สมดุลเคมี

Hompage

สมดุลเคมีคืออะไร

อะไรคือสมดุลเคมี ตามหลักของปริมาณสารสัมพันธ์ ปฏิกิริยาจะต้องดำเนินไปจนสมบูรณ์ยกตัวอย่างเช่น

CO2 (g) + H2 (g) => CO (g) + H2O (g) .........................................(1)

ในระบบเปิด CO2 (g) จะทำปฏิกิริยากับ H2 (g) จนหมดและได้ CO (g) และ H2O (g)

ในระบบปิด เมื่อเกิดปฏิกิริยาปริมาณของ CO2 (g) และ H2 (g) จะลดลง ในขณะที่ปริมาณของ CO (g) และ H2O (g) จะเพิ่มขึ้น ทำให้รวมตัวกันกลับไปเป็น CO2 (g) และ H2 (g) ดังสมการ

CO (g) + H2O (g) => CO2 (g) + H2 (g) .........................................(2)

เมื่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาที่ (1) เท่ากับ อัตราการเกิดปฏิกิริยาที่ (2) เรียกว่า เกิดสมดุลทางเคมี และเรียกปฏิกิริยาที่ (1) ว่า ปฏิกิริยาไปข้างหน้า(forward reaction) เรียกปฏิกิริยาที่ (2) ว่าปฏิกิริยาย้อนกลับ(reversible reaction) นิยมเขียนปฏิกิริยาแสดงสมดุลระหว่างการเกิดปฏิกิริยาที่ (1) และปฏิกิริยาที่ (2) ดังนี้ 
CO2 (g) + H2 (g) () CO (g) + H2O (g)

หลักการของสมดุลเคมี เมื่อระบบเข้าสู่สมดุลระบบจะต้อง :

1.1 อัตราการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าเท่ากับอัตราการเกิดปฏิกิริยาย้อนกลับและความเข้มข้นของสาร ตั้งต้นและผลิตผลจะคงที่

ในปฏิกิริยาเคมีใด ๆ เมื่อเริ่มทำปฏิกิริยา ความเข้มข้นของสารเริ่มต้นจะลดลงเรื่อย ๆ ขณะที่ความเข้มข้นของสารผลิตภัณฑ์เพิ่มขึ้นตามลำดับ จนกระทั่งเวลาผ่านไปช่วงหนึ่ง ความเข้มข้นของสารทุกตัวในระบบจะไม่เปลี่ยนแปลงอีกต่อไป นั่นคือปฏิกิริยาอยู่ในสภาวะสมดุล

ที่สภาวะนี้ถ้าพิจารณาตามหลักการของจลนศาสตร์เคมี (chemical kinetics) พบว่าอัตราการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าจะเท่ากับอัตราการเกิดปฏิกิริยาย้อนกลับ และจากการทดลองพบว่า ที่สภาวะสมดุล ความเข้มข้นของสารเริ่มต้นและสารผลิตภัณฑ์จะมีค่าคงที่และไม่ขึ้นกับเวลา

1.2 ระบบเป็นสมดุลไดนามิค (dynamic equilibrium)

ถ้าศึกษาการเปลี่ยนแปลงในระดับโมเลกุล หรืออะตอม จะพบว่าเมื่อระบบเข้าสู่สภาวะสมดุลนั้น ระบบไม่ได้หยุดนิ่งแต่จะมีการเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา นั่นคือปฏิกิริยาดำเนินไปข้างหน้าและย้อนกลับได้อย่างต่อเนื่องโดยปราศจากการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของสารในระบบ เรียกสภาวะสมดุลลักษณะนี้ว่า สมดุลไดนามิค

นักวิทยาศาสตร์ ทราบได้อย่างไรว่า สมดุลเป็นสมดุลไดนามิค

กฎของสมดุลเคมี

ปฏิกิริยาใดๆ ก็ตาม ที่อุณหภูมิใดอุณหภูมิหนึ่งจะมีค่าคงที่อยู่ค่าหนึ่ง ซึ่งบอกให้ทราบถึงความสัมพันธ์ระหว่าง ความเข้มข้นของสารต่างๆ ที่สภาวะสมดุล เรียกค่าคงที่นี้ว่า ค่าคงที่สมดุล (equilibrium constant, K) พิจารณาปฏิกิริยาต่อไปนี้

aA + bB () cC + dD

เมื่อ a, b, c และ d คือ เลขสัมประสิทธิ์จำนวนโมลของสาร A, B, C และ D ตามลำดับ

สามารถเขียนอัตราส่วนแสดงความสัมพันธ์ระหว่างความเข้มข้น (equilibrium expression) ได้ดังนี้

Kc =  ()

เมื่อ Kc คือค่าคงที่สมดุลที่แสดงในเทอมความเข้มข้นของสารในหน่วยโมลาร์ (โมล/ลิตร)

ถ้า K < 1 แสดงว่า ในสภาวะสมดุล [สารตั้งต้น] > [ผลิตผล] หรือปฏิกิริยาย้อนกลับเกิดขึ้นเกือบจะสมบูรณ์ ในขณะที่ปฏิกิริยาไปข้างหน้าจะเกิดน้อยมาก

ในทางกลับกัน ถ้า K > 1 แสดงว่า ในสภาวะสมดุล [สารตั้งต้น] < [ผลิตผล] หรือปฏิกิริยาไปข้างหน้าเกิดขึ้นเกือบจะสมบูรณ์

ในกรณีที่หาค่าอัตราส่วนนี้ก่อนถึงสภาวะสมดุลหรือเมื่อสมดุลถูกรบกวนจะเรียกอัตราส่วนนี้ว่า โควเตียนของปฏิกิริยา (reaction quotient, Q) ณ เวลาใด ๆ และแสดงในเทอมของมวลได้ดังนี้

Qc = () ที่เวลาใดๆ

เมื่อใดที่ระบบอยู่ในภาวะสมดุล Q จะมีค่าเท่ากับ Kc เสมอ

ตัวอย่าง

i. ปฏิกิริยา steam reforming : CH4(g) + H2O(g) CO(g) + 3H2(g)

Kc =  () หน่วย mol2 dm-6

ii. ปฏิกิริยาการสังเคราะห์แอมโมเนีย : N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)

Kc =  () หน่วย mol -2 dm6

iii. ปฏิกิริยาการสังเคราะห์แอมโมเนียลดลงเหลือเท่าตัว : 1/2 N2(g) + 3/2H2(g) NH3(g)

Kc =  () หน่วย mol-1 dm3

ตัวอย่างการคำนวณโดยใช้ K

ตัวอย่าง ก๊าซไฮโดรเจน ไอโอไดด์สลายตัวได้ง่าย ดังสมการ : 2HI(g) () H2(g) + I2(g)

ถ้าบรรจุ HI 4.00 โมล ลงในภาชนะ 5.00 ลิตร ที่อุณหภูมิ 458oC พบว่าที่สมดุลจะมีปริมาณของ I2 0.442 โมล จงหาค่า Kc ของปฏิกิริยานี้

ตอบ 0.0201 

สรุปลักษณะทั่วไปของสมดุลเคมี 3 ประการ คือ
1. สมดุลเคมีเป็นสมดุลไดนามิค
2. สมดุลเคมีเป็นขบวนการที่เกิดขึ้นได้เอง
3. การดำเนินเข้าสู่ภาวะสมดุลเริ่มจากทิศทางใดก็ได้

 สมดุลหลายวัฏภาค (Heterogeneous Equilibrium)

มีมากกว่า 1 วัฏภาค(phase) ของสารในระบบสมดุล เช่น water -gas equilibrium :

C (s) + H2O (g) CO (g) + H2 (g)

K = ()

[C (s)] เป็นความเข้มข้นของคาร์บอนในสถานะของแข็ง การทดลองพบว่า [C (s)] จะไม่เปลี่ยนแปลง นั่นคือจำนวนโมลต่อหน่วยปริมาตรของของแข็ง จะคงเดิมเสมอ

K ใหม่ = K [C (s)] = ()

ดังนั้นจะไม่นำความเข้มข้นของของแข็ง และของเหลวบริสุทธิ์ มาคิดในการหาค่า K

Reference : http://www.neutron.rmutphysics.com/news/index.php?option=com_content&task=view&id=2095