การทดลองที่ 1

การทดลองท่ี 1 สมดุลเคมี วตั ถปุ ระสงค์ 1. เพอื่ ศึกษาผลของความเขม้ ขน้ และอุณหภูมทิ ี่มตี ่อปฏิกริ ิยาในภาวะสมดุล 2. เพ่อื ศกึ ษาสมดลุ ของเกลือท่ลี ะลายน้าไดน้ อ้ ย และสมดลุ ของไอออนเชิงซ้อน 3. เพอ่ื ศกึ ษาความสมั พนั ธร์ ะหวา่ งอุณหภมู ิกบั คา่ คงตวั สมดลุ และเอน็ ทลั ปี (enthalpy) ของปฏิกิริยา ความรู้พืน้ ฐาน สมดุลเคมีเกิดข้ึนในปฏกิ ริ ิยาทผ่ี นั กลบั ได้ และอยใู่ นระบบปิ ด พจิ ารณาสมการ aA (aq) + bB (aq) cC (aq) + dD (aq) ………. (1) เม่ือ A, B, C และ D เป็ นโมเลกุล หรือไอออนในสารละลาย a, b, c และ d เป็ นเลขสัมประสิทธ์ิ แสดงปริมาณสมั พนั ธ์ของสาร A, B, C และ D ตามลาดบั ที่ภาวะสมดุล ผลคูณของความเขม้ ขน้ ของผลิตภัณฑ์ หารดว้ ยผลคูณของความเขม้ ขน้ ของตวั ทา ปฏิกิริยาทเี่ หลือ ความเขม้ ขน้ แต่ละคา่ ยกกาลงั ดว้ ยเลขสมั ประสิทธ์ิหนา้ สารน้นั ๆ ในสมการท่ีดลุ แลว้ จะมีค่า คงตวั เสมอ เมือ่ อณุ หภูมคิ งที่ ค่าคงตวั น้ีคอื ค่าคงตวั สมดุล (equilibrium constant) หรือ K K = [C]c [D]d [A]a [B]b [ ] คือ ความเขม้ ขน้ ของสารที่ภาวะสมดลุ หน่วยเป็น mol/dm3 ถา้ มีการกระทาบางอย่างท่ีเป็ นการรบกวนภาวะสมดุลของปฏิกิริยา เช่น การเพ่ิมหรือลดความ เขม้ ขน้ ของสารในสารหน่ึงในระบบ การเปลีย่ นอณุ หภมู หิ รือความดนั ระบบจะปรับตวั ไปในทศิ ทางทีท่ าให้ ปัจจยั ท่ีรบกวนน้นั ลดลง โดยเกิดปฏิกิริยาไปขา้ งหน้ามากข้ึน หรือเกิดปฏกิ ิริยาผนั กลบั มากข้ึน จนกระทงั่ อตั ราการเกดิ ปฏิกิริยาท้งั สองทิศทางเทา่ กนั ระบบจะกลบั เขา้ สู่ภาวะสมดุลอีกคร้งั หน่ึง คา่ คงตวั สมดุลใหม่น้ี จะเทา่ กบั คา่ คงตวั สมดลุ ของระบบก่อนทีร่ ะบบจะถูกรบกวน ปฏิกิริยาเคมีส่วนใหญ่เป็ นปฏิกิริยาดูดความร้อน หรือปฏิกิริยาคายความร้อน ในการเปล่ียนแปลง อณุ หภมู ใิ หแ้ ก่ระบบ อาจพจิ ารณาได้ 2 ลกั ษณะ 1. การเปล่ียนแปลงความร้อนให้แก่ระบบแบบชัว่ คราว เม่ือเริ่มเพิ่มหรือลดอุณหภูมิให้แก่ระบบ ระบบจะพยายามปรับตวั เขา้ สู่สมดุลใหม่โดยเกิดปฏิกิริยาไปขา้ งใดขา้ งหน่ึงมากข้ึน จนกระทง่ั อุณหภูมิของ ระบบมีคา่ เท่าเดิม กรณีน้ีค่าคงตวั สมดุลของระบบมคี ่าเทา่ เดิม 2. การเปลี่ยนแปลงความร้อนให้แก่ระบบแบบถาวร ในการเปล่ียนแปลงความร้อนแบบถาวรน้ี นอกจากระบบจะตอ้ งปรับตวั เพื่อเขา้ สู่ภาวะสมดุลใหม่แลว้ คา่ คงตวั สมดุลของระบบยงั จะเปลย่ี นแปลงไป ดว้ ย ค่าคงตวั สมดลุ ของระบบท่ีเปลี่ยนแปลงไปจะมคี ่ามาก หรือนอ้ ยข้ึนอยู่กบั เอนทลั ปี (H) ของปฏิกิริยา

-2- สาหรับปฏิกิริยาดูดความร้อน (H เป็ นบวก) การเพ่ิมอุณหภูมิจะทาให้ค่าคงตัวสมดุลของระบบเพิ่มข้ึน สาหรับปฏกิ ิริยาคายความรอ้ น (H เป็นลบ) การเพม่ิ อณุ หภมู ิจะทาให้คา่ คงตวั ของระบบลดลง มเี กลือบางชนิดละลายน้าไดน้ อ้ ย ทีภ่ าวะสมดุลจะมสี มดุลระหวา่ งไอออนท่เี กดิ จากการแตกตวั ของ เกลือส่วนท่ลี ะลายไปกบั เกลอื ส่วนท่ีไมล่ ะลาย พจิ ารณาสมดุลในสารละลายอิม่ ตวั ของเกลอื ท่ลี ะลายน้าไดน้ อ้ ย B3A2 ………. (2) B3A2 3B2+ (aq) + 2A– (aq) K = [C]c [D]d [A]a [B]b แต่ความความเขม้ ขน้ ของของแขง็ เป็นค่าคงตวั เมอื่ คณู กบั ค่า K จึงไดค้ า่ คงที่อกี ค่าหน่ึงเรียกว่า คา่ คง ตวั ผลคณู สภาพการละลายได้ (solubility product constant) หรือ Ksp K [B3A2 (s)] = [B2+]3 [A3–]2 Ksp = [B2+]3 [A3–]2 ………. (3) ค่า Ksp ก็เช่นเดียวกบั ค่า K คือ มีคา่ คงตวั ท่อี ุณหภูมิคงท่ี คา่ ทางขวามอื ของสมการที่ (3) เป็ นผลคูณ ของความเขม้ ขน้ ของไอออนแต่ละชนิดในสารละลาย ยกกาลงั ด้วยสัมประสิทธ์ิบอกจานวนโมลของไอออน น้นั ผลคณู น้ีเรียกว่า ผลคูณไอออน (ion product) ในสารละลายอิม่ ตวั ทีม่ ีของแข็งที่มีตวั ถกู ละลายอยู่มากเกินพอ ผลคณู ไอออนในสารละลายจะมีค่า เท่ากบั Ksp เกิดภาวะสมดุลแบบสมการท่ี (2) แตถ่ า้ ลดผลคณู ไอออนลงใหน้ ้อยกว่าค่า Ksp ของแข็งจะละลาย ได้อีก จนผลคูณไอออนเท่ากับค่า Ksp จึงจะหยุดละลาย การลดความเขม้ ข้นของไอออนลง จดั ว่าเป็ นการ รบกวนภาวะสมดุลของระบบ ระบบจงึ ตอ้ งปรบั ตวั ใหม่เพ่ือให้ภาวะสมดลุ กลบั คนื มา โดยของแขง็ จะละลาย มากข้ึน จนกระทงั่ ระบบกลบั เขา้ สู่ภาวะสมดุลอีกคร้ังหน่ึง ในสารละลายท่คี ่าผลคณู ไอออนนอ้ ยกว่าค่า Ksp จะไม่มีของแข็ง หรือตะกอนในสารละลายน้นั และ จะไม่มีสมดุลแบบสมการที่ (2) ถา้ ตอ้ งการให้เกดิ ของแข็ง ตอ้ งเพมิ่ ความเขม้ ขน้ ไอออนให้มากข้นึ จนกระทง่ั ผลคูณไอออนในสารละลายมีคา่ มากกวา่ Ksp อปุ กรณ์การทดลอง 5. กระบอกตวง 10 cm3 6. ตะเกียง 1. หลอดทดลองขนาด 16150 mm 7. ตะแกรงลวด 2. บีกเกอร์ขนาด 400 cm3 8. หลอดหยด 3. สามขา 4. แท่งแกว้ คน

-3- สารเคมี cobalt (II) chloride hexahydrate lead nitrate 1. CoCl2.6H2O hydrochloric acid 2. 0.3 M Pb(NO3)2 magnesium nitrate 3. 0.3 M HCl sodium hydroxide hydrochloric acid 4. 0.3 M Mg(NO3)2 magnesium nitrate 5. 6 M NaOH zinc nitrate 6. 12 M HCl (conc. HCl) 7. 0.1 M Mg(NO3)2 8. 0.1 M Zn(NO3)2 วิธีทดลอง 1. สมดลุ ของไอออนเชิงซ้อน ไอออนของโลหะบางชนิดจะเสถียรอยู่ในรูปของไอออนเชิงซ้อน เช่น Co2+ จะเสถียรอยู่ในรูป ไอออนเชิงซ้อน [CoCl4]2– สีฟ้า หรืออยู่ในรูป [Co(H2O)6]2+ สีชมพู สมดุลระหว่างไอออนเชิงซ้อน ท้งั สองชนิด เป็นไปตามสมการ [Co(H2O)6]2+ (aq) + 4Cl– (aq) [CoCl4]2– (aq) + 6H2O (l) ………. (4) ชมพู ฟ้า 1) ตัก CoCl2.6H2O ปริมาณเท่าหัวไม้ขีดไฟลงในหลอดทดลอง เติม 12 M HCl ปริมาตร 1 cm3 (ระวงั ) เพื่อที่จะละลาย CoCl2.6H2O บนั ทึกสีสารละลาย 2) หยดน้ากลนั่ ปริมาตร 1 cm3 ลงในหลอดทดลองจากขอ้ 1) โดยหยดทีละหยดพร้อมท้งั คน สงั เกต การเปล่ยี นสีของสารละลาย 3) จมุ่ หลอดทดลองลงในบีกเกอร์น้าเดือด สังเกตการเปลี่ยนแปลง ทาหลอดทดลองให้เยน็ โดยแช่ ในน้าประปา หรือน้าแขง็ สังเกตการเปล่ยี นแปลง 2. สมดลุ ของเกลือท่ีละลายนา้ ได้น้อย 1) สมดลุ การละลายของ PbCl2 PbCl2 เป็นเกลือที่ละลายน้าไดน้ อ้ ย สมดลุ การละลายเป็นดงั น้ี PbCl2 (s) Pb2+ (aq) + 2Cl– (aq) ………. (5) Ksp = [Pb2+][Cl–] = 1.610–5 ท่ี 25 C (1) เทสารละลาย 0.3 M Pb(NO3)2 ปริมาตร 2.2 cm3 และ 0.3 M HCl ปริมาตร 1.0 cm3 ลงในหลอด ทดลอง คนสารละลายใหท้ ว่ั ทิง้ ไวป้ ระมาณ 15 นาที สังเกตการเปลย่ี นแปลงท่เี กิดข้นึ

-4- (2) เติมสารละลาย 0.3 M HCl ลงไปในหลอดทดลองจากขอ้ (1) ทีละหยดจนมองเห็นตะกอนขาว ของ PbCl2 บนั ทกึ ปริมาตรท้งั หมดของ 0.3 M HCl ที่เตมิ ลงไป (3) ตม้ หลอดทดลองท่ีมีตะกอน PbCl2 ในอ่างน้าเดือด คนชวั่ ขณะหน่ึง สังเกตการเปล่ียนแปลงที่ เกิดข้นึ ทาหลอดทดลองใหเ้ ยน็ โดยการจุม่ ในบีกเกอร์น้าประปา สงั เกตการเปลีย่ นแปลง (4) เติมน้ากลัน่ คร้ังละ 1 cm3 ลงในหลอดทดลองจากขอ้ (3) คนสารละลายให้ท่วั หลงั จากเติมน้า แต่ละคร้งั เติมน้าจนกระทง่ั ตะกอนละลาย บนั ทกึ ปริมาตรน้าท้งั หมดทเี่ ตมิ ลงไป 2) สมดุลการละลายของ Zn(OH)2 และ Mg(OH)2 Zn(OH)2 และ Mg(OH)2 เป็ นเกลือท่ีละลายได้น้อยมาก สมดุลการละลายของ Zn(OH)2 และ Mg(OH)2 เป็นดงั น้ี Zn(OH)2 (s) Zn2+ (aq) + 2OH– (aq) Ksp = [Zn2+] [OH–]2 = 510–17 ที่ 25 C Mg(OH)2 (s) Mg2+ (aq) + 2OH– (aq) Ksp = [Mg2+] [OH–]2 = 1.110–11 ที่ 25 C Zn2+ เกดิ ไอออนเชิงซ้อนในสารละลายท่ีมี OH– มากเกินพอ ส่วน Mg2+ จะไมเ่ กดิ ไอออนเชิงซอ้ นกบั OH– Zn2+ (aq) + 4OH– (aq) [Zn(OH)4]2– (aq) K = 310–15 ที่ 25 C (1) นาหลอดทดลองมา 2 หลอด หลอดที่ 1 ใส่ สารละลาย 0.1 M Zn(NO3)2 ปริมาตร 2 cm3 หลอดที่ 2 ใส่สารละลาย 0.1 M Mg(NO3)2 ปริมาตร 2 cm3 (2) หยดสารละลาย 6 M NaOH ในหลอดทดลองท้ังสองหลอดจากข้อ (1) หลอดละ 1 หยด สังเกตการเปล่ยี นแปลง (3) หยดสารละลาย 6 M NaOH ในหลอดทดลองท้งั สองตอ่ ไปเร่ือยๆ ทีละ 1 หยด จนครบหลอดละ 20 หยด สงั เกตการเปลีย่ นแปลง (4) นาหลอดทดลองท่ีมีตะกอนในขอ้ (3) มาเติมสารละลาย 0.3 M HCl ทีละหยดจนครบ 30 หยด สังเกตการเปล่ยี นแปลง

-5- รายงานผลการทดลองเรื่อง สมดลุ เคมี นกั ศึกษาทท่ี าการทดลอง ........................................................... รหสั ............................ หมเู่ รียน .................. ผ้รู ่วมงาน 1....................................................................... รหสั ............................ 2....................................................................... รหัส ............................ 3....................................................................... รหสั ............................ 4....................................................................... รหัส ............................ วนั เดือน ปี ทท่ี ดลอง ........................................................ กลมุ่ ท่ี ................... 1. สมดลุ ไอออนเชิงซ้อน จงเขียนสูตรและบอกสีของไอออนเชิงซ้อนของ Co2+ ท่เี หน็ ในสารละลายต่อไปน้ี 1) 12 M HCl สูตร .............................. สี .............................. 2) สารละลายเจือจาง สูตร .............................. สี .............................. 3) สารละลายร้อน สูตร .............................. สี .............................. สารละลายเยน็ สูตร .............................. สี .............................. จากการทดลองขอ้ 2) เมอ่ื เตมิ น้าลงไปในสารละลาย สารละลายจะมกี ารเปล่ียนแปลงสีอยา่ งไร เพราะ เหตุใด .......................................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................................... จากการทดลองขอ้ 3) เม่ือให้ความรอ้ นแกส่ ารละลายสารละลายจะมีการเปลีย่ นสีหรือไม่ เพราะเหตุใด .......................................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................................... ถา้ เพิ่มความร้อนให้แกส่ ารละลายในขอ้ 3) แลว้ สมดลุ เลอ่ื นไปทางดา้ นใด ค่า K ของระบบสูงข้ึน หรือตา่ ลง และค่า H ของปฏกิ ริ ิยาจะมเี ครื่องหมายอยา่ งไร อธิบาย .......................................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................................... ..........................................................................................................................................................................

-6- 2. สมดลุ ของเกลือทล่ี ะลายนา้ ได้น้อย 1) สมดลุ การละลายของ PbCl2 การทดลองขอ้ (1) เม่อื ผสม 0.3 M Pb(NO3)2 2.2 cm3 กบั 0.3 M HCl 1.0 cm3 จงคานวณหาความ เขม้ ขน้ ของ Pb2+ และ Cl– (mol/dm3) ในสารละลาย [Pb2+] = ………………………………………….. [Cl–] = ………………………………………….. ผลคูณไอออน [Pb2+] [Cl–]2 = ………………………………………….. จงให้เหตุผลวา่ เพราะเหตใุ ด PbCl2 จึงไมต่ กตะกอน เมอื่ เติมสารละลาย 0.3 M HCl .......................................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................................... การทดลองขอ้ (2) ปริมาตร 0.3 M HCl ทเ่ี ตมิ ลงไปท้งั หมด (ขอ้ (1) และ (2)) เพ่อื ให้เกดิ ตะกอน PbCl2 = …………………………………. cm3 ผลคณู ไอออน [Pb2+] [Cl–]2 = …………………………………. ดงั น้นั Ksp ของ PbCl2 จากการทดลองท่อี ณุ หภูมิหอ้ งจะเท่ากบั …………………………………. การทดลองขอ้ (3) ผลท่ีเกดิ ข้นึ เม่ือตม้ หลอดทดลองทีม่ ีตะกอน PbCl2 คอื …………………….……… และหลงั จากทาหลอดทดลองใหเ้ ยน็ ………………………………….…………………………………....... - จงใหเ้ หตผุ ลอธิบายผลท่เี กิดข้ึน เม่อื ตม้ หลอดทดลองท่มี ตี ะกอน PbCl2 มีการเปล่ยี นแปลงอะไร เกิดข้นึ กบั ปฏกิ ริ ิยา PbCl2 (s) Pb2+ (aq) + 2Cl– (aq) เพราะเหตุใด .......................................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................................... - จงบอกเคร่ืองหมาย H ของปฏิกิริยาน้ี ............................................................................................. - คา่ Ksp ของสารละลายขณะร้อนเปลย่ี นแปลงอย่างไร .......................................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................................... การทดลองขอ้ (4) ปริมาตรน้าทเี่ ติมลงไปเพ่ือละลายตะกอน PbCl2 = …………......…………… cm3 ปริมาตรท้งั หมดของสารละลายในหลอดทดลองขณะน้นั = ......................................................... cm3 ผลคณู ไอออน [Pb2+] [Cl–]2 = ……………………………………………….

-7- - จงอธิบายว่าเหตใุ ดตะกอน PbCl2 จงึ ละลาย เมอื่ เติมน้าลงไป (การเตมิ น้ามผี ลตอ่ ความเขม้ ขน้ ของ [Pb2+] และ [Cl–] อยา่ งไร) .......................................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................................... - ปฏกิ ิริยาที่ 5 จะมกี ารเปล่ยี นแปลงไปในทศิ ทางใดมากกวา่ .......................................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................................... 2) สมดุลการละลายของ Zn(OH)2 และ Mg(OH)2 การทดลองขอ้ (1) เม่ือเตมิ 6 M NaOH 1 หยด ลงในสารละลาย Zn(NO3)2 และ Mg(NO3)2 มกี าร เปล่ียนแปลงอะไรเกดิ ข้นึ เพราะเหตุใด .......................................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................................... การทดลองขอ้ (2) ปริมาตรของ 6 M NaOH มผี ลตอ่ การละลายของตะกอน Zn(OH)2 อยา่ งไร อธิบาย เขียนสมการประกอบการอธิบาย .......................................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................................... การทดลองขอ้ (3) การเตมิ สารละลาย 0.3 M HCl มีผลตอ่ การละลายของตะกอน Mg(OH)2 อย่างไร อธิบายโดยเขียนสมการประกอบ .......................................................................................................................................................................... .......................................................................................................................................................................... ..........................................................................................................................................................................