สมดุลเคมี
สมดุลเคมี
สมดุลเคมี หมายถึง สภาวะที่ความเข้มข้นของสารตั้งต้นและสารผลิตภัณฑ์ไม่เปลี่ยน แปลงอีกแม้เวลาผ่านไป เราจะเรียกว่าปฏิกิริยาเคมีนั้นอยู่ในสมดุล (equilibrium) ทั้งนี้ การดำเนินไปของปฏิกิริยาไม่ได้สิ้นสุดลงแต่ระบบยังคงมีการเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา เรียกว่า สมดุลไดนามิก
กระบวนการเปลี่ยนแปลงทางวิทยาศาสตร์มี 3 รูปแบบ คือ การเปลี่ยนสถานะ การละลาย และการเกิดปฏิกิริยาเคมี จำแนกเป็น 2 ลักษณะคือ
1.การเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นทางเดียวไม่ย้อนกลับ (Inreversible reaction) หมายถึงเมื่อสิ่งหนึ่งเปลี่ยนแปลงไปเป็นอีกสิ่งหนึ่งแล้ว สิ่งที่เกิดขึ้นจากการเปลี่ยนแปลงนี้จะไม่สามารถเปลี่ยนกลับมาสู่ภาวะเดิมได้โดยทันที เช่น การเผาไหม้ของสิ่งต่าง ๆ เราไม่สามารถทำให้สิ่งที่เกิดจากการเผาไหม้ เปลี่ยนกลับไปเป็นสารเดิมเหมือนก่อนการเผาไหม้ได้อีก การเปลี่ยนแปลงลักษณะนี้ไม่มีภาวะสมดุล เช่น ปฏิกิริยาการเผาไหม้ดังสมการ
CH4(g) + O2(g) CO2(g) + H2O(g)
2.การเปลี่ยนแปลงที่ผันกลับได้หรือย้อนกลับได้ (Reversible reaction) มีลักษณะที่สำคัญคือเมื่อสิ่งหนึ่งเปลี่ยนแปลงไปเป็นสิ่งใหม่แล้ว สิ่งใหม่ที่เกิดขึ้นก็สามารถเปลี่ยนกลับมาเป็นสิ่งเดิมได้ทันที การเปลี่ยนแปลงลักษณะนี้จะเกิดภาวะสมดุลขึ้นได้ เช่น การผลิต ก๊าซแอมโมเนีย (NH3) จากปฏิกิริยาระหว่างก๊าซไฮโดรเจน (H2) กับก๊าซไนโตรเจน (N2) ดังสมการ
3 H2(g) + N2(g) ↔ 2NH3(g)
ในการเกิดปฏิกิริยานี้ ก๊าซ H2 และ N2 เป็นสารตั้งต้น ทำปฏิกิริยากันกลายเป็นก๊าซ NH3 และในทันทีที่เกิดก๊าซ NH3 ก๊าซ NH3 ที่เกิดขึ้นจะสลายตัวกลับไปเป็นก๊าซ H2 และ N2 อย่างเดิม ฉะนั้นในเวลาเดียวกันจึงมีการเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้น 2 กระบวนการพร้อมกัน ได้แก่
2.1ก๊าซ 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)
กระบวนการนี้เกิดขึ้นทีหลังเรียกว่าการเปลี่ยนแปลงย้อนกลับ (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 โดยจำนวนโมลของสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์คงที่แต่อาจเท่ากันหรือไม่เท่ากันก็ได้ และ อัตราการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าเท่ากับปฏิริยาย้อนกลับ
3.สมบัติของระบบคงที่ (จำนวนโมลคงที่ สีของสารคงที่ ความดันคงที่ และอุณหภูมิคงที่)
ภาวะสมดุลในสารละลายอิ่มตัว เมื่อให้ตัวถูกละลาย ละลายในตัวทำละลาย ตัวถูกละลายก็จะละลายได้เร็วในตอนแรกแล้วละลายได้ช้าลงและเมื่อเกิดสารละลายอิ่มตัว เราจะพบว่าตัวถูกละลายไม่ละลายต่อไปอีก ไม่ว่าจะคนสารละลายเป็นเวลานานเท่าใดถ้าอุณหภูมิคงที่ เมื่อตั้งสารละลายอิ่มตัวไว้จะเกิดผลึกขึ้นและปริมาณของผลึกจะเพิ่มขึ้นเรื่อยๆจนในที่สุดผลึกคงที่ เรายังดูเหมือนว่าไม่เกิดผลึกอีก แต่ในระบบผลึกยังคงเกิดขึ้นเรื่อยๆแล้วก็ละลายในสารละลายอีกด้วย
สมดุลในปฏิกิริยาเคมี คือ ปฏิกิริยาเคมีที่เกิดภาวะสมดุลจะต้องเป็นปฏิกิริยาผันกลับได้ และ สมบัติของระบบต้องคงที่ การศึกษาภาวะสมดุลของปฏิกิริยาเคมี ตรวจสอบดังนี้
- ทดสอบปฏิกิริยาไปข้างหน้า (สารตั้งต้นทำปฏิกิริยากันแล้วเกิดเป็นสารผลิตภัณฑ์หรือไม่)
- ทดสอบปฏิกิริยาย้อนกลับ (นำสารผลิตภัณฑ์มาทำปฏิกิริยากันแล้วกลับไปเป็นสารตั้งต้นหรือไม่)
- สังเกตสมบัติของระบบว่าคงที่หรือไม่ (อาจสังเกตสีว่าคงที่หรือไม่)
การเปลี่ยนแปลงที่ก่อให้เกิดสมดุลเคมีต้องเป็นการเปลี่ยนแปลงที่ผันกลับได้ ซึ่งแบ่งเป็น 3 ประเภท ดังนี้
1.) การเปลี่ยนสถานะเช่น การกลายเป็นไอของน้ำในภาชนะปิด น้ำเปลี่ยนสถานะจากของเหลวเป็นแก๊ส
H2O(l) ⇌ H2O(g)
หรือการระเหิดของไอโอดีนในภาชนะปิด ซึ่งเปลี่ยนสถานะไอโอดีนจากของแข็งเป็นแก๊ส
I2(s) ⇌ I2 (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
ภาวะสมดุลระหว่างสถานะ สารต่างๆสามารถเปลี่ยนสถานะได้ โดยมีการเปลี่ยนแปลงพลังงานควบคู่ไปด้วย ภาวะที่ระบบสมบัติคงที่ หรือภาวะที่สารตั้งต้นและสารผลิตภัณฑ์ทุกชนิดมีปริมาณหรือความเข้มข้นคงที่ หรือภาวะที่อัตราการเปลี่ยนแปลงไปข้างหน้าเท่ากับอัตราการเปลี่ยนแปลงย้อนกลับ
- ที่อุณหภูมิหนึ่ง เมื่อเข้าสู่ระบบภาวะสมดุล สมบัติต่างๆของระบบจะคงที่ (แต่ไม่จำเป็นต้องเท่ากัน)
- ณ ภาวะสมดุล การเปลี่ยนแปลงของปฏิกิริยายังคงเกิดขึ้นตลอดเวลาเรียกว่า ภาวะสมดุลไดนามิก (dynamic equilibrium) โดย อัตราการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้า = อัตราการเกิดปฏิกิริยาย้อนกลับ
- ภาวะสมดุลจะเกิดขึ้นในระบบปิด และเกิดการเปลี่ยนแปลงแบบผันกลับได้ ดังนั้น ที่ภาวะสมดุลจะพบสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ทุกชนิดอยู่ในระบบ
- ระบบสามารถเข้าสู่สมดุลได้เอง ไม่ว่าจะเริ่มจากการเปลี่ยนแปลงไปข้างหน้าหรือย้อนกลับ
- สมดุลเนื้อเดียว (Homogeneous Chemical Equilibrium)
- สมดุลเนื้อผสม (Heterogeneous Chemical Equilibrium)
ดังแผนภาพนี้ดังแผนภาพนี้
- ทดสอบปฏิกิริยาไปข้างหน้า (สารตั้งต้นทำปฏิกิริยาแล้วเกิดสารผลิตภัณฑ์หรือไม่)
- ทดสอบปฏิกิริยาย้อนกลับ (นำสารผลิตภัณฑ์มาทำปฏิกิริยากันแล้วกลับเป็นสารตั้งต้นหรือไม่)
- สังเกตุสมบัติของระบบว่าคงที่หรือไม่ (อาจสังเกตว่าสีคงที่หรือไม่)
- ค่า K จะบอกถึงปฏิกิริยาไปข้างหน้ามมากเท่าใด
- ค่า K จะบอกปริมาณของผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นมากน้อยเพียงใด
- ค่า K ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิเท่านั้น ความเข้มข้นและความดันไม่มีผล แต่จะมากขึ้นหรือน้อยลงขึ้นอยู่กับชนิดของปฏิกิริยา
- ค่า K อาจมีหน่วย หรือไม่มีหน่วยก็ได้ขึ้นอยู่กับสมการเคมี
- ค่า K มิได้เกี่ยวข้องกับอัตราเร็วในการเกิดปฏิกิริยา กล่าวคือ ค่า K มากอัตราของปฏิกิริยาอาจจะเร็วหรือช้าก็ได้
- ค่า K อาจมีค่ามากกว่า น้อยกว่าหรือเท่ากับหนึ่งก็ได้ ขึ้นอยู่กับปฏิกิริยานั้น
- เมื่อเขียนสมการของปฏิกิริยาเคมีกลับกันกับสมการเดิม ค่า K ที่จะได้มีค่าเป็นส่วนกลับกับค่า K เดิม คือกลับเศษเป็นส่วนและส่วนเป็นเศษ
- เมื่อคูณตัวเลขใดเข้าไปในสมการของปฏิกิริยา ค่า K ใหม่ที่ได้จะต้องนำค่า K เดิมมายกกำลังด้วยตัวเลขที่คูณนั้น
- ถ้าปฏิกิริยารวม เกิดจากปฏิกิริยาย่อยรวมกัน ค่าคงที่สมดุลจะเท่ากับค่าคงที่สมดุลของปฏิกิริยาย่อยคูณกัน
- เมื่อหารตัวเลขใดๆ เข้าไปในสมการของปฏิกิริยา ค่า K ใหม่ที่ได้จะต้องนำค่า K เดิมมาถอดรากลำดับที่เท่ากับตัวเลขที่หารนั้น
- เขียนสมการเคมี
- ดุลสมการเคมี
- ณ จุดสมดุล หาความเข้มข้นของผลิตภัณฑ์
- ณ จุดสมดุล หาความเข้มข้นของสารตั้งต้นที่เหลือ
- เขียนค่า K และแทนค่าความเข้มข้นของสารผลิตภัณฑ์และสารตั้งต้นลงในค่า K
ความคิดเห็น
แสดงความคิดเห็น