิริงไดมีการเปลี่ยนแปลงสภาวะตาง ๆ ใหนักเรียนเติมขอดีและขอเสียของการเปลี่ยนแปลงนัน้ ๆ ลงในตาราง สภาวะ การเปลี่ยนแปลง ขอดี ขอเสีย อุณหภูม ิ

สูง ต่ํา

…………………………………………………………

………………………………………………………….

ความดัน

สูง ต่ํา

…………………………………………………………

…………………………………………………………

ในอุตสาหกรรมเลือกใชอุณหภูมิที…่…………….. ความดันที…่…………………… และเมื่อเติมตวัเรงปฏิกิริยาจะมีผลตอสมดุลเคมีหรือไม……………………………

Documents

Equilibrium mahidol