..
สมดุลเคมีคืออะไร
..
การคำนวณและการ ประยุกต์
..
หลักของเลอชาเตอลิเยร์
การเปลี่ยนแปลงที่มีผลต่อสภาวะสมดุลของระบบ คือ
1. การเปลี่ยนแปลงความเข้มข้น
2. การเปลี่ยนแปลงความดัน/ปริมาตร
3. การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ
4. การเติมตัวเร่ง (catalyst)
5. การเติมแก๊สเฉื่อย (inert gas)
การเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของสารในปฏิกิริยา
(Top)
ถ้าเติมสารลงไปในระบบ
สมดุลจะดำเนินไปทางด้านที่จะลดความเข้มข้นของสารนั้น เพื่อเข้าสู่สมดุลใหม่
ถ้าดึงสารออกจากระบบ
สมดุลจะดำเนินไปทางด้านที่จะเพิ่มความเข้มข้นของสารนั้น เพื่อเข้าสู่สมดุลใหม่
ตัวอย่าง
การสังเคราะห์แอมโมเนีย : N2(g) + 3H2(g)
2NH3(g)
ถ้าต้องการผลิต NH3 ให้มากที่สุด จะทำได้โดยการเพิ่มปริมาณ N2 หรือ H2 เข้าสู่ระบบ ทำให้ระบบเสียสมดุล และระบบจะปรับตัวใหม่โดยเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าเพื่อใช้ N2 หรือ H2 ที่เติมเข้าใหม่
ตัวอย่าง การประยุกต์ใช้สมดุลเคมีในเรื่องของฟันผุ ซึ่งมีสภาวะสมดุลของปฏิกิริยาเกิดขึ้นในปากดังนี้ :
Ca5(PO4)3OH(s)
![]()
+
+ ![]()
เมื่อมีคราบน้ำตาลตกค้างอยู่ตามฟันอาจเกิดการหมักและมีกรด (H+) เกิดขึ้น ไอออน H+ มักจะทำปฏิกิริยาได้ง่าย ดังนี้ :
+
H2O(l)
+
![]()
![]()
การเปลี่ยนแปลงความดันและปริมาตรของระบบ (Top)
เมื่อความดันของระบบเพิ่ม ระบบจะเสียสมดุลและเข้าสู่สมดุลใหม่โดย
ให้ปฏิกิริยาดำเนินไปทางด้านที่จะช่วย ลดความดัน (เพิ่มปริมาตร)
เมื่อลดความดันของระบบ ปฏิกิริยาจะดำเนินไปทางด้านที่จะช่วย
เพิ่มความดัน (ลดปริมาตร)
จากทฤษฎีของแก๊ส ความดันของแก๊สแปรผันตรงกับจำนวนโมลของอนุภาคของแก๊ส
... เมื่อความดันเพิ่ม ปฏิกิริยาจะดำเนินไปทางด้านที่มีจำนวนโมลของอนุภาคแก๊สน้อยกว่า เพื่อปรับระบบให้เข้าสู่สมดุลใหม่
พิจารณา 2 NO(g) + O2(g) = 2 NO2(g)
จากปฏิกิริยา สารตั้งต้นมีจำนวนอนุภาค = 2 + 1 = 3 โมล ผลิตผลมีจำนวนอนุภาค = 2 โมล
เมื่อเพิ่มความดันแก่ระบบ
ปฏิกิริยาจะดำเนินไปทางด้านผลิตผล NO2 (มีจำนวนอนุภาคน้อยกว่า)
เมื่อลดความดันของระบบ
ปฏิกิริยาดำเนินไปทางสารตั้งต้น
พิจารณา S2 (g) + O2 (g) = SO2 (g)
จากปฏิกิริยา ทั้งสารตั้งต้นและผลิตผลมีจำนวนอนุภาคเท่ากัน คือ 2 โมล
เมื่อเกิดการเปลี่ยนแปลงความดัน
ปฏิกิริยาไม่สามารถดำเนินไปทั้งข้างหน้าและย้อนกลับ ... ไม่สามารถปรับสมดุลตามหลักของ Le Chatelier ได้ (การเปลี่ยนแปลงความดันจะไม่มีผลกระทบกระเทือนต่อสภาวะสมดุลแต่อย่างใด)
ระวัง ไม่มีผลต่อค่า K และสมดุล แต่จะมีผลต่อความเข้มข้นของทุกสารในระบบ
การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของระบบ (Top)
เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยน ค่า KC จะเปลี่ยนแปลงไปด้วย
เมื่ออุณหภูมิของระบบเพิ่มขึ้น ปฏิกิริยาจะดำเนินไป ทางด้านที่จะดูดความร้อนเอาไว้ เพื่อที่จะเข้าสู่สมดุลใหม่
เมื่ออุณหภูมิของระบบลดลง ปฎิกิริยาจะดำเนินไปทางด้านที่จะคายความร้อนหรือให้ความร้อนแก่ระบบ เพื่อที่จะเข้าสู่สมดุลใหม่
ในสมดุลเคมี ถ้าปฏิกิริยาไปข้างหน้าเป็นปฏิกิริยา ดูดความร้อน (endothermic reaction)
ปฏิกิริยาย้อนกลับจะเป็นปฏิกิริยาคายความร้อน(exothermic reaction) หรือในทางกลับกัน
การเพิ่มอุณหภูมิในปฏิกิริยาแบบคายความร้อน ระบบจะเสียสมดุลและจะปรับระบบโดยดำเนินไปในทิศทางที่ดูดความร้อน นั่นคือ ปฏิกิริยาจะดำเนินไปในทิศทางย้อนกลับ เพื่อปรับให้เข้าสู่สมดุลใหม่
แต่ถ้าเพิ่มอุณหภูมิในปฏิกิริยาแบบดูดความร้อน จะเปลี่ยนทิศทางของปฏิกิริยาไปข้างหน้ามากขึ้น จนกระทั่งระบบเข้าสู่สมดุลอีกครั้ง
>> click << ตัวอย่าง การเปลี่ยนสีของแก๊ส NOx ที่อุณหภูมิต่างๆ
ตัวอย่าง การสังเคราะห์แอมโมเนีย
N2(g)
+ 3H2(g)
2NH3(g)
+ 92.0 kJ หรือ
=
-92.0 kJ
ความร้อนที่ได้คือผลิตภัณฑ์อย่างหนึ่งของปฏิกิริยา และทำให้ระบบร้อนขึ้น ถ้าเพิ่มอุณหภูมิให้แก่ระบบ จะทำให้ตำแหน่งสมดุลเลื่อนจากขวาไปซ้าย และทำให้ NH3 สลายตัวไป ระบบจะมี H2 และ N2 มากขึ้น พิจารณาจากเทอม mass-action ดังนี้
มีค่าน้อยลง
ทำให้ KC ลดลงด้วย
ดังนั้นการเพิ่มอุณหภูมิจะทำให้
KC ลดลง และสารผลิตภัณฑ์ลดลง
อิทธิพลของสารเร่งปฏิกิริยา (Top)
ปกติแล้วสารเร่ง (catalyst) จะช่วยให้ปฏิกิริยาเคมีเกิดได้ดีขึ้น โดยการลดระดับพลังงานกระตุ้นของปฏิกิริยา ดังนั้นสารเร่งจึงมีผลโดยตรงต่ออัตราเร็วของปฏิกิริยา แต่พบว่าสารเร่งจะไม่มีผลกระทบต่อการเปลี่ยนแปลงทิศทางของสมดุลเพียงเพื่อช่วยเร่งให้อัตราเร็วของปฏิกิริยาไปข้างหน้าและปฏิกิริยาย้อนกลับได้เร็วขึ้นเท่านั้น
อย่างไรก็ตามสารเร่งกลับมีบทบาทสำคัญในปฏิกิริยาเคมีบางปฏิกิริยา เช่นปฏิกิริยาการเกิด SO3 ดังนี้ :
2SO2(g)
+ O2(g)
2SO3
; KC = 1.7 x1026
โดยปฏิบัติแล้วถ้าพิจารณาจากค่า KC ปฏิกิริยานี้ควรจะเกิดได้อย่างสมบูรณ์ เมื่อเผากำมะถันในอากาศจะเกิด SO2 จำนวนมาก และมี SO3 ปนอยู่บ้างเล็กน้อย ส่วนปฏิกิริยาออกซิเดชันของ SO2 ไปเป็น SO3 นั้น เกิดได้ช้ามาก แต่ถ้าใช้ Pt หรือ V2O5 เป็นสารเร่ง จะช่วยให้ปฏิกิริยาเกิดได้เร็วขึ้น
ส่วนในปฏิกิริยาที่มีค่า KC ต่ำ สารเร่งจะมีบทบาทไม่มากเท่าใดนัก เช่น ปฏิกิริยาการเกิด NO ดังนี้ :
2N2(g)
+ 2O2(g)
2NO(g)
; KC = 4.6 x10-31 ที่ 25oC
ซึ่งเป็นปฏิกิริยาสำคัญในการผลิต
HNO3 ในอุตสาหกรรม (NO ทำปฏิกิริยากับ O2 และ H2O)
ที่สมดุลพบว่าจะมี NO ปริมาณเล็กน้อยเท่านั้น ถ้าใช้สารเร่งในปฏิกิริยานี้น่าจะช่วยให้ปฏิกิริยาเกิดได้ดีขึ้น
อย่างไรก็ตามที่ 2000oC ในอากาศซึ่งประกอบด้วย N2 กับ
O2 จะมี NO ปนอยู่ประมาณ 0.4% เท่านั้นที่สมดุล
การเติมก๊าซเฉื่อย (Top)
การเติมก๊าซเฉื่อย
(inert gas) ลงในส่วนผสมของปฏิกิริยาก๊าซอื่นที่อยู่ในภาวะสมดุล จะส่งผลให้ความดันรวมในภาชนะมีค่าเพิ่มขึ้นเท่านั้น
แต่ไม่มีผลกระทบต่อตำแหน่งสมดุลของปฏิกิริยา เพราะว่าก๊าซเฉื่อยไม่มีส่วนเกี่ยวข้องกับความดันย่อย
หรือความเข้มข้นของสารในระบบบ เช่น การเติม He ลงในปฏิกิริยาการผลิตก๊าซมีเทน
จะทำให้ความดันรวมมีค่าเพิ่มขึ้น : Ptotal = PCO +
+
+
+
ขณะที่ความดันย่อยของก๊าซอื่น ๆ มีค่าคงที่ และไม่มีผลต่อองค์ประกอบของสารที่ภาวะสมดุลของปฏิกิริยา