สมดุลเคมี

 สมดุลเคมี

chemical engineering

-  สมดุลเคมี (Chemical equilibrium) คือสภาวะที่ความเข้มข้นของสารตั้งต้นและสารผลิตภัณฑ์ไม่เปลี่ยนแปลงอีกแม้เวลาผ่านไป เราจะเรียกว่าปฏิกิริยาเคมีนั้นอยู่ในสมดุล (equilibrium)    

         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

                        2.1  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 โดยจำนวนโมลของสารตั้งต้น  และผลิตภัณฑ์คงที่แต่อาจเท่ากันหรือไม่เท่ากันก็ได้  และ  อัตราการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าเท่ากับปฏิริยาย้อนกลับ

3.สมบัติของระบบคงที่ (จำนวนโมลคงที่  สีของสารคงที่  ความดันคงที่  และอุณหภูมิคงที่)

                ภาวะสมดุลระหว่างสถานะ  สารต่างๆสามารถเปลี่ยนสถานะได้ โดยมีการเปลี่ยนแปลงพลังงานควบคู่ไปด้วย  ดังแผนภาพนี้

                            

          ที่ภาวะสมดุลของปฏิกิริยาเคมีระบบยังมิได้หยุดนิ่ง  ยังมีทั้งการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้า  และเกิดปฏิกิริยาย้อนกลับตลอดเวลาโดยเกิดในอัตราที่เท่ากัน  เรียกภาวะสมดุลนี้ว่า  ภาวะสมดุลไดนามิก        

          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.) การเปลี่ยนสถานะ

เช่น 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   

ที่มา :  https://www.scimath.org/lesson-chemistry/item/11676-2020-06-30-07-35-26

คุณสมบัติของสมดุลเคมี

1.ต้องเกิดในระบบปิด

2.เกิดการเปลี่ยนแปลงที่ผันกลับได้

3. ที่ภาวะสมดุลอัตราการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าจะเท่ากับอัตราการเกิดปฏิกิริยาผันกลับ

4.มีสารตั้งต้นเหลืออยู่ทุกสารในระบบ

5.สมบัติของระบบคงที่

💥 สมดุลไดนามิก 💥

     ผลการทดลองนี้ยืนยันได้ว่า ณ ภาวะสมดุลยังมีการเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้นตลอดเวลา จึงเรียกสมดุลของสารอิ่มตัวนี้ว่า สมดุลไดนามิก (dynamic Equilibrium) สมดุลไดนามิกแบ่งออกเป็น 2 ประเภท ดังนี้

สมดุลเนื้อเดียวกัน (Homogeneous Chemical Equilibrium) เป็นสมดุลที่มีสาร

ทุกชนิดอยู่ในสถานะเดียวกันหมด

สมดุลเคมีมีเนื้อผสม (Heterogeneous Chemical Equilibrium) เป็นสมดุล

ที่มีสารต่างๆมากกว่า 2 สถานะอยู่ในระบบเดียวกัน

หมด

ความสัมพันธ์ระหว่างความเข้มข้นของสารต่างๆ ณ ภาวะสมดุล 👅💟💣

    ค่าคงที่สมดุล 

    ปฏิกิริยาที่ผันกลับได้ไม่ว่าจะเริ่มต้นจากสารตั้งต้นที่มีความเข้มข้นเท่าใดก็ตาม ถ้าระบบเข้าสู่ภาวะสมดุลความเข้มข้นของสารต่างๆในระบบจะมีค่าคงที่ ซึ่งนำความเข้มข้นของสารต่างๆมาหาความสัมพันธ์กันพบว่าอัตราส่วนระหว่างผลคูณของความเข้มข้นของผลิตภัณฑ์และแต่ละชนิด ยกกำลัง ด้วยตัวเลขบอกจำนวนโมลของผลิตภัณฑ์นั้นๆกับผลคูณของความเข้มข้นของสารตั้งต้นที่เหลือแต่ละชนิดยกกำลัง ด้วยตัวเลขบอกจำนวนโมลของสารตั้งต้นนั้น จะได้ค่าคงที่เสมอ ณ อุณหภูมิคงที่เรียกว่า   ค่าคงที่สมดุล

    กำหนดให้สมดุลปฏิกิริยาเป็น aA + bB cC + dD ณ อุณหภูมิค่าหนึ่งจะได้ค่าคงที่สมดุล ( K )

                                            

                                                    

    สมดุลจะได้

                    k<1                 สมดุลไปทางขวา        Favor products

                    k>1                 สมดุลไปทางซ้าย        Favor reactants

ข้อสังเกตเกี่ยวกับค่าคงที่ของสมดุล (K)

1.ค่า K จะบอกถึงปฏิกิริยาไปข้างหน้ามากเท่าใด

2.ค่า K จะบอกปริมาณของผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นมากน้อยเพียงใด

3.ค่า K ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิเท่านั้นความเข้มข้นและความดันไม่มีผลแต่จะมากขึ้นหรือน้อยลงขึ้นกับชนิดของปฏิกิริยา

4.ค่า K อาจมีหน่วยหรือไม่มีหน่วยก็ได้ขึ้นอยู่กับสมการเคมี

5.ค่า K มิได้เกี่ยวข้องกับอัตราเร็วในการเกิดปฏิกิริยากล่าวคือค่าKมาก Rateของปฏิกิริยาอาจจะเร็วหรือช้าก็ได้

6.ค่า K อาจมีค่ามากกว่าน้อยกว่าหรือเท่ากับหนึ่งก็ได้ขึ้นอยู่กับปฏิกิริยานั้น

    ค่าคงที่สมดุลกับสมการเคมี 

1. เมื่อเขียนสมการของปฏิกิริยาเคมีกลับกันกับสมการเดิม ค่า K ที่จะได้มีค่าเป็นส่วนกลับกับค่า K เดิม คือกลับเศษเป็นส่วนและส่วนเป็นเศษ

2. เมื่อคูณตัวเลขใดเข้าไปในสมการของปฏิกิริยา ค่า K ใหม่ที่ได้จะต้องนำค่า Kเดิมมายกกำลังด้วยตัวเลขที่คูณนั้น

3. ถ้าปฏิกิริยารวม เกิดจากปฏิกิริยาย่อยรวมกัน ค่าคงที่สมดุลจะเท่ากับค่าคงที่สมดุลของปฏิกิริยาย่อยคูณกัน             

                                           

ในปฏิกิริยาที่มีหลายขั้นตอน

    K รวมของปฏิกิริยา = ผลคูณของค่า K ของปฏิกิริยาย่อย

  

รวม

4. เมื่อหารตัวเลขใดๆเข้าไปในสมการของปฏิกิริยา ค่า K ใหม่ที่ได้จะต้องนำค่า K เดิมมาถอดรากลำดับที่เท่ากับตัวเลขที่หารนั้น

ขั้นตอนการหาค่าคงที่สมดุล 👾👻💢

1. เขียนสมการเคมี

2. ดุลสมการเคมี

3. ณ จุดสมดุล หาความเข้มข้นของผลิตภัณฑ์

4. ณ จุดสมดุล หาความเข้มข้นของ สารตั้งต้นที่เหลือ

5. เขียนค่า K และแทนค่าความเข้มข้น ของสารผลิตภัณฑ์ และสารตั้งต้นลงในสมการค่า K

การคำนวณค่าคงที่สมดุล

1. ถ้ากลับสมการ ค่า K จะกลับเศษเป็นส่วน
2. ถ้านาสมการมารวมกัน ค่า K จะนามาคูณกัน
3. ถ้าเอาเลขคูณทั้ง สมการ ค่า K นามายกกาลังเลขนั้น
4. ถ้านาสมการมาลบกัน ค่า K จะนามาหารกัน

ผลของการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นความดันและอุณหภูมิ 👄💃👿

1.ผลของการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นที่มี

ต่อภาวะสมดุล

2.ผลของการเปลี่ยนแปลงความดันที่มีผลต่อ

ภาวะสมดุล

3.ผลของการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่มีต่อ

ภาวะสมดุล

ผลของการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นที่มีต่อภาวะสมดุล 👬😎💫

การเพิ่มหรือลดความเข้มข้นของสารหนึ่งสารใดในปฏิกิริยาเคมีเป็นเหตุให้ภาวะสมดุลเปลี่ยนไปแต่ค่าคงที่สมดุลยังคงเดิม

    เช่น

ถ้าเพิ่มความเข้มข้นของH2 , I2 สมดุลจะเลื่อนไปทางขวา

ผลของการเปลี่ยนแปลงความดันที่มีต่อภาวะสมดุล

ในระบบเคมีที่มีองค์ประกอบเป็นก๊าซ ถ้าความดันของระบบเพิ่มขึ้นสมดุลจะเลื่อนไปทางฝ่ายที่มีจำนวนโมลน้อย

   

-เมื่อจำนวนโมลทั้งสองข้างของปฏิกิริยาเคมีเท่ากัน    

  

"ความดันจะไม่มีผลต่อสมดุล"

-เมื่อจำนวนโมลทั้งสองข้างของปฏิกิริยาเคมีไม่เท่ากัน

"ความดันมีผลต่อสมดุล แต่ K ไม่เปลี่ยน"

เพิ่มความดัน (ลด V)  ทำให้ระบบเกิดปฏิกิริยาไปในทิศทางที่ทำให้ จำนวนโมลของแก๊สรวมลดลง

ลดความดัน (เพิ่ม V)  ทำให้ระบบเกิดปฏิกิริยาไปในทิศทางที่ทำให้ จำนวนโมลของแก๊สรวมเพิ่มขึ้น

ผลของการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่มีต่อภาวะสมดุล 〄➼😻

1. ปฏิกิริยาคายความร้อน

    ถ้าเพิ่มอุณหภูมิสูงขึ้น ผลิตภัณฑ์น้อยลง ค่า K จะลดลง

    ถ้าลดอุณหภูมิลดลง ผลิตภัณฑ์มากขึ้น ค่า K จะเพิ่มขึ้น

2. ปฏิกิริยาดูดความร้อน

    ถ้าเพิ่มอุณหภูมิสูงขึ้น ผลิตภัณฑ์มากขึ้นค่า K จะมากขึ้น

    ถ้าลดอุณหภูมิลดลง ผลิตภัณฑ์น้อยลงค่า K จะลดลง

ลักษณะทั่วไปของภาวะสมดุล  👀💦👰

เมื่อระบบอยู่ในสมดุลแต่มีสิ่งอื่นจากภายนอกมารบกวนระบบ

เช่น การเปลี่ยนอุณหภูมิ ความดัน สมดุลของระบบจะเสียไป

เมื่อหยุดรบกวน ระบบจะเข้าสู่สมดุลใหม่ได้เอง

-----------> เลอชาเตอลิเยร์

การเข้าสู่สมดุลของระบบอาจเริ่มจากทิศใดก็ได้ โดยพยายามลด

สิ่งที่รบกวนให้เหลือน้อยที่สุด

หลักของเลอชาเตอลิเอ  🙉💜💭

“เมื่อระบบที่อยู่ในภาวะสมดุล ถูกรบกวนโดยการเปลี่ยนแปลงปัจจัยที่มีผลต่อสมดุล ระบบจะเปลี่ยนแปลงไปในทิศทางที่ลดผลของการรบกวนนั้น เพื่อให้ระบบกลับคืนสู่ภาวะสมดุลอีกครั้ง”

เช่น

การใช้หลักของเลอชาเตอลิเอ ในอุตสาหกรรม

การผลิตก๊าซแอมโมเนีย (กระบวนการฮาเบอร์)

ความเข้มข้น - เพิ่มความเข้มข้นของก๊าซ N2 และ ก๊าซ H2

อุณหภูมิ - ลดอุณหภูมิ

ความดัน - เพิ่มความดัน

การเตรียมก๊าซซัลเฟอร์ไตรออกไซด์ (SO3) 

เพื่อเป็นสารตั้งต้นในการเตรียมกรดซัลฟิวริก

การสังเคราะห์เพชรจากแกรไฟต์ ดังสมการ