สมดุลเคมี

     สมดุลเคมี (Chemical equilibrium)  คือสภาวะที่ความเข้มข้นของสารตั้งต้นและสารผลิตภัณฑ์ไม่เปลี่ยนแปลงอีกแม้เวลาผ่านไป เราจะเรียกว่าปฏิกิริยาเคมีนั้นอยู่ในสมดุล

     กระบวนการเปลี่ยนแปลงทางวิทยาศาสตร์มี  3  รูปแบบ  คือ การเปลี่ยนสถานะ  การละลายและการเกิดปฏิกิริยาเคมี  จำแนกเป็น  2  ลักษณะคือ

  

     1. การเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นทางเดียวไม่ย้อนกลับ (Inreversible reaction) 

สิ่งที่เกิดขึ้นจากการเปลี่ยนแปลงนี้จะไม่สามารถเปลี่ยนกลับมาสู่ภาวะเดิมได้โดยทันที  เช่น  การเผาไหม้ของสิ่งต่าง ๆ การเปลี่ยนแปลงลักษณะนี้ไม่มีภาวะสมดุล เช่น ปฏิกิริยาการเผาไหม้  ดังสมการ

 CH4(g) + O2(g) CO2(g) + H2O(g)

     2.การเปลี่ยนแปลงที่ผันกลับได้หรือย้อนกลับได้ (Reversible reaction) 

สิ่งใหม่ที่เกิดขึ้นก็สามารถเปลี่ยนกลับมาเป็นสิ่งเดิมได้ทันที การเปลี่ยนแปลงลักษณะนี้จะเกิดภาวะสมดุลขึ้นได้  เช่น  การผลิต ก๊าซแอมโมเนีย (NH3) จากปฏิกิริยาระหว่างก๊าซไฮโดรเจน (H2) กับก๊าซไนโตรเจน (N2) ดังสมการ

3 H2(g)   +  N2(g)    ↔    2NH3(g)

     ฉะนั้นในเวลาเดียวกันจึงมีการเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้น  2  กระบวนการพร้อมกัน  ได้แก่

             2.1  ก๊าซ H2  กับ N2  ทำปฏิกิริยากันกลายเป็นก๊าซ NH3  ดังสมการ

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

      กระบวนการนี้เกิดขึ้นก่อน  เรียกว่าการเปลี่ยนแปลงไปข้างหน้า (forward change  หรือ forward reaction)

2.2  ก๊าซ NH3  บางส่วนสลายตัวกลับมาเป็นก๊าซ  H2  กับ N2  ตามเดิม  ดังสมการ

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

                กระบวนการนี้เกิดขึ้นทีหลัง  เรียกว่าการเปลี่ยนแปลงย้อนกลับ (reverse change  หรือ reverse reaction)  เมื่อนำการเปลี่ยนแปลงทั้ง  2  มาเขียนไว้ในสมการเดียวกัน  รูปของสมการจะเป็นดังนี้

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

   ภาวะสมดุล หมายถึง  ภาวะที่ระบบมีสมบัติคงที่  หรือภาวะที่สารตั้งต้นและสารผลิตภัณฑ์ทุกชนิดมีปริมาณหรือความเข้มข้นคงที่  หรือภาวะที่อัตราการเปลี่ยนแปลงไปข้างหน้าเท่ากับอัตราการเปลี่ยนแปลงย้อนกลับ

สมบัติของระบบ  ณ ภาวะสมดุล

1. ต้องเป็นปฏิกิริยาที่ผันกลับได้ โดย  ต้องเกิดในระบบปิด

2. มีปฏิกิริยาไปข้างหน้าและย้อนกลับเกิดขึ้นตลอดเวลา โดยจำนวนโมลของสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์คงที่แต่อาจเท่ากันหรือไม่เท่ากันก็ได้และอัตราการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าเท่ากับปฏิริยาย้อนกลับ

3. สมบัติของระบบคงที่ (จำนวนโมลคงที่  สีของสารคงที่  ความดันคงที่  และอุณหภูมิคงที่)

ภาวะสมดุลระหว่างสถานะ  สารต่างๆสามารถเปลี่ยนสถานะได้ โดยมีการเปลี่ยนแปลงพลังงานควบคู่ไปด้วย  ดังแผนภาพนี้

  สมดุลในปฏิกิริยาเคมี คือปฏิกิริยาเคมีที่เกิดภาวะสมดุลจะต้องเป็นปฏิกิริยาผันกลับได้  และ  สมบัติของระบบต้องคงที่  การศึกษาภาวะสมดุลของปฏิกิริยาเคมี  ตรวจสอบดังนี้

• ทดสอบปฏิกิริยาไปข้างหน้า(สารตั้งต้นทำปฏิกิริยากันแล้วเกิดเป็นสารผลิตภัณฑ์หรือไม่)

• ทดสอบปฏิกิริยาย้อนกลับ(นำสารผลิตภัณฑ์มาทำปฏิกิริยากันแล้วกลับไปเป็นสารตั้งต้นหรือไม่)

• สังเกตสมบัติของระบบว่าคงที่หรือไม่ (อาจสังเกตสีว่าคงที่หรือไม่)

          การเปลี่ยนแปลงที่ก่อให้เกิดสมดุลเคมีต้องเป็นการเปลี่ยนแปลงที่ผันกลับได้ ซึ่งแบ่งเป็น 3 ประเภท ดังนี้

  1.) การเปลี่ยนสถานะ  เช่น การกลายเป็นไอของน้ำในภาชนะปิดน้ำเปลี่ยนสถานะจากของเหลวเป็นแก๊ส

            H2O(l)  ⇌    H2O(g)

   ดังนั้น ในระบบอาจมีการเปลี่ยนสถานะจากของแข็งเป็นของเหลว หรือจากของเหลวเป็นแก๊ส หรือจากแก๊สเป็นของแข็งอย่างใดอย่างหนึ่ง ดังนั้นการเปลี่ยนสถานะที่จะก่อให้เกิดสมดุลเคมีได้ต้องเกิดในระบบปิดเท่านั้น

2) การเกิดสารละลาย  

     การเกิดสารละลายที่จะก่อให้เกิดสมดุลเคมี เช่น การละลายของเกลือ NaCl  ในน้ำได้สารละลาย แต่เมื่อให้ความร้อนจะเกิดเป็นสารละลายอิ่มตัว เมื่ออุณหภูมิลดลงจะเกิดการตกผลึกของเกลือ NaCl  กลับมา การเกิดสารละลายลักษณะนี้จึงก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงที่ผันกลับได้ การละลายของเกลือแกงแสดงดังสมการข้างล่าง(จะต้องละลายจนอิ่มตัวจึงจะเกิดสมดุล)

          NaCl (s)  +  H2O   ⇌    Na+(aq)   +  Cl- (aq)

3) การเกิดปฏิกิริยาเคมี

          การเกิดปฏิกิริยาบางปฏิกิริยาสามารถผันกลับได้ และก่อให้เกิดสมดุลเคมี  เช่น การละลายของก๊าซ  CO2  ในน้ำ อาจจะเกิดการเปลี่ยนแปลงในลักษณะการแพร่ของแก๊ส  CO2 ในน้ำ หรืออาจเกิดปฏิกิริยาเคมีกับน้ำได้กรดคาร์บอนิก และกรดคาร์บอนิกสามารถสลายตัวกลับมาเป็นแก๊ส CO2 และ H2O เหมือนเดิม

          CO2 (g)  +  H2O (l)  ⇌    H2CO3

ความสัมพันธ์ค่าคงที่สมดุล

           ความสัมพันธ์ระหว่างความเข้มข้นของสารต่างๆ ณ ภาวะสมดุล

เมื่อปฏิกิริยาเคมีที่สาร A ทำปฏิกิริยากับสาร B ได้สาร C และสาร D เข้าสู่ภาวะสมดุลอัตราการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้า (Ratef) และอัตราการเกิดปฏิกิริยาย้อนกลับ (Rater) สามารถเขียนได้ดังนี้

Kf และ Kr คือค่าคงที่ของ

Ratef และ Rater ตามลำดับที่ภาวะสมดุล

ความสัมพันธ์ของค่า k

1. ค่า K > 1 ถือว่า ค่า K มาก แสดงว่า ปฏิกิริยาเกิดไปข้างหน้าได้ดีมาก ผลิตภัณฑ์เกิดมาก สารตั้งต้นเหลือน้อย

2. ค่า K < 1 ถือว่า ค่า K น้อย แสดงว่า ปฏิกิริยาเกิดไปข้างหน้าได้น้อย เกิดปฏิกิริยาย้อนกลับได้ดี

ผลิตภัณฑ์เกิดน้อย สารตั้งต้นเหลือมาก

3. ค่า K = 1 ถือว่า ค่า K ปานกลาง แสดงว่า สารตั้งต้นและสารผลิตภัณฑ์ จะมีปริมาณพอ ๆ กัน

4. ค่า K จะคงที่เสมอ ไม่ว่าสมดุลจะถูกรบกวน ยกเว้น อุณหภูมิมีการเปลี่ยนแปลง

5. ค่า K > 1 หรือ K < 1 ได้ แต่จะไม่มีค่าติดลบ

การคำนวณค่าคงที่สมดุล

1. เขียนสมการพร้อมดุล

2. เขียนความเข้มข้นของสารตั้งต้น

3. เขียนความเข้มข้นของสารที่เปลี่ยนไป

4. เขียนความเข้มข้นของสารที่ภาวะสมดุล

( จากขั้นที่ 2 + ขั้นที่ 3 )

5. เขียนค่าคงที่สมดุลจากขั้นที่ 1

6. แทนค่าความเข้มข้นของสารต่าง ๆ ที่ภาวะสมดุล จากขั้นที่ 4 ลงในขั้นที่ 5

7. คำนวณหาตัวแปร จากขั้นที่ 6

8. ตอบคำถามจากโจทย์ที่กำหนด

การรบกวนสมดุล

1การเปลี่ยนความเข้มข้น

2การเปลี่ยนความดันและปริมาตรถ้าสารเป็น solid , liquid 

การเปลี่ยน P , V ไม่มีผลแต่ถ้าสารเป็น gas การเปลี่ยน P , V มีผลมาก

3การเปลี่ยนอุณหภูมิถ้าเปลี่ยน ความเข้มข้น ปริมาตร ความดัน= เปลี่ยนสมดุล

การเปลี่ยนอุณหภูมิ = เปลี่ยน KC

ถ้า N2O4(g) → 2NO2(g) ΔHo = 58.0 kJ ดูดความร้อน

2NO2(g) → N2O4(g) ΔHo = -58.0 kJ    คายความร้อน

ศึกษาต่อได้ที่