สมดุลเคมี


.. สมดุลเคมีคืออะไร
.. การคำนวณและการ ประยุกต์
.. หลักของเลอชาเตอลิเยร์

หลักของเลอชาเตอลิเยร์


| หลักของเลอชาเตอลิเยร์ในสมดุลเคมี | การเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของสารในระบบ | การเปลี่ยนแปลงความดันและปริมาตรของระบบ |
| การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของระบบ | อิทธิพลของสารเร่งปฏิกิริยา | การเติมแก๊สเฉื่อย |


หลักของเลอชาเตอลิเยร์ในสมดุลเคมี (Top)
Le Chatelier (1884) ได้ศึกษาข้อมูลเกี่ยวกับผลกระทบต่อภาวะสมดุลของปฏิกิริยาเคมี และ สรุปเป็นหลักการเพื่อใช้ทำนายทิศทางของการเกิดปฏิกิริยาไว้ดังนี้ "เมื่อระบบที่อยู่ในภาวะสมดุลถูกรบกวนจากปัจจัยภายนอก ซึ่งจะส่งผลให้สมดุลของระบบเสียไป ระบบจะพยายามปรับตัวไปในทิศทางที่จะทำให้ปัจจัยที่รบกวนนั้นลดลงเหลือน้อยที่สุด แล้วระบบจะกลับเข้าสู่ภาวะสมดุลอีกครั้ง"

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

 

N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)
 
ในทางปฏิบัติควรจะเติม N2 เข้าสู่ระบบให้มากขึ้น ถ้าต้องการสารผลิตภัณฑ์มาก ๆ ทั้งนี้เนื่องจาก N2 มีราคาถูกและจะผลักดันให้ปฏิกิริยาดำเนินไปข้างหน้าตามต้องการ

ตัวอย่าง การประยุกต์ใช้สมดุลเคมีในเรื่องของฟันผุ ซึ่งมีสภาวะสมดุลของปฏิกิริยาเกิดขึ้นในปากดังนี้ :

Ca5(PO4)3OH(s) + +

เมื่อมีคราบน้ำตาลตกค้างอยู่ตามฟันอาจเกิดการหมักและมีกรด (H+) เกิดขึ้น ไอออน H+ มักจะทำปฏิกิริยาได้ง่าย ดังนี้ :

+ H2O(l)

+

 

ซึ่งจะรบกวนสมดุลของปฏิกิริยา หรือเป็นการดึง และ OH- ออกจากสารละลายส่งผลให้ Ca5(PO4)3OH สลายตัวไปเรื่อย ๆ เพื่อปรับระบบให้เข้าสู่สมดุลใหม่ ลักษณะนี้ถือว่าเกิดอาการฟันผุอยู่เสมอ อย่างไรก็ตามอาจแก้ไขได้โดยเติม F- ลงในระบบ เพื่อแทนที่ OH- ในสาร Hydroxyapatite ( F- เป็นเบสที่อ่อนกว่า OH- ) กลายเป็น Ca5(PO4)3F ซึ่งสามารถทนต่อฤทธิ์กรดได้ดี โดยทั่วไปยาสีฟันเกือบทุกชนิดจะมีฟลูออรีนเป็นองค์ประกอบ

 

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

 

 

สมดุลไอออนใน สารละลาย

.. กรด เบสคืออะไร
.. ปฏิกิริยาของ กรด เบส
.. สมดุลของไอออนเกลือที่ ละลายน้ำได้น้อย