สมดุลเคมี  (Chemical Equilibrium)(ตอนที่ 1)

         ภาวะสมดุลและค่าคงที่สมดุล

                กระบวนการเปลี่ยนแปลงวิทยาศาสตร์มี  3  รูปแบบ  คือ  การเปลี่ยนสถานะ  การละลาย  และการเกิดปฏิกิริยาเคมี  จำแนกเป็น  2  ลักษณะคือ 
                1.  การเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นทางเดียวไม่ย้อนกลับ  (Inreversible reaction) หมายถึงเมื่อสิ่งหนึ่งเปลี่ยนแปลงไปเป็นอีกสิ่งหนึ่งแล้ว  สิ่งที่เกิดขึ้นจากการเปลี่ยนแปลงนี้จะไม่สามารถเปลี่ยนกลับมาสู่ภาวะเดิมได้โดยทันที  เช่น  การเผาไหม้ของสิ่งต่าง ๆ   เราไม่สามารถทำให้สิ่งที่เกิดจากการเผาไหม้  เปลี่ยนกลับไปเป็นสารเดิมเหมื่อนก่อนการเผาไหม้ได้อีก  การเปลี่ยนแปลงลักษณะนี้ไม่มีภาวะสมดุล
                                                                                                                               
                                                                                                                               (คลิ้ก ชมการเปลี่ยนแปลงไม่ผันกลับ)

                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)        ↔      3 H₂(g) +  N₂(g)
                                       
                                                                                       (คลิ้ก  ชมการเปลี่ยนแปลงที่ผันกลับได้)
                                                                              (คลิ้ก ชมการเปลี่ยนแปลงที่ผันกลับได้ พร้อมอธิบาย)

การดำเนินเข้าสู่ภาวะสมดุลของระบบ 

   
             การเปลี่ยนแปลงที่ผันกลับได้เมื่อเกิดขึ้นในระบบปิดและอุณหภูมิคงที่จะเข้าสู่ภาวะสมดุลได้  และมีอยู่  3  ชนิด  คือสมดุลระหว่างสถานะ  สมดุลในสารสารละลายอิ่มตัว  และสมดุลในปฏิกิริยาเคมี

                การเข้าสู่ภาวะสมดุลเกี่ยวข้องกับอัตราเร็วของการเกิดฏิกิริยา  เริ่มต้นที่ปฏิกิริยาไปข้างหน้า  เพราะเป็นปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นก่อน    ขณะเริ่มต้นอัตราเร็วของปฏิกิริยาก็จะมาก  แต่เมื่อเวลาผ่านไปอัตราเร็จจะค่อย ๆ ลดลง  คามความเข้มข้นของสารตั้งต้นที่ลดลงเพราะถูกใช้ไป  จากนั้นพิจารณาที่ปฏิกิริยาย้อนกลับ  ซึ่งจะต้องเข้าใจว่าผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากปฏิกิริยาไปข้างหน้า  จะเป็นสารตั้งต้นของปฏิกิริยาย้อนกลับ  ถ้าปฏิกิริยาไปข้างหน้ายังไม่เกิดขึ้น  ปฏิกิริยาย้อนกลับก็จะยังไม่เกิดขึ้นเช่นกัน 

                ทันทีที่เกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้า  ก็จะเป็นเวลาที่ปฏิกิริยาย้อนกลับเริ่มเกิดขึ้น  แต่อัตราเร็วของปฏิกิริยาย้อนกลับจะตรงข้ามกับปฏิกิริยาไปข้างหน้า  คือขณะเริ่มต้นอัตราเร็วจะต่ำแต่จะเพิ่มขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป  ตามการเพิ่มขึ้นของสารผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากปฏิกิริยาไปข้างหน้า  ในที่สุดเมื่ออัตราเร็วของปฏิกิริยาทั้ง  2  ด้าน  เท่ากัน  ระบบก็จะเข้าสู่ภาวะสมดุล ณ เวลานั้น  เช่น  ปฏิกิริยาดังสมการ  H₂(g)  +  I₂(g)  ↔  2HI(g)   การเข้าสู่ภาวะสมดุลจะเป็นดังกราฟ

สมบัติของระบบในภาวะสมดุล
        เมื่อระบบเข้าสู่ภาวะสมดุลแล้วก็จะมีสมบัติดังนี้ 

1.  ระบบจะนิ่งและคงที่  สังเกตไม่เห็นว่ามีการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพ  เช่น  ถ้าเป็นระบบที่มีสี  ความเข้มของสีก็ 
   จะคงที่  ถ้าวัดอุณหภูมิของระบบก็จะพบว่าอุณหภูมิคงที่  ถ้าวัดความเข้มข้นของสารละลายก็จะพบว่ามีความ
   เข้มข้นคงที่เช่นกัน

                2. ยังคงมีปฏิกิริยาหรือการเปลี่ยนแปลงทั้งไปข้างหน้าและย้อนกลับเกิดขึ้นอยู่ตลอดเวลา ด้วยอัตราเร็วที่เท่ากัน
                  ฉะนั้นภาวะสมดุลที่เห็นว่านิ่งและคงที่นั้น  เป็นความนิ่งทางกายภาพที่เกิดจากภาวะสมดุล  แต่ความจริงยังมีการ
                  เปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา  จึงเรียกว่าสมดุลไดนามิก (dynamic equilibrium  , dynamic  = การเคลื่อนที่ )

                3.  ไม่มีสารใดถูกใช้หมด  ฉะนั้นจึงสามารถตรวจพบสารทุกชนิดที่เกี่ยวข้องกับสมดุลได้พร้อมกันอยู่ตลอดเวลา

                กราฟ a เป็นภาวะสมดุลที่มีผลิตภัณฑ์มากกว่าสารตังต้น  เป็นเพราะปฏิกิริยาไปข้างหน้าเกิดได้ดีกว่าปฏิกิริยาย้อนกลับ  จึงได้ผลิตภัณฑ์มากในขณะที่สารตั้งต้นเหลือน้อย  สมดุลลักษณะนี้จะมีค่าคงที่สมดุล (K) สูง

                กราฟ   b  เป็นภาวะสมดุลที่มีสารตังต้นมากกว่าผลิตภัณฑ์  เป็นเพราะปฏิกิริยาย้อนกลับเกิดได้ดีกว่าปฏิกิริยาไปข้างหน้าจึงได้ผลิตภัณฑ์น้อย  ในขณะที่สารตั้งต้นเหลืออยู่มาก  สมดุลลักษณะนี้จะมีค่าคงที่สมดุล (K) ต่ำ

ค่าคงที่สมดุล (equilibrium  constant , K)

                ดังได้ทราบแล้ว่าเมื่อระบบอยู่ภาวะสมดุล  อัตราเร็วของปฏิกิริยาไปข้างหน้ากับอัตราเร็วของปฏิกิริยาย้อนกลับจะ

เท่ากัน  เช่น  

                R1  คืออัตราเร็วของปฏิกิริยาไปข้างหน้า  ได้แก่  3 H₂(g) + N₂(g)  →  2NH₃(g)  ซึ่งเราสามารถเขียนแสดงกฎอัตราเร็วของปฏิกิริยาได้ดังนี้   R1  =  k₁[H₂]³[N₂]

                R2  คืออัตราเร็วของปฏิกิริยาย้อนกลับ  ได้แก่   2NH₃(g)    →  3 H₂(g)+ N₂(g)  ซึ่งเราสามารถเขียนแสดงกฎอัตราเร็วของปฏิกิริยาได้ดังนี้   R2  =  k₂[NH₃]²

                                เนื่องจากระบบอยู่ในภาวะสมดุล                                R1      =    R2  

                                                                ฉะนั้น                      k₁[H₂]³[N₂]     =    k₂[NH₃]²

                           
                              ให้เรียก    ว่าค่าคงที่สมดุลหรือ K    ;     

                ถ้าปฏิกิริยาทั่วไปเป็นดังนี้

                                                สารตั้งต้น     ผลิตภัณฑ์ 

                                   ถ้าสมดุลทั่วไปคือ    aA  +  bB    cC

                 
                                                ค่าคงที่สมดุล (K) จะเป็นดังนี้

K   =  

Size : 25.16 KBs Upload : 2013-07-20 23:13:15

ติชม กำลังแสดงหน้า 1/0 << 1 >>

ต้องการให้คะแนนบทความนี้่ ? 0 คะแนนโหวด สร้างโดย : K-Me สถานะ : ผู้ใช้ทั่วไป วิทยาศาสตร์