sheet equilirium

โรงเรยนมหดลวทยานสรณ (องคการมหาชน) โรงเรยนวทยาศาสตรของรฐ เอกสารประกอบการเรยน วชาว40123 เคม 3 ภาคเรยนท 1 ปการศกษา 2549

สมดลเคม (Chemical Equilibrium)

Note

1


ทบทวน 1. สมดลไดนามก หมายถงสมดลทมการเคลอนทของอนภาคอยตลอดเวลา ระบบไม

หยดนง (สมดลเคมเปนสมดลไดนามก) 2. ระบบและสงแวดลอม (1) ระบบ คอ สงทเราศกษาหรอทดลอง (2) สงแวดลอม คอ สงทอยนอกระบบ 3. ชนดของระบบ แบงออกเปน 3 ชนด (1) ระบบเปด (Open system) คอระบบทมการถายเทไดทงมวลสารและพลงงาน กบสงแวดลอม (2) ระบบปด (Closed system) คอระบบทมการถายเทเฉพาะพลงงานอยางเดยว แตมวลสารไมถายเท (3) ระบบแยกตว (Isolated system) คอระบบทไมมการถายเททงมวลสารและพลงงานกบสงแวดลอม เชนแคลอรมเตอร 4. การเปลยนแปลงทเกดในระบบ ทพบโดยทวไป ม 3 อยาง (1) การเปลยนสถานะ (solid , liquid , gas) (2) การละลาย (solute + solvent = solution) (3) การเกดปฏกรยาเคม (reactants products) การเปลยนแปลงทง 3 น จะอยในสมดลหรอไมสมดลกได 5. ภาวะ ณ สมดลไดนามก (เกดในระบบปด)

(1) ตองมการเปลยนแปลงไปขางหนาและการเปลยนแปลงยอนกลบ (2) อตราเรวของการเปลยนแปลงไปขางหนาเทากบอตราการเปลยนแปลง

ยอนกลบ (3) สมบตของระบบคงท หมายถงสมบตไมเปลยนแปลงเมอเวลาเปลยนไป แต

ไมใชระบบนนหยดนง (ไดนามก) (4) สมดลของการเปลยนสถานะ

อตราการระเหย = อตราการกลนตว (5) สมดลของการละลาย

อตราการละลาย = อตราการตกผลก (6) สมดลของการเกดปฏกรยาเคม (Chemical equilibrium)

2


ภาพท 1 ปฏกรยาผนกลบไดของสารละลาย [Co (H2O)6]

2+ + 4 Cl- [CoCl4]2- + 6 H2O

(สชมพ) (สนาเงน)

อ หภมห งสองของโคบอลตจะปะปนกน าย และเปนารละลายสมวง ตอเมอเราใหความรอนแกสารละลาย ปฏกรยาไปขางหนาจะเกดไดมากขน

น มา o

ละการเปลยนแปลงยอนกลบหรอการลยนแ

)

ณ ณ องไอออนท อยในสารละลสสารละลายจะเปลยนเปนสนาเงนในรปของ [CoCl4]

2- และเมอนาสารละลายนมาทาใหเย ปฏกรยายอนกลบจะเกดได กขนใหสารละลายสชมพในรปของ [C (H2O)6]

2+ ในบทนเราจะศกษาเรองสมดลเคม รวมถงปจจยตาง ๆ ทมผลตอสมดลเคม ปฏกรยาเคมสวนใหญมกจะเปนปฏกรยาทผนกลบได คอมการเปลยนแปลงในทศทางทเกดสารผลตภณฑหรอการเปลยนแปลงไปขางหนาแเป ปลงในทศทางทเกดสารตงตนเมออตราการเกดปฏกรยาไปขางหนาและอตราการเกดปฏกรยายอนกลบมคาเทากน แสดงวาระบบเขาส สมดลเคม (Chemical Equilibrium

3


ในการศกษาเรองสมดลเคม เราจะศกษาการคานวณคาคงทสมดลโดยการใชขอมทดลอง การหาคาคงทสมดลจากสมการ จะเกดอะไรขนเมอมการเปลยนแปลงอณหภม ป

ลจากการรมาตร

รอควา

. สมดลเคม

วะสมดล ความเขมขนของสารตงตนและผลตภณฑจะคงท ไมวาเวลาจะผานไปนานาใดกตาม (in a state of equilibrium, the concentrations of reactants and products no longer

ห มดนของระบบ การคานวณความเขมขนของสารตาง ๆ ณ ภาวะสมดล 1 ในภาเทchange with time) ตวอยางเชนการทดลองในระบบของสารตอไปนดงสมการ N2O4 (g) 2NO2 (g) ไมมส สนาตาล

และทาใหมอณหภม

00 °c กาซในขวดจะเรมเปลยนเปนสนาตาลและคอย ๆ เขมขนเรอย ๆ จนความเขมสคงท เมอาการศ

2

เมอเรานากาซไดไนโตรเจนเตตระออกไซดใสไวในขวดทมฝาปด

1ท กษาในระดบโมเลกลพบวา ในชวงแรกโมเลกลของ N2O4 จะแพรกระจายไปทวขวด จากนนจงคอย ๆ สลายตวเปน NO2 ซงมสนาตาล และโมเลกลของ NO2 จะคอย ๆ เพมมากขน จงเหนเปนสนาตาลเขมขน เมอจานวนโมเลกลของ N2O4 นอยลง N O4 กจะสลายตวชาลงดวย ในขณะทโมเลกลของ N2O4 สลายตว โมเลกลของ NO2 จะเกดขน และเมออตราการเกดปฏกรยาไปขางหนา (การสลายตวของ N2O4 ) เทากบอตราการเกดปฏกรยายอนกลบ (การเกด N2O4 ) ภาวะนเรยกวา ภาวะสมดล

Note

4


ภาพท 2 Reaching equilibrium on the macroscopic and molecular levels.

At equilibrium : ratefwd = raterev

อยางไรกตาม ในระบบนนมไดมการหยดนง ยงคงมการเปลยนแปลงในระดบโมเลกลเกดขนอยางตอเนองอยตลอดเวลา แตเรามองไมเหนการเปลยนแปลงนน ๆ เพราะอตราการเกดปฏกรยาไปขางหนาเทากบอตราการเกดปฏกรยายอนกลบนนเอง หมายเหต

1. สมดลจะเรมจากการเปลยนแปลงไปขางหนาหรอจะเรมจากการเปลยนแปลงยอนกลบกได

2. ระบบตาง ๆ จะเขาสสมดลไดเรวชาตางกน บางระบบจะใชเวลามาก บางระบบจะใชเวลานอย เพราะระบบมอตราการเกดปฏกรยาเรวชาตางกน ระบบทมอตราการเกดปฏกรยาสง จะทาใหระบบเขาสสมดลเคมเรว

5


2. คาคงทสมดล เมออณหภมคงท ความเขมขนของผลตภณฑและสารตงตนจะคงทและยงคงอยในภาวะสมดลนน ในกรณของการทดลองนสามารถเขยนสมการโดยใชกฎอตราไดวา kfwd [N2O4] = krev [NO2]

2

เมอ kfwd คอ คาคงทอตราของปฏกรยาไปขางหนา และ krev คอ คาคงทอตราของปฏกรยายอนกลบ

][][

42

22

ONNO

kk

rev

fwd =

K = ][

][

42

22

ONNO

kk

rev

fwd =

คา K นเรยกวา คาคงทสมดล (Equilibrium Constant) ซงเปนคาคงตวเฉพาะอณหภม สมการทวไป

a A + b B c C + d D

ba

dc

BADCK

][][][][

=

คาคงทสมดล มคาเทากบผลคณของความเขมขนทภาวะสมดลของผลตภณฑ หารดวยผล

คณของความเขมขนทภาวะสมดลของสารตงตน ความเขมขนแตละคายกกาลงเทากบตวเลขนาหนาสารนน ในสมการทดลแลว สมการนเรยกวากฎของสมดลเคม

K is equal to a particular ratio of equilibrium product and reactant concentration terms at a particular temperature.

6


อยางไรกตาม ความเขมขนทภาวะสมดลมไดหมายความวาความเขมขนของสารตงตนและผลตภณฑมอยอยางละ 50% พจารณาการทดลองและคา k ตอไปน

1. เมอ K มคานอย

N2 (g) + O2 (g) 2 NO (g) K = 1x10-30

ปฏกรยาออกซเดชนของไนโตรเจนทเกดขนทอณหภม 1000 K ปฏกรยานจะมการเกด NO (g) ขนเพยงเลกนอยเทานน ระบบกจะเขาสภาวะสมดล

2. เมอ K มคามาก 2 CO (g) + O2 (g) 2 CO2 (g) K = 2.2 x1022

ปฏกรยาออกซเดชนของคารบอนมอนอกไซดทอณหภม 1000 K ปฏกรยานจะเกดแกสคารบอนไดออกไซดขนจนอาจกลาวไดวาเกดปฏกรยาอยางสมบรณ (goes to completion)

3. เมอคา K ปานกลาง (intermediate) 2 BrCl (g) Br2 (g) + Cl2 (g) K = 5

เมอพจารณาสมการและคา K เราจะสามารถทราบไดวาจานวนสารตงตนและผลตภณฑมอตราสวนความเขมขนมากนอยกนอยางไร

ภาพท 3 คา K กบความเขมขนของสาร

7


3. อตราการเกดปฏกรยาเคมและคาคงทสมดล การเขยนสมการคา K อาจเขยนไดโดยตรงจากสมการทดลแลว ซงไมเหมอนในกรณการเขยนคา r (อตราการเกดปฏกรยา) ในบททแลวเรองอตราการเกดปฏกรยาเคม ซงจะเขยนจากสมการไมไดถาไมใชปฏกรยาขนเดยว สาหรบสมการของปฏกรยาผนกลบได ไมวาปฏกรยาดาเนนไปขนเดยวหรอหลายขน สมการคา K หรอการเขยนกฎของสมดลเคมสามารถเขยนไดโดยไมตองรกลไกของปฏกรยา ถงแมวาปฏกรยามหลายขน แตละขนยอมเปนปฏกรยาผนกลบได อตราการเกดปฏกรยาไปขางหนาและอตราการเกดปฏกรยายอนกลบของแตละขนเทากน คาคงตวสมดลของปฏกรยารวม มาจากคาคงตวสมดลของปฏกรยาทกขน ดงนนคาคงตวสมดลจงไมเกยวกบกลไกปฏกรยา ดงเชน 2 A + B C + D มกลไกขนเดยว

][][]][[

22

1

BADC

kkK ==

ถาปฏกรยานมกลไกสองขนดงน 2 A A2

A2 + B C + D สาหรบขนแรก

22

2

1

][][

AA

kkK ==

ขนทสอง

][][

]][[

24

3

BADC

kk

K ==

]][[]][[

][][

22

221 BA

DCxAAkkK ==

][][]][[

2 BADCK =

8


จะเหนไดวา ไมวาปฏกรยา 2 A + B C + D มกลไกขนเดยวหรอสอง

ขน คาคงตวสมดล ][][]][[

2 BADCK = เหมอนกน ซงจะเขยนสมการคา K ไดจากสมการทดล

แลวโดยตรงได 4. วธแสดงคาคงทสมดล 1. สมดลเอกพนธ (Homogeneous equilibrium) หมายถงสมดลของปฏกรยาทสารทงหมดในปฏกรยาอยในวฏภาคเดยวกน ตวอยางไดแกการทดลองขางตนคอปฏกรยาการสลายตวของ N2O4 ในสถานะกาซ ซงมคาคงทสมดลดงแสดง

][][

42

22

ONNOK c =

สญลกษณ Kcใชเพอแสดงวาเราเขยนคาคงทสมดลในรปความเขมขน ซงมหนวยเปนโมลตอลตร หรอในบางกรณสาหรบปฏกรยาของกาซ เราอาจใชความดนยอยแสดงความเขมขนกได จากความรทนกเรยนไดเรยนผานมาทราบวา ทอณหภมคงท ความดนของกาซจะสมพนธโดยตรงกบความเขมขนของกาซในหนวย mol/dm3 หรอ P = (n/V) RT

42

22

ON

NOP P

PK =

เมอ และ เปนความดนยอยในหนวย atm ของ NO

2NOP42ONP 2 และ N2O4 ตามลาดบ

ทสภาวะสมดลสญลกษณ Kp หมายความวาเราแสดงความเขมขนในรปของความดน 2. สมดลววธพนธ (Heterogeneous equilibrium) หมายถงภาวะสมดลของปฏกรยาผนกลบไดทมสารตงตนและสารผลตภณฑตางวฏภาคกน ตวอยางเชน เมอเผาแคลเซยมคารบอเนตในภาชนะปด จะเกดสมดลดงน CaCO3 (s) CaO (s) + CO2 (g)

9


จะเหนวาของแขงทงสองชนดกบกาซทเกดขนมวฏภาคหรอสถานะตางกน เราอาจเขยนคาคงทสมดลดงน

][

]][[

3

2

CaCOCOCaO

KC =

แตมปญหาวา เราจะแสดงความเขมขนของของแขงไดอยางไร การท CaCO3 และ CaO เปนของแขงบรสทธทงคหมายความวาความเขมขนของสารทงสองน(ในกอนของแขง)ไมเปลยน แปลงในขณะทปฏกรยาดาเนนไปทงนเปนเพราะวาความเขมขนของของแขง (หรอของเหลวบรสทธ) ตองมคาคงททอณหภมคงท และไมขนกบปรมาณของสารทมอย ตวอยางเชน ความ

เขมขนในหนวยโมลตอลตรของทองแดง (ความหนาแนน 8.96 g/cm3) ท 20 °C จะมคาเทาเดมเสมอไมวาจะมทองแดงอย 1 กรมหรอ 1 กโลกรม และความเขมขนจะเทากบ

333

/141/141.055.63

196.8 dmmoldmmolg

molxcm

g==

จากเหตนจะเหนวาเราอาจเขยนสมการแสดงคาคงทสมดลสาหรบการสลายตวของ CaCO3 ไดเปน

][][

][2

3 COKCaO

CaCOC =

เนองจากทง [CaCO3] และ [CaO] มคาคงทและ KC กเปนคาคงทสมดล พจนตาง ๆ ทางซายมอของสมการจงเปนคาคงททงหมด และจะเขยนสมการใหมไดเปน

][ 2COK C =

Note

10


5. ความสมพนธของ KC และ KP

พจารณาสมการ a A (g) b B (g) เมอ a และ b เปนสมประสทธจานวนโมล คาคงทสมดล KC คอ

a

b

C ABK

][][

=

และคาคงทสมดล KP คอ

A

aB

b

P PPK =

เมอ PA และ P B เปนความดนยอยของ A และ B ถาสมมตวากาซทงสองเปนกาซสมบรณแบบ จะได PA V = nA RT

VRTnP A

A =

เมอ V เปนปรมาตรของภาชนะบรรจ ในทานองเดยวกน สาหรบกาซ B PB V = nB RT

VRTnP B

B =

แทนคา PA และ PB นลงในสมการของ KB P จะได

aba

A

bB

aA

bB

P RT

Vn

Vn

VRTn

VRTn

K −

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛

=

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛

= )(

11


เนองจาก nA / V และ nB / V มหนวยเปน mol/dm3 จงแทนไดดวย [A] และ [B] ตามลาดบ จะได

na

b

P RTABK Δ= )(

][][

= K C (RT) Δ n

เมอ Δn = b - a = จานวนโมลของกาซผลตภณฑ - จานวนโมลของกาซตงตน

โดยทวไป KP จะไมเทากบ KC ยกเวนกรณ Δn = 0 ตวอยาง ในปฏกรยา 2 HI (g) H2 (g) + I2 (g) ทภาวะสมดล ม [HI] 1.56 x 10-2 mol/dm3 , [H2] 3.56 x 10-3 mol/dm3 และ [I2] 1.25 x 10-3 mol/dm3 จงหาคา KC และ KP

จากสมการ 222

][]][[

HIIHKC =

22

33

)1056.1()1025.1()1056.3(

−

−−

=x

xxx

21083.1 −= xK C

จาก n

CP RTKK Δ= )(

Δn = 1 + 1 – 2 = 0 ดงนน KP = KC = 1.83 x 10-2

12


6. องคประกอบทมผลตอสมดลเคม สงททาใหสมดลของระบบเปลยนแปลงคอ 1. ความเขมขน 2. อณหภม 3. ความดน 4. การเตมกาซเฉอย 5. การเตมตวเรงปฏกรยา ซงอธบายโดยหลกของเลอชาเตอลเอ สวนคะตะไลตไมมผลตอสมดล แตมผลตอ

อตราเรวของการเกดปฏกรยาคอ ทาใหเกดปฏกรยาเคมเรวขน และทาใหถงสมดลเรวขน แตความเขมขนไมเปลยนแปลง

หลกของเลอชาเตอลเอ (Le Chatelier’s Principle) กลาววา “เมอระบบอยในสมดล ถาสภาวะของระบบเปลยนไป ระบบจะมการกระทาไปในทศทางทจะทาใหภาวะสมดลกลบคน” หรอ “เมอมสงทมผลตอสมดล (ความเขมขน อณหภมหรอความดน) มารบกวนระบบทอย ณ ภาวะสมดล จะทาใหสมดลเปลยนไปในทศทางตรงขามกบสงรบกวนนน เพอทจะเกดสมดลใหมตอไป” ซงหลกนมความสาคญตอสมดลเคมเปนอยางมาก ถกนามาใชเสมอเพออธบายการเปลยนแปลงตาง ๆ ทเกยวกบสมดลเมอไดรบอทธพลบางอยางจากนอกระบบ และชวยในการทานายวาปฏกรยาจะดาเนนไปในทางใด ในกระบวนการอตสาหกรรมหลายชนด ใชหลกนในการเลอกสภาวะทควรปฏบตเพอใหไดผลผลตมากทสด

6.1 การเปลยนแปลงความเขมขน เมอเพมความเขมขนของตวทาปฏกรยาในขณะทระบบอยในสมดล สมดลจะ

เลอนไปทางขวาคอไดผลปฏกรยามากขน การลดความเขมขนของผลผลตกจะใหผลทานองเดยวกน คอสมดลจะเลอนไปทางขวา

ตวอยางเชน จากสมการ A + B C + D ถาเพมความเขมขนของ A ตามหลกของเลอชาเตอลเอ สมดลจะปรบตวโดย

เปลยนไปในทศทางลดความเขมขนของ A คอสมดลจะเลอนไปทางขวาหรอเปลยนจากซายไปขวา (เพราะพยายามจะลด A) จงเกดปฏกรยาไปขางหนามากขน

และ ณ สมดลใหม ความเขมขนของสาร A จะเพมขน ความเขมขนของสาร B จะลดลง ความเขมขนของสาร C และ D จะเพมขน เมอเทยบกบสมดลเดม

13


ถาลดความเขมขนของ C ตามหลกของเลอชาเตอลเอ สมดลจะปรบตวโดยเปลยนไปในทศทางทเพมความเขมขนของ C คอสมดลจะเลอนไปทางขวาหรอเปลยนจากซายไปขวา (เพราะพยายามจะเพม C) จงเกดปฏกรยาไปขางหนาไดมากขน

และ ณ สมดลใหม ความเขมขนของสาร A และ B จะลดลง ความเขมขนของสาร C จะลดลง และความเขมขนของสาร D เพมขน เมอเทยบกบสมดลเดม

หมายเหต 1. ถาเพมความเขมขนของสารใด สารนนจะเพมเสมอ เมอเทยบกบสมดลเดม 2. ถาลดความเขมขนของสารใด สารนนจะลดเสมอ เมอเทยบกบสมดลเดม

พจารณาสมดลในปฏกรยาตอไปน BaSO4 (s) Ba2+(aq) + SO4

2- (aq) ถาเตมสารลาย Na2SO4 ลงไปเลกนอย จะมผลตอสภาวะสมดลของปฏกรยานไดอยางไร ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. พจารณาคาคงทสมดลทสภาวะสมดล K = ………………………….. แตเมอเตม Na2SO4 ลงไป จะทาให K ……………………………………. จะเหนไดอยางชดเจนวา ระบบจะเขาสสภาวะสมดลไดอกกตอเมอความเขมขน Ba2+ หรอ SO4

2- อยางใดอยางหนงตองลดลง ผลกคอเมอ BaSO4 ตกตะกอนมากขนจะทาใหปรมาณของ Ba2+ ในสารละลายลดลง จนเมอผลคณของ [Ba2+] [SO4

2-] มคาเทากบ K ระบบกจะเขาสสภาวะสมดลอกครงหนง

14


6.2 การเปลยนแปลงอณหภม ผลของอณหภมตอภาวะสมดล แยกพจารณาออกเปน 2 กรณ

กรณท 1 : ถาเปนปฏกรยาคายความรอน (หมายถงปฏกรยาไปขางหนาคายความ

รอน ปฏกรยายอนกลบดดความรอน บอกดวยสญลกษณ - ΔH) A + B C + D + energy

ก) เมอเพมอณหภม (หรอใหความรอนแกระบบ) จะทาใหสมดลเปลยนไปในทศทางลดความรอนของระบบ ตามหลกของเลอชาเตอลเอ โดยปฏกรยาจะเปลยนไปในทศทางดดความรอนคอสมดลจากเลอนไปทางซาย หรอเปลยนจากขวาไปซาย และ ณ สมดลใหม ปรมาณของสารตงตนจะเพมขน (A และ B เพม) ปรมาณของสารผลตภณฑลดลง (C และ D ลดลง) อตราเรวของปฏกรยานจะเพมขนเพราะอณหภมเพมสงขน

ข) เมอลดอณหภม (หรอการลดความรอนของระบบ) จะทาใหสมดลเปลยนไปในทศทางตรงกนขามกบการเพมอณหภม คอสมดลเลอนไปทางขวา หรอเปลยนจากซายไปขวา และ ณ สมดลใหม ความเขมขนของ A และ B ลดลง สวนความเขมขนของ C และ D เพมขน อตราการเกดปฏกรยาลดลงเนองจากอณหภมลดลง

กรณท 2 :ถาเปนปฏกรยาดดความรอน (หมายถงปฏกรยาไปขางหนาดดความ

รอน ปฏกรยายอนกลบคายความรอน บอกดวยสญลกษณ ΔH) การเปลยนแปลงอณหภมจะเกดตรงขามกบกรณท 1

A + B + energy C + D ก) เมอเพมอณหภม (หรอใหความรอนแกระบบ) จะทาใหสมดล

เปลยนไปในทศทางลดความรอนของระบบ ตามหลกของเลอชาเตอลเอ โดยปฏกรยาจะเปลยนไปในทศทางคายความรอนคอสมดลจากเลอนไปทางขวา หรอเปลยนจากซายไปขวา และ ณ สมดลใหม ปรมาณของสารผลตภณฑจะเพมขน (C และ D เพม) ปรมาณของสารตงตนลดลง (A และ B ลดลง) อตราเรวของปฏกรยานจะเพมขนเพราะอณหภมเพมสงขน

ข) เมอลดอณหภม (หรอการลดความรอนของระบบ) จะทาใหสมดลเปลยนไปในทศทางตรงกนขามกบการเพมอณหภม คอสมดลเลอนไปทางซาย หรอเปลยนจากขวาไปซาย และ ณ สมดลใหม ความเขมขนของ A และ B เพม สวนความเขมขนของ C และ D ลดลง อตราการเกดปฏกรยาลดลงเนองจากอณหภมลดลง

15


6.3 การเปลยนแปลงความดน ตามปกตการเปลยนแปลงความดนมกไมมผลตอความเขมขนของสารในสถานะควบแนน (เชนในสารละลายทมนาเปนตวทาละลาย) เนองจากของเหลวและของแขง มปรมาตรทคอนขางคงทแตความเขมขนของกาซนนจะมการเปลยนแปลงไปไดมากเมอความดนเปลยนไป

PV = n RT

RTVnP ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

จะเหนวา P และ V มความสมพนธผกผนกน ยงปรมาตรนอยความดนกจะมคา

มาก และถาปรมาตรมากความดนกจะมคานอย นอกจากนจะสงเกตวา n/V คอความเขมขนของกาซในหนวย mol/dm3 และความเขมขนแปรผนโดยตรงกบความดน

การเปลยนแปลงความดนจะมผลตอภาวะสมดลอยางไรนน จะพจารณาเปน 3 กรณไดแก

กรณท 1 : จานวนโมลของกาซสารตงตน เทากบ จานวนโมลของกาซผลตภณฑ กรณท 2 : จานวนโมลของกาซสารตงตน มากกวา จานวนโมลของกาซผลตภณฑ กรณท 3 : จานวนโมลของกาซสารตงตนนอยกวา จานวนโมลของกาซผลตภณฑ พจารณา กรณท 1 เชน N2 (g) + O2 (g) 2 NO (g) กรณนเนองจากจานวนโมลของกาซตงตนเทากบจานวนโมลของกาซผลตภณฑ

การเปลยนแปลงความดน จะไมมผลตออตราการเกดปฏกรยาเคม พจารณา กรณท 2 จานวนโมลของสารตงตนมากกวาสารผลตภณฑ

เชน N2 (g) + 3H2 (g) 2NH3 (g) เมอเพมความดนใหแกระบบ ระบบกจะปรบตวใหเขาสสมดลใหมโดยการลด

ความดน จาก PV = nRT เมอ n มาก P กมาก เมอ n นอย P กนอย ดงนนเมอเพมความดนโดยการลดปรมาตร จะทาใหจานวนโมลของสารตอปรมาตรในระบบเพมมากขน ระบบจงพยายามปรบตวโดยเปลยนไปในทศทางลดความดนหรอลดจานวนโมลของสารในระบบตามหลก

16


ของเลอชาเตอลเอ ดงนนสมดลจะเปลยนจากซายไปขวา และ ณ สมดลใหม ปรมาณสารตงตนจะลดลง และปรมาณของสารผลตภณฑจะเพมขน เมอเทยบกบสมดลเดม แตถาพจารณาถงความเขมขนของสารในระบบ (mol/dm3) เมอเทยบกบสมดลเดม พบวาความเขมขนของสารเพมขนทกตว เพราะการเพมความดนหมายถงการเพมความเขมขนของระบบนนเอง

เมอลดความดนของระบบโดยการเพมปรมาตร จะทาใหสมดลเปลยนไปในทศทางตรงขามกบการเพมความดน คอ จานวนโมลของสารตอปรมาตรในระบบนอยลง ระบบจงพยายามปรบตวโดยเปลยนไปในทศทางเพมความดนหรอเพมจานวนโมลของสารในระบบตามหลกของเลอชาเตอลเอ ดงนน สมดลจะเปลยนจากขวาไปซาย และ ณ สมดลใหม ปรมาณสารตงตนจะเพมขน และปรมาณของสารผลตภณฑจะลดลง แตถาพจารณาถงความเขมขนของสารในระบบเมอเทยบกบสมดลเดม พบวาความเขมขนของสารลดลงทกตว เพราะการลดความดนหมายถงการลดความเขมขนของระบบ

พจารณากรณท 3 จานวนโมลของสารตงตนนอยกวาจานวนโมลของผลตภณฑ

เชน PCl5 (g) PCl3 (g) + Cl2 (g) การเพมและลดความดน ไดผลตรงขามกบกรณท 2 6.4 การเตมกาซเฉอย การเตมกาซเฉอย (กาซทไมทาปฏกรยากบสารอน ๆ ) เขาไปในระบบของกาซใด ๆ ซงทาปฏกรยากนจนเขาสสภาวะสมดลแลว จะมผลทาใหความดนทงหมดภายในระบบเพมขน แตจะไมทาใหความดนยอยหรอความเขมขนของสารใดสารหนงเปลยนแปลง ความดนทเพมขนจงไมมผลตอตาแหนงของสภาวะสมดล

6.5 การเตมตวเรงปฏกรยา เราทราบจากการศกษาเรองอตราการเกดปฏกรยาเคมแลววา ตวเรงปฏกรยาจะทา

ใหพลงงานกระตนของปฏกรยาลดตาลง ปฏกรยาจงเกดไดเรวขน ดงนนตวเรงปฏกรยาจงสงผลตอการเปลยนแปลงอตราการเกดปฏกรยา แตจะไมมผลตอคาคงทของสมดล เพราะการเตมตวเรงปฏกรยาลงไปในปฏกรยา จะชวยใหอตราการเกดปฏกรยาไปขางหนาและอตราการเกดปฏกรยายอนกลบเกดเรวขน ปฏกรยาจงดาเนนเขาสสภาวะสมดลไดเรวขนเทานน แตจะไมมผลตอความเขมขนของสารตาง ๆ ทสภาวะสมดลเลย คาคงทของสมดลจงยงคงเทาเดม ถาอณหภมคงท

17


7. การนาหลกของเลอชาเตอลเอมาใชประโยชนในอตสาหกรรม การประกอบอตสาหกรรม เปนการทาเพอการคา มจดประสงคมงหมายใหไดผลตภณฑมาก ๆ โดยการนาหลกของเลอชาเตอลเอมาใชเพอทาใหสมดลเปลยนจากซายไปขวาเพอใหไดผลตภณฑมาก ๆ นนเอง ตวอยางเชนในอตสาหกรรมการผลตกาซแอมโมเนย (NH3) เพอใชการผลตปย เตรยมไดจากปฏกรยาของ H2 และ N2 ดงสมการ N2 (g) + 3 H2 (g) 2 NH3 (g) ปฏกรยานเปนปฏกรยาประเภทคายความรอน และเปนปฏกรยาทสารตงตนและผลตภณฑเปนกาซ โดยจานวนโมลของสารผลตภณฑนอยกวาจานวนโมลของสารตงตน ในอตสาหกรรมตองการไปสมดลเปลยนจากซายไปขวา ดงนนเราสามารถใชหลกของเลอชาเตอลเอ มาใชในการเลอกสภาวะทจะทาใหได NH3 มาก ๆ ซงจะตอง

1. เพมความดน (สมดลเปลยนจากซายไปขวา) 2. ลดอณหภม (สมดลเปลยนจากซายไปขวา) 3. เพมความเขมขนของสารตงตน หรอลดความเขมขนของสารผลตภณฑ แตในทางปฏบต การผลตแอมโมเนยทตองการความดนสงและอณหภมตาตามหลกของ

เลอชาเตอลเอ ทอณหภมตาถงแมจะใหผลปฏกรยามาก แตปฏกรยาดาเนนไปชาเหลอเกนจนปรมาณของแอมโมเนยทไดไมคมกน ถายอมใชอณหภมสงขน ถงแมผลปฏกรยาลดลงแตปฏกรยาเกดเรวขนไดแอมโมเนยมากกวาทอณหภมตา จงควรยอมใชอณหภมสงพอสมควรดงกรณนใช

500 °C สาหรบความดนตามหลกของเลอชาเตอลเอปฏกรยานควรใชความดนสงเพอใหไดผลตภณฑมาก แตความดนทใชจรงในอตสาหกรรมคอ 350 บรรยากาศ เนองจากความดนสงนนควบคมยาก และตนทนการลงทนสงมาก นอกจากนกรรมวธบางอยางตองใชตวเรงปฏกรยาเขาชวยเพอเรงอตราของปฏกรยา ถาตองการใหปฏกรยาเรวพอควรในอณหภมไมสงเกนไป การผลตแอมโมเนยโดยวธของฮาเบอรกใชตวเรงปฏกรยา ซงตวเรงปฏกรยาไมมผลตอสมดลเคมแตมผลตออตราการเกดปฏกรยา

18


8. การคานวณเกยวกบคาคงทสมดล ตวอยางท 1 ทสภาวะอณหภมสงการเผาไหมของแกสโซลนในกระบอกสบเครองยนต N2 และ O2 จะเกดปฏกรยาดงสมการ (1) N2 (g) + O2 (g) 2 NO (g) K = 4.3 x 10-25

(2) 2NO (g) + O2 (g) 2 NO2 (g) K = 6.4 x 109

จงคานวณหาคา K ของปฏกรยารวม สมการ (1) + (2)

(1) N2 (g) + O2 (g) 2 NO (g) (2) 2NO (g) + O2 (g) 2 NO2 (g)

ปฏกรยารวม : N2 (g) + 2O2 (g) 2 NO2 (g)

222

22

]][[][

ONNOKÃÇÁ =

หรอเขยน K ของแตละสมการได

(1) ]][[

][

22

2

1 ONNOK =

(2) ][][

][

22

22

2 ONONOK =

K รวม = K1 x K2

=ÃÇÁK ][][

][]][[

][

22

22

22

2

ONONOx

ONNO

222

22

]][[][

ONNOKÃÇÁ =

K = (4.3 x 10-25) (6.4 x 109) = 2.8 x 10-15

19


หลกการคานวณหาคา K เพอทราบความเขมขนของสาร 1. เขยนสมการของปฏกรยาพรอมดลสมการนน 2. หาจานวนโมลหรอ โมล / ลตร เมอเรมตนปฏกรยา (Initial) หรอ t = 0 3. หาจานวนโมลหรอ โมล / ลตร ทเปลยนแปลงไป เนองจากเกดปฏกรยาโดย

กาหนดใหจานวนโมลทหายไปเปนลบ (สารตงตน) จานวนโมลทเพมขนเปนบวก (สารผลตภณฑ)

4. หาจานวนโมล หรอ โมล / ลตร ณ จดสมดล (Final) หรอ t = te โดยนา ขอ 2 + ขอ 3 ตามเครองหมายบวกลบนน ๆ แลวเปลยนจานวนโมล ณ จดสมดลใหเปนโมล / ลตร แลวจงแทนคาความเขมขนในสมการคา K

ลกษณะของปญหา

แบบท 1 กาหนดปรมาณหรอความเขมขนของสารให แลวหาคา K ตวอยาง ปฏกรยา 2 NO2 (g) 2 NO (g) + O2 (g) เมอนา NO2 , NO และ O2 อยาง

ละ 1 , 0.8 และ 0.2 โมล ตามลาดบ ใสลงในภาชนะขนาด 1 ลกบาศกเดซเมตร ทภาวะสมดลพบวาม O2 อย 0.3 โมล ถาลดปรมาตรของภาชนะลงครงหนง จงคานวณหาคาคงทสมดล ทภาวะสมดลใหม ขนท 1 เขยนสมการ

2 NO2 (g) 2 NO (g) + O2 (g) ขนท 2 หาโมลเรมตน 1.0 0.8 0.2 mol / dm3

ขนท 3 หาโมลทเปลยนแปลง - 2a + 2a + a mol / dm3

ขนท 4 หาโมลทภาวะสมดล 1 – 2a 0.8 + 2a 0.2 + a mol / dm3

โจทยบอกทสมดลม O2 อย 0.3 โมล ดงนน 0.2 + a = 0.3 a = 0.1

20


22

22

][][][

NOONOK =

แทนคา ( ) ( )( )2

2

8.03.01

=

= 0.47 และเมอลดปรมาตรภาชนะลงครงหนง โดยทอณหภมคงทจะไมมผลตอการเปลยนแปลง

คาคงทสมดล แบบท 2 กาหนดคา K ให เพอคานวณหาความเขมขนของสาร ตวอยาง นา H2 มา 44.8 ลบ.ดม. ท STP ทาปฏกรยากบ I2 44.8 ลบ.ซม. ท STP ทอณหภม

250 ° C ในภาชนะ 2 ลตร ทภาวะสมดลมคา K เทากบ 4 จงหาความเขมขนของ H2 , I2 และ HI ณ ภาวะสมดล ขนท 1 เขยนสมการ H2 (g) + I2 (g) 2 HI (g) ขนท 2 หาโมลเรมตน

24.228.44= 2

4.228.44= 0 mol

ขนท 3 หาโมลทเปลยนแปลง - a - a + 2a mol ขนท 4 หาโมลทภาวะสมดล 2 – a 2 – a 2a mol หรอ (2-a) / 2 (2-a) / 2 a mol/dm3

]][[

][

22

2

IHHIK =

2

2

22

4

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −

=a

a

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −

=

22

2a

a a

a−

=2

2

21


2 ( 2-a) = 2a

∴ a = 1 mol แทนคา [H2] = [I2] = (2-a) / 2 = ½ mol / dm3

[HI] = a = 1 mol / dm3 9. สมดลของการละลายของเกลอทละลายนาไดนอย ความสามารถในการละลาย (Solubility) ของสาร หมายถง ความสามารถของสารทจะละลายในสารอน จนเปนสารละลายอมตว

เมอนาเกลอทละลายนาไดนอย ตวอยางเชนภาวะสารละลายอมตวของเกลอ AgCl เขยนสมการไดเปน AgCl (s) Ag+ (aq) + Cl- (aq) เราทราบมาจากการศกษาเนอหาในบทนแลววา เมอถงภาวะสมดลอตราการเกดปฏกรยาไปขางหนา เทากบอตราการเกดปฏกรยายอนกลบ ในกรณนหมายถงเมอถงภาวะสมดล หรอในภาวะทสารละลายอมตวแลวอตราการละลายจะเทากบอตราการตกผลก ทภาวะนระบบไมไดหยดอยนง ยงคงมการเปลยนแปลงอยทเรยกวาเปนภาวะไดนามกนนเอง สวนทละลายนาไดจะอยในรปของไอออนบวกและไอออนลบในสารละลาย (Ag+ and Cl- ion) และจากการศกษาเรองการแสดงคาคงทสมดลในปฏกรยาววธพนธ จะเขยนคาคงทสมดลของปฏกรยานไดวา

]][[ −+= ClAgK

22


คา K ในกรณนจะเขยนวา Ksp (Solubility product constant) และความสามารถในการละลายจะเขยนในรปของความเขมขนของไอออนในหนวยความเขมขนเปนโมลตอลตร ยกกาลงดวยเลขสมประสทธจานวนโมลของแตละไอออนในสมการแสดงการเกดปฏกรยาทดลแลว ตวอยางเชน MgF2

MgF2 (s) Mg2+ (aq) + 2F-(aq) Ksp = [Mg2+][F-]2

Ag2CO3

Ag2CO3(s) 2Ag+ (aq) + CO32- Ksp = [Ag+]2[CO3

2-] เราจะเขยนคา Ksp ของสมการทวไปไดวา Ax By (s) x Aa+ (aq) + y Bb- (aq) Ksp = [Aa+]x [Bb-]y

คา Ksp จะทาใหเราทราบถง

1. ความสามารถในการละลายของสารประกอบ วาละลายไดเทาใดแคไหนทอณหภม

คงท (25 °c) 2. เปรยบเทยบการละลายนาของสารประกอบตาง ๆ วาสารใดละลายนาไดดมากกวากน

โดยปกตสารทมคา Ksp มากจะละลายนาไดดกวาสารทมคา Ksp นอย 3. นอกจากนยงบงบอกถงสภาวะของสารนน ๆ วาขณะนนเปนสารละลายอมตว หรอยง

สามารถละลายไดอก เชน AgCl มคา Ksp = 1.6 x 10-10 และให Q แทนคาผลคณของการละลายทสภาวะตาง ๆ Q = [Ag+] [ Cl-]

ถา Q < Ksp Unsaturate solution Q = Ksp Saturated solution

Q > Ksp Supersaturated solution ; AgCl will precipitate out until the product of the ionic concentrations is equal to 1.6 x 10-10

ตวอยางการคานวณเกยวกบคา Ksp

23


ตวอยางท 1 การละลายของซลเวอรซลเฟต Ag2SO4 ละลายได 1.5 x 10-2 โมลตอลตร ทอณหภม

25 °C จงคานวณหาคา Ksp ของซลเวอรซลเฟต เขยนสมการการเกดปฏกรยา Ag2SO4 (s) 2 Ag+ (aq) + SO4

2- (aq) จากสมการจะเหนไดวา 1 โมลของ Ag2SO4 จะให Ag+ 2 โมล และ SO4

2- 1 โมล ในสารละลาย ดงนนถา Ag2SO4 1.5x10-2 โมล ละลายเปน 1 ลตร จะมความเขมขนของแตละไอออนเปน

[Ag+] = 2 (1.5 x 10-2 ) = 3.0 x 10-2 โมลตอลตร [SO4

2-] = 1.5 x 10-2 โมลตอลตร ดงนน จงหาคา Ksp ไดวา Ksp = [Ag+]2 [ SO4

2-] = (3.0 x 10-2)2 (1.5 x 10-2) = 1.4 x 10-5

ตวอยางท 2 Cu(OH)2 มคา Ksp เทากบ 2.2 x 10-20 เมอให Cu(OH)2 ละลายในนา จะละลาย

ไดกกรมทอณหภม 25 °C เขยนสมการการเกดปฏกรยา Cu (OH)2 (s) Cu2+ (aq) + 2 OH- (aq) โมลเรมตน 0 0 โมลทเปลยน + a + a โมลทภาวะสมดล a a Ksp = [Cu2+] [ OH-]2

2.20 x 10-20 = ( a ) ( 2a )2

a3 = (2.20 x 10-20) / 4 = 5.50 x 10-21

a3 = 5.50 x 10-21

24


a = 1.8 x 10-7 mol / dm3

เราทราบนาหนกโมเลกลของ Cu (OH)2 เทากบ 97.57 g/mol ดงนน Cu (OH)2 จะละลายได

2

227

)(1)(57.97

1)(108.1

OHCumolOHCugx

solLOHCumolx

n

−

=

= 1.8 x 10-5 g/L

25


แบบฝกหด เรอง สมดลเคม

1. จงหาคา K ของสมการตอไปน ในกรณทเกยวกบกาซ ใหหาทง Kp และ KC และเขยนสมการ

แสดงความสมพนธของ KP กบ KC ดวย ก. 2 NOCl(g) 2 NO (g) + Cl2 (g) ข. COCl2(g) CO (g) + Cl2 (g) ค. NO(g) ½ N2 (g) + ½ O2 (g) ง. Zn (s) + CO2(g) ZnO (s) + CO (g) จ. MgSO4(s) MgO (s) + SO3 (g)

2. สมการของปฏกรยา CaCO3 (s) CaO (s) + CO2 (g) ทอณหภม 800 °C ความดนของ CO2 เทากบ 0.236 atm จงคานวณ (ก) KP (ข) KC ทอณหภมน

26


3. แอมโมเนยมคารบาเมต ( NH4CO2NH2 ) สลายตวดงสมการ NH4CO2NH2 (s) 2NH3 (g) + CO2 (g)

ตอนเรมตนปฏกรยามแอมโมเนยมคารบาเมตทเปนของแขงเพยงอยางเดยว และเมออณหภม

40° C พบวามความดนของกาซ (NH3 และ CO2) เทากบ 0.363 atm จงคานวณหาคาคงทสมดล (KP)

4. ทภาวะสมดล คา KC ของสมการ H2 (g) + CO2 (g) H2O (g) + CO (g) เทากบ

4.2 ทอณหภม 1650 ° C เมอเรมตนปฏกรยานา CO2 0.8 โมล ฉดเขาไปในภาชนะขนาด 5 ลตร ทม H2 อย 0.80 โมล จงคานวณหาความเขมขนของสารตงตนและสารผลตภณฑทภาวะสมดล

27


5. จงเตมคาวา “เพมขน” “ลดลง” หรอ “ไมเปลยนแปลง” ถามการรบกวนสมดลของปฏกรยาตอไปนลงในชองวางใหถกตอง

H2 (g) + Cl2 (g) 2 HCl (g) + 68 kJ

การเปลยนแปลง [Cl2] [HCl] K

เตม H2 ลงไป เพมอณหภมใหกบระบบ เพมปรมาตรใหกบระบบ 6. ปฏกรยาการเตรยมแอมโมเนย N2 (g) + 3H2 (g) 2 NH3 (g) ปฏกรยานเปนปฏกรยาดด

ความรอน ในอตสาหกรรมตองการใหไดผลตภณฑมากทสดคอปฏกรยาเลอนจากซายไปขวา อาศยความรเรองหลกของเลอชาเตอลเอในการทาใหได NH3 มาก ๆ สามารถทาไดโดย

6.1 6.2 6.3 ในทางปฏบตจรงไดมการเปลยนแปลงสภาวะตาง ๆ ใหนกเรยนเตมขอดและขอเสยของการเปลยนแปลงนน ๆ ลงในตาราง

สภาวะ การเปลยนแปลง ขอด ขอเสย

อณหภม

สง ตา

…………………………………………………………

………………………………………………………….

ความดน

สง ตา

…………………………………………………………

…………………………………………………………

ในอตสาหกรรมเลอกใชอณหภมท…………………….. ความดนท……………………… และเมอเตมตวเรงปฏกรยาจะมผลตอสมดลเคมหรอไม…………………………………….

28

sheet equilirium

Documents