สมดุลเคมี

ในปฏิกิริยาเคมีที่สารตั้งต้นเกิดการเปลี่ยนแปลงไปเป็นสารผลิตภัณฑ์แล้วเมื่อเวลาผ่านไปสารผลิตภัณฑ์เกิดการเปลี่ยนแปลงย้อนกลับกลับมาเป็นสารตั้งต้นได้อีก เรียกปฏิกิริยาเคมีประเภทนี้ว่านี้ว่าเกิดการเปลี่ยนแปลงผ่านสภาวะสมดุลเคมี

สภาวะสมดุล
ในปฏิกิริยาที่ผันกลับได้นั้น เมื่อระบบเข้าสู่สภาวะสมดุล สมบัติของระบบไม่ว่าจะเป็นความเข้มข้น สี หรือความดัน (ถ้าเป็นแก๊ส) จะคงที่เสมอ และ เรียกสภาวะสมดุลที่ระบบไม่หยุดนิ่ง แต่มีการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าและย้อนกลับตลอดเวลานี้ว่า สมดุลไดนามิก

ปัจจัยที่มีผลต่อสภาวะสมดุล
ที่สภาวะสมดุลสมบัติของสารต่างๆในระบบสามารถถูกรบกวนได้จากปัจจัยภายนอก อันได้แก่ ความเข้มข้น อุณหภูมิ และความดัน ทำให้ระบบเกิดการเสียสมดุล ดังนั้นระบบจึงต้องมีการปรับตัวเข้าสู่สภาวะสมดุลใหม่อีกครั้งหนึ่ง เพื่อลดผลของการรบกวนนั้น โดยผู้ที่ศึกษาในเรื่องของการรบกวนสมดุลและสรุปไว้เป็นหลักเกณฑ์ไว้คือ เลอชาเตอริเย
ความเข้มข้นกับภาวะสมดุล
ถ้าให้สมการเคมีทั่วไปเป็น A + B C + D
หากมีการไปรบกวนสภาวะสมดุลของระบบ โดยการไปเปลี่ยนความเข้มข้นของสารตัวใดตัวหนึ่ง จะทำให้ระบบมีการปรับตัวเข้าสู่สภาวะสมดุลใหม่ได้ดังนี้
ก. ถ้าเพิ่มความเข้มข้นของสารตั้งต้น (A หรือ B)
ระบบจะปรับตัวเข้าสู่สภาวะสมดุลใหม่ เพื่อลดความเข้มข้นของสารที่เติมเข้าไป (A หรือ B) โดยสารตั้งต้นจะทำปฏิกิริยากันมากขึ้น ส่งผลให้ปฏิกิริยาเกิดไปข้างหน้าเพิ่มมากขึ้น จึงได้สารผลิตภัณฑ์ C และ D เข้มข้นมากขึ้น (สมดุลเลื่อนไปทางขวา)
ข. ถ้าเพิ่มความเข้มข้นของสารผลิตภัณฑ์ (C หรือ D)
ระบบจะปรับตัวเข้าสู่สภาวะสมดุลใหม่ เพื่อลดความเข้มข้นของสารที่เติมเข้าไป (C หรือ D) โดยสารผลิตภัณฑ์ คือ C และ D ทำปฏิกิริยากันมากขึ้น ส่งผลให้เกิดปฏิกิริยาย้อนกลับได้มากขึ้น ทำให้ได้สารตั้งต้น A และ B เข้มข้นมากขึ้น (สมดุลเลื่อนไปทางซ้าย)
ค. ถ้าลดความเข้มข้นของสารตั้งต้น (A หรือ B)
ระบบจะปรับตัวเข้าสู่สภาวะสมดุลใหม่ เพื่อเพิ่มความเข้มข้นของสารตั้งต้นให้มากขึ้น โดยสารผลิตภัณฑ์ C และ D ทำปฏิกิริยากันเกิดปฏิกิริยาย้อนกลับได้มากขึ้น (สมดุลเลื่อนไปทางซ้าย)
ง. ถ้าลดความเข้มข้นของสารผลิตภัณฑ์ (C หรือ D)
ระบบจะปรับตัวเข้าสู่สภาวะสมดุลใหม่ เพื่อเพิ่มความเข้มข้นของสารผลิตภัณฑ์ให้มากขึ้น โดยสารตั้งต้น A และ B ทำปฏิกิริยากันเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าเพิ่มมากขึ้น (สมดุลเลื่อนไปทางขวา)

EX. ในปฏิกิริยา Fe3+ + SCN- [FeSCN]2+
เกิดการเปลี่ยนแปลงเช่นใด ¬ หากเติม NH4SCN ลงไปในปฏิกิริยา
k หากดึง [FeSCN]2+ ออกจากปฏิกิริยา
ทำ ¬ เติม NH4SCN
เกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าเพิ่มมากขึ้น สมดุลเลื่อนไปทางขวา
k ลด [FeSCN]2+
เกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าเพิ่มมากขึ้น สมดุลเลื่อนไปทางขวา

อุณหภูมิกับสภาวะสมดุล
ในสมดุลเคมีของปฎิกิริยาดูดหรือคายความร้อนการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของระบบจะมีผลต่อสภาวะสมดุลของระบบดังนี้
ดูด
กรณีที่เป็นปฏิกิริยาดูดความร้อน Þ A + B C + D
คาย

หากมีการเพิ่มอุณหภูมิให้กับระบบ จะทำให้ระบบปรับตัวเข้าสู่สภาวะสมดุลใหม่โดยเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าได้มากขึ้น ส่งผลให้สมดุลเลื่อนไปทางขวา คือเกิด C และ D มากขึ้น (A และ B ลดลง)
หากเป็นการลดอุณหภูมิของระบบ จะทำให้ระบบปรับตัวเข้าสู่สภาวะสมดุลใหม่โดยเกิดปฏิกิริยาย้อนกลับ ส่งผลให้สมดุลเลื่อนไปทางซ้าย เกิดสารตั้งต้น A และ B มากขึ้น (C และ D ลดลง)

คาย
กรณีที่เป็นปฏิกิริยาคายความร้อน Þ A + B C + D
ดูด

หากมีการลดอุณหภูมิให้กับระบบ ระบบจะปรับตัวโดยการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้า เกิดสารผลิตภัณฑ์
C และ D มากขึ้น (A และ B ลดลง)
หากเป็นการเพิ่มอุณหภูมิของระบบ ระบบจะปรับตัวโดยการเกิดปฏิกิริยาย้อนกลับเกิดสาร A และ B
มากขึ้น (C และ D ลดลง)
ความดันกับสภาวะสมดุล
การเปลี่ยนแปลงความดัน มีผลกับสภาวะสมดุลในปฏิกิริยาที่มีแก๊สเข้ามาเกี่ยวข้องเท่านั้น
กรณีที่ 1 การเพิ่มความดัน
ที่สภาวะสมดุล เมื่อมีการเพิ่มความดันให้กับระบบ ระบบจะปรับตัวโดยการลดความดัน โดยสมดุลจะเลื่อนไปในทิศทางที่ลดความดัน โดยลดจำนวนโมลของสาร
กรณีที่ 2 การลดความดัน
เมื่อมีการลดความดันให้กับระบบที่สภาวะสมดุล ระบบจะปรับตัวโดยเพิ่มความดัน โดยสมดุลจะเลื่อนไปในทิศทางที่เพิ่มความดัน โดยเพิ่มจำนวนโมล
*** การเพิ่มหรือลดความดันจะไม่มีผลกับสภาวะสมดุล เมื่อจำนวนโมลของแก๊สตั้งต้นเท่ากับจำนวนโมลของแก๊สผลิตภัณฑ์ ***
EX. ในปฏิกิริยา PCl5(g) PCl3(g) + Cl2(g) เมื่อเพิ่มความดัน ระบบมีการเปลี่ยนแปลงอย่างไร


ค่าคงที่สมดุล (Equilibrium Constant)
หากให้สมการทั่วไปเป็น aA + bB cC + dD
ที่สภาวะสมดุล Þ ความสัมพันธ์ระหว่างความเข้มข้นของสารตั้งต้นกับผลิตภัณฑ์เป็นดังนี้
K = เรียก K ว่าค่าคงที่สมดุล ซึ่งเป็นค่าคงที่ที่ไม่เปลี่ยนแปลงที่อุณหภูมิคงที่
ค่า K ที่คิดผ่านความเข้มข้นอาจเขียนเป็น KC ก็ได้
หากสารที่อยู่ในระบบเป็นก๊าซ ค่าของ K เขียนในรูปของ KP ได้ หากทราบความดันย่อยของแก๊สแต่ละตัว
KP =
โดย KC และ KP มีความสัมพันธ์กันดังนี้ Þ KP = KC(RT) D n
เมื่อ R = 0.0821 L.atm.mol-1.K-1 T = อุณหภูมิหน่วยเคลวิน Dn = ผลต่างโมล (Product กับ Reactant)


K =

การวิเคราะห์ค่า K

จาก ในปฏิกิริยา aA + bB cC + dD

พบว่า หาก K มากกว่า 1 หมายความว่า สมดุลเลื่อนไปทางขวา เกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้ามาก
หาก K น้อยกว่า 1 หมายความว่า สมดุลเลื่อนไปทางซ้าย เกิดปฏิกิริยาย้อนกลับมาก
หาก K เท่ากับ 1 หมายความว่า Rateข้างหน้า = Rateย้อนกลับ

ตัวอย่างการเขียนค่า K ที่ภาวะสมดุล

K =

การเขียนค่า K จะไม่นำสารที่อยู่ในรูปของของแข็งหรือของเหลวมาเขียนโดยเด็ดขาด

EX. N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) Þ (mol /lit)-2


EX. CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g) Þ K = [CO2] (mol /lit)


ความสัมพันธ์ของค่าคงที่สมดุล

1. หากเป็นปฏิกิริยาเดียวกัน แต่เขียนสมการกลับกัน
เช่น H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g) ; K1
2HCl(g) H2(g) + Cl2(g) ; K2

K2 =



จะเห็นว่า


Kใหม่ =


\ หากมีการกลับสมการ ®



2. หากเป็นปฏิกิริยาเดียวกัน แต่จำนวนโมลต่างกัน
เช่น H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g) ; K1
2H2(g) + 2Cl2(g) 4HCl(g) ; K2
จะเห็นว่า K2 = K12
\ หากมีการกลับสมการ ® Kใหม่ = Kเก่าเลขที่คูณเพิ่ม

3.
ในปฏิกิริยาที่เกิดผ่านหลายขั้นตอน
เช่น SO2(g) + O2(g) SO3(g) ; K1

CO2(g) CO(g) + O2(g) ; K2

เมื่อรวม 2 สมการ จะได้ว่า

SO2(g) + CO2(g) SO3(g) + CO(g) ; K3

นั่นคือ K3 = K1 ´ K2
\ ในปฏิกิริยาหลายขั้นตอน ® ที่ต้องมีการรวมสมการ ® Kรวม = ผลคูณของ K ย่อย


EX. ให้ 2NO2(g) N2O4(g) K = 200 ¬



K =

หา N2O4(g) NO2(g) K = ? k



K = =

ทำ กลับ ¬ N2O4(g) 2NO2(g) ®


´ ® N2O4(g) NO2(g) = 0.08 #



การคำนวณหาค่าคงที่สมดุล

ให้คิดผ่านความเข้มข้นของสารต่างๆ ที่ภาวะสมดุล
EX. จาก Fe3+(aq) + SCN-(aq) FeSCN2+(aq) ที่ 25°C
เมื่อความเข้มข้นที่ภาวะสมดุลของ Fe3+ , SCN- และ FeSCN2+ เท่ากับ 3.9´10-2M และ 9.2´10-4 M ตามลำดับ

K =

ให้หาค่าคงที่สมดุลของปฏิกิริยาที่ 25°C


ทำ จาก


=

= 294.87 M-1 #

EX. จาก N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) ที่เกิดขึ้นในภาชนะขนาด 5 ลิตร









ให้หาค่า K เมื่อพบว่าที่ภาวะสมดุลมีแก๊ส N2 3.4 กรัม , H2 0.16 กรัม และ NH3 19 กรัม

ทำ ที่ภาวะสมดุล [N2] = M , [H2] = , [NH3] =

= 0.024M = 0.02M = 0.224M



K =



จาก


=

= 0.26´106 M-2 #


EX. จาก PCl5(g) PCl3(g) + Cl2(g) ให้หาค่าคงที่สมดุลที่ 250°C
หากเผา PCl5 0.07 โมล ที่ 250°C ในภาชนะขนาด 2 ลิตร เมื่อถึงภาวะสมดุลพบว่ามี Cl2 อยู่ 0.05 โมล
ทำ คิดผ่านความเข้มข้นของสารที่ภาวะสมดุล
¬ จากสมการ เกิด Cl2 1 โมล ต้องเกิด PCl3 1 โมล
\ ถ้าเกิด Cl2 0.05 โมล ต้องเกิด PCl3 0.05 โมล
k จากสมการ เกิด Cl2 1 โมล ต้องเผา PCl5 1 โมล
\ ถ้าเกิด Cl2 0.05 โมล ต้องเผา PCl5 0.05 โมล
PCl5(g) PCl3(g) + Cl2(g)
เริ่มต้น 0.07 0 0 Mole

ที่สมดุล 0.07-0.05 0.05 0.05 Mole



จาก K =




=



=


= 0.0625M #



EX. จาก 2A(g) + B(g) C(g) ถ้าใส่ A 1.2 โมล, B 0.8 โมล ในภาชนะ 2 ลิตร ที่ภาวะสมดุลพบว่ามีสาร A 0.9 โมล
หาค่า K ของปฏิกิริยานี้


ทำ ที่สมดุลมีสาร A 0.9 โมล แสดงว่า Þ สาร A ถูกใช้ในการทำปฏิกิริยา = 1.2 - 0.9 = 0.3 โมล
¬ จากสมการ สาร A 2 โมล จะทำปฏิกิริยากับ B 1 โมล

\ สาร A 0.3 โมล จะทำปฏิกิริยากับ B = (0.3) โมล


= 0.15 โมล



ใช้สาร B ไป = 0.15 โมล Þ ที่สมดุลสาร B เหลือ = 0.8 - 0.15 = 0.65 โมล
k จากสมการ ใช้สาร A 2 โมล จะเกิด C 1 โมล

\ ใช้สาร A 0.3 โมล จะเกิด C = (0.3) โมล


= 0.15 โมล
2A(g) + B(g) C(g)

เริ่มต้น 1.2 0.8 0 Mole

ที่สมดุล 1.2-0.3 0.8-0.15 0.15 Mole


จาก K =




=



= 1.14 M-2 #



EX. จากปฏิกิริยา NO2(g) NO(g) + O2(g)

ถ้าเริ่มต้นใส่ NO2 0.2M เมื่อถึงสภาวะสมดุลพบว่า NO2 สลายตัวไป 10% ให้หาค่า K

ทำ สลายตัว 10% Þ ถ้าเริ่มต้นใช้ NO2 100 M จะสลายตัวได้ 10 M



\ ถ้าเริ่มต้นใช้ NO2 0.2M จะสลายตัว = (0.2) = 2´10-2 M


จากสมการ ถ้าใช้ NO2 1 โมล เกิด NO = 1 โมล

\ ถ้าใช้ NO2 2´10-2 โมล เกิด NO = 2´10-2 โมล

จากสมการ ถ้าใช้ NO2 1 โมล เกิด O2 = โมล



\ ถ้าใช้ NO2 2´10-2 โมล เกิด O2 = (2´10-2)


= 1´10-2 โมล

NO2(g) NO(g) + O2(g)


เริ่มต้น 0.2 0 0 Mole
ที่สมดุล 0.2-2´10-2 2´10-2 1´10-2 Mole



จาก K =




=


= 1.11´10-2 M1/2 #



EX. จากปฏิกิริยา 2HI(g) H2(g) + I2(g) ที่ 448°C ให้หาค่าคงที่สมดุล
เมื่อความดันย่อยของสารแต่ละชนิดที่สภาวะสมดุลเป็นดังนี้
PHI = 4´10-3 atm = 7.5´10-3 atm = 4.3´10-5 atm




ทำ จาก KP =


=


= 2.02´10-2 #



การคำนวณหาความเข้มข้นของสารที่สภาวะสมดุล

EX. ถ้าปฏิกิริยา 3H2(g) + N2(g) 2NH3(g) มีค่า K = 5´10-2 L2/mol2 ที่ 500°C
โดยพบว่าที่สภาวะสมดุลมีก๊าซ H2 0.25M, NH3 0.05M แล้ว ให้หา [N2] ที่สภาวะสมดุลนี้
ทำ 3H2(g) + N2(g) 2NH3(g)
ที่สมดุล 0.25 x 0.05 Mole



จาก K =


5´10-2 M-2 =


x = 3.2 M
\ ที่ภาวะสมดุล [N2] = 3.2 Molar #


EX. ในปฏิกิริยา H2(g) + I2(g) 2H2I(g) มีค่า K = 45.9 ที่ 490°C
ถ้าเริ่มต้นใส่ H2 และ I2 อย่างละ 1 โมลลงในภาชนะขนาด 1 ลิตร
ให้หาความเข้มข้นของสารแต่ละชนิดที่สภาวะสมดุล

ทำ ¬ จากสมการ ใช้ H2 1 โมล ต้องใช้ I2 1 โมล
\ ถ้าใช้ H2 x โมล ต้องใช้ I2 x โมล
k จากสมการ ใช้ H2 1 โมล เกิด HI 2 โมล
\ ใช้ H2 x โมล เกิด HI 2x โมล
H2(g) + I2(g) 2HI(g)

เริ่มต้น 1 1 0

ที่สมดุล 1-x 1-x 2x



จาก K =



45.9 =


45.9 =


=


6.775(1-x) = 2x
6.775 = 8.755x
x = 0.772 Molar
\ ที่สภาวะสมดุลมี [H2] เหลืออยู่เท่ากับ [I2] = 1-0.772 = 0.228 M #

และมี [HI] = 2(0.772) = 1.544 M #