1

สมดลเคม

2

สมดลเคม (Chemical Equilibrium)

ปฏกรยาเคมบางปฏกรยาทด าเนนไปทศทางเดยวคอจากสารตงตนเปลยนแปลงไปเปนผลตภณฑและเกดขนอยางสมบรณ

ปฏกรยาทผนกลบไมได (Irreversible reaction)

บางปฏกรยาไมด าเนนไปจนเสรจสมบรณ สารตงตนไมไดเปลยนไปเปนผลตภณฑทงหมด และผลตภณฑสามารถเปลยนมาเปนสารตงตนได ปฏกรยาเชนนเรยกวาปฏกรยาทผนกลบได (Reversible reaction)

3

1. ภาวะสมดล

ทภาวะสมดลจะมทงสารทเขาท าปฏกรยา (reactant) และ ผลผลต (product) ภาวะสมดล (equilibrium state) เกดขนเมออตราการเกดปฏกรยาไปขางหนา (forward reaction ) เทากบอตราการเกดปฏกรยายอนกลบ (reverse reaction )

ถาปฏกรยาเปลยนไปขางหนาและยอนกลบเกดขนตลอดเวลา เรยกวา สมดลพลวตหรอสมดลไดนามก (dynamic equilibrium) เขยนแทนดวยลกศรไป-กลบ

4

1.1 ภาวะสมดลระหวางสถานะ

5

1.2 ภาวะสมดลในสารละลาย

6

1.3 ภาวะสมดลในปฏกรยาเคม

ทภาวะสมดล ความเขมขนของสารตางๆ มคาคงท ถงแมวาปฏกรยายงคงด าเนนไป

ในปฏกรยาใดจะเกดสมดลไดจะตอง 1. เกดในระบบปด 2. มสมดลไดนามก3. ยงมสารตงตนเหลออย 4. ระบบสามารถเขาสสมดลไดไมวาจะเรมตนจากไปขางหนาหรอยอนกลบ 5. เกดการเปลยนแปลงทผนกลบได 6. ความเขมขน, ความดน และ อณหภมมผลตอภาวะสมดล

7

2. การด าเนนเขาสภาวะสมดลของระบบ

การด าเนนเขาสสภาวะสมดลของระบบไมขนอยกบทศทาง ไมวาจะเรมจากการเปลยน แปลงไปขางหนาหรอเรมจากการเปลยนแปลงยอนกลบ เมอระบบเขาสสมดลภาวะสมดลทเกดขนจะมลกษณะเหมอนกนทกประการ

การเขยนกราฟแสดงการเกดภาวะสมดล

1. กราฟแสดงความสมพนธระหวางอตราการเกดปฏกรยากบเวลา

8

2. เขยนกราฟแสดงความสมพนธระหวางความเขมขนของสารกบเวลา

9

3. คาคงทสมดล

“ ส าหรบ ปฏกรยาทผนกลบไดทภาวะสมดลผลคณของความเขมขนของสารผลตภณฑ เมอหารดวยผลคณของความเขมขนของสารตงตนทเหลอ โดยทความเขมขนของสารแตละชนด ยกก าลงดวยเลขสมประสทธบอกจ านวนโมลของสารในสมการทดลแลวจะมคาคงทเสมอเมออณหภมคงท”

ทภาวะสมดล equilibrium constant Kc

10

หากภาวะสมดลทเกดขนในปฏกรยาทมสารอยในวฏภาคเดยวกนทงหมดจะเรยกวา สมดลเอกพนธ (Homogeneous reaction) สาหรบปฏกรยาทเกดขนทสารตงตนและสารผลตภณฑมวฏภาคแตกตางกนเรยกวา สมดลววธภณฑ (Heterogeneous reaction)

4

ไมตองน าความเขมขนของสารท เปนของแขงหรอของเหลวบรสทธ มาเขยนไวในอตราสวนทแสดงคาคงทเพราะวา................................

11

ขอสงเกตเกยวกบคาคงทของสมดล (K)

คา K ขนอยกบอณหภม คอ เมออณหภมคงทคา K กจะคงทแตถาอณหภมเปลยนคา K กจะเปลยนดวย ดงนนเมอกลาวถงคา K ตองอางอณหภมเสมอ

12

แสดงความสมพนธระหวางคา K1 และ K2 คอ

13

กรณท 2 เกดขนหลายขนตอน ถาปฏกรยายอยๆบวกกนแลวเปนปฏกรยารวม

14

ตวอยาง 1 ทอณหภม 700 องศาเซลเซยส จากปฏกรยายอยตอไปนจงหาปฏกรยารวม และเขยนสมการแสดงคา Kc

15

กรณท 3 ถาน าคาคงทมาคณทงสมการ คา K ใหมทไดจะน ามายกก าลง K เดม

ตวอยาง 2 จงเขยนสมการแสดงคา Kc เมอเพมความเขมขนของสารตงตนในปฏกรยาตอไปนเปนสองเทา

16

ความสมพนธในรปแบบตาง ๆ ของสมการเคม ทมตอคาคงทสมดล K

17

ตวอยาง 3 ปฏกรยา H2 (g) + Br2 (g) 2HBr (g), K=8.1x1011

18

ตวอยาง 4 จงหาคาคงทสมดลของปฏกรยา

จากขอมลของปฏกรยาของสมดลท 298 K

19

ตวอยางเพม

20

ตวอยางเพม

21

ลกษณะโจทยในการค านวณคาคงทสมดล

มทงหมด 4 แนวทาง 1. ใหหาคาคงทสมดลโดยก าหนดความเขมขนใหทกคา 2. ใหหาคาคงทสมดลโดยก าหนดความเขมขนใหบางคา สวนคาทเหลอหาจากสมการเคม 3. ก าหนดคาคงทสมดลให และหาความเขมขนของสารแตละตว 4. การหาคาK เมอมการรบกวนสมดล

ตวอยาง 5 ปฏกรยา 2A (aq) + B (s) + C (g) 2D (g) ทภาวะสมดลในภาชนะขนาด 2.0 dm3 ม A

4.0 mol, B 4.0 mol, C 2.0 mol, and D 6.0 mol จงค านวณหาคาคงทสมดลของปฏกรยาน

22

ตวอยาง 6 ทอณหภม 700 องศาเซลเซยส เมอนา N2 จานวน 2.00 mol มาทาปฏกรยากบ H2 จานวน 2.00 mol ในภาชนะปด 2.00 ลตร ภาวะสมดลมกาซแอมโมเนย เกดขนจานวน 1.00 mol จงหาคา Kc

23

ตวอยาง 7 ทอณหภม 200 องศาเซลเซยส

จงหาความเขมขนของ NO โดยทสมดลม [N2]=0.036 M และ [O2]=0.0089 M

24

ความเขมขน

ความเขมขน

อธบายกราฟ

อธบายกราฟ

25

ประโยชนของคาคงทของสมดล (K)

26

ตวอยางเพม แกสไฮโดรเจน 2 mol ท าปฏกรยากบแกสไอโอดน 2 mol ใหแกสไฮโดรเจนไอโอไดดโดยทดลองในภาชนะ 1 L ทอณหภม 450 °C เมอ ถงสมดลจะมแกสแตละชนดเทาใด เมอคา K = 50

27

ตวอยาง 8 ท 500 องศาเซลเซยส ณ ภาวะสมดลของปฏกรยาในภาชนะขนาด 1.0 ลตร ม กาซ A, B, C และ D เทากบ 4.0, 3.0, 2.0 และ 1.0 mol ตามลาดบ ถาเตม A 1.0 mol จงหาความ เขมขนของสารตาง ๆ ทภาวะสมดลใหม

28

สรปตามหลกของเลอชาเตอลเอ

จงเขยนกราฟระหวางความเขมขนกบเวลาเมอระบบปรบเขาสสมดลใหม

29

จงเขยนกราฟระหวางความเขมขนกบเวลาเมอระบบปรบเขาสสมดลใหม

30

ผลของอณหภมตอสมดลเคม

ถาปฏกรยาใด ΔH = 0 อณหภมไมมผลตอภาวะสมดลของระบบ

31

ผลของความดนตอสมดลเคม

ถาจ านวนโมลของกาซทงหมดทางซายของสมการเทากบจ านวนโมลของกาซทงหมดทางขวาของสมการความดน (P)

ไมมผลตอภาวะสมดลของระบบ แตมผลตออตราการเกดปฏกรยา

ถาจ านวนโมลของกาซทงหมดทางซายของสมการไมเทากบจ านวนโมลของกาซทงหมดทางขวาของสมการความดนจะมผลตอภาวะสมดลของระบบ

32

ผลของความดนตอสมดลเคม

ตวอยาง

33

34

ประโยชนของหลกเลอชาเตอลเอ

Haber's process การผลตกาซแอมโมเนยในอตสาหกรรม ใชอณหภม 500 °Cความดน 350 บรรยากาศ โดยม Fe เปนตวเรงปฏกรยา

35

สมดลของปฏกรยาเกยวของกบแกส

ถาสารอยในสถานะกาซการหาความเขมขนจะยงยากกวา ดงนนเพอความสะดวกจะท า การวดความดนมากกวาความเขมขน ดงนนคาคงทสมดลทวดจากความดน คอ Kp

จงเขยนสมการความสมพนธระหวางคา Kc และ Kp

จาก PV = nRT

36

37

ถา KP = 1.05 ท 250 0C ความดนยอย PCl5 = 0.8 atm , PCl3 = 0.4 atm จงหาความดนยอย Cl2

ทสมดล (2500C)

ตวอยาง 9 จากสมดลของ

38

ตวอยาง 10 จากสมดลของ

ถา KP = 4.3 x 10 –4 ท 200 0C จงหาคา KC

39

ตวอยาง 11

40

ตวอยาง 12

41

การท านายทศทางของปฏกรยา

ถาในปฏกรยาทเราพจารณาไมไดอยในภาวะสมดลแตตองการท านายวาปฏกรยา เกดขนในทศทางใด มแนวโนมเปนเชนไร จะพจารณาจากคา Reaction quotient (Qc)

“Qc คอคาทไดจากผลคณความเขมขนของผลตภณฑยกก าลงดวย สมประสทธ แสดงจ านวนโมลของสารในสมการทดลแลวหารดวยผลคณความเขมขนของตวท าปฏกรยายกก าลงดวยสมประสทธ แสดงจ านวนโมลของสารในสมการทดลแลว”

42

ความเหมอน และความแตกตางระหวางผลหารปฏกรยา (Q) และคาคงทสมดล (K)

43

ตวอยาง 13

44

ตวอยาง 14

45

ตวอยาง 15

46

ตวอยาง 16

47

สมดลของการละลาย (Solubility equilibrium)

สภาพการละลาย (Solubility) ของสาร หมายถงความสามารถของสารทจะละลายในสารอน จนเปนสารละลายอมตว

รป แสดงการละลายน าของซลเวอรคลอไรด

รป แสดงนวในไต

รป แสดงสารละลายอมตวของ CaF2 (McMURRY, Chemistry 4th edition)

48

เมอถงภาวะสมดลหรอในภาวะทสารละลายอมตวแลวอตราการละลายจะเทากบอตราการตกผลกทภาวะนระบบไมไดหยดอยนง ยงคงมการเปลยนแปลงอยทเรยกวาเปนภาวะไดนามก

Ksp (Solubility product constant)

49

เกลอออกเปน 3 ประเภท1) เกลอทละลายน าได (soluble salt) เปนเกลอทละลายในน า แลวความเขมขนมากกวา 0.1 M

2) เกลอทละลายไมละลายน า (insoluble salt) เปนเกลอทละลายในน า แลวความเขมขน นอยกวา 0.001 M

3) เกลอทละลายนาไดนอย (slightly soluble salt) เปนเกลอทละลายในนา แลวความ เขมขน 0.001-0.1 M

ตาราง แสดงคา Ksp ของสารประกอบตางๆ ทอณหภม 25oC

50

ตวอยาง 17

51

ตวอยาง 18