สมดุลเคมี

1 สมดุลเคมี (Chemical equilibrium) 1. หลกั เลอชาเตอลเิ อ การใช้หลักของเลอชาเตอลิเอในอุตสาหกรรม นอกจากจะต้องคานึงถึงการลงทุน และเวลาท่ีใช้เป็น สาคัญแล้ว ยงั ต้องคานึงถงึ กรรมวิธีในการผลิต คือ การเปล่ียนวตั ถุดิบ หรอื สารต้ังต้นใหเ้ กิดผลติ ภัณฑ์มากที่สุด โดยใช้เวลาน้อยท่ีสุดในที่น้ีจะใช้หลักเลอชาเตอลิเอ มาพิจารณาวินิจฉัยผลการเปล่ียนแปลงปัจจัยต่าง ๆ เช่น ความดันและอณุ หภมู ิ วา่ มผี ลตอ่ ปริมาณอย่างไรบ้าง และจะนาไปใชใ้ นอตุ สาหกรรมผลติ สารตา่ งๆได้อยา่ งไร ตัวอย่างการผลิตก๊าซแอมโมเนีย (NH3) ซ่ึงเป็นสารตั้งต้น ในการผลิต ปุ๋ยแอมโมเนียซัลเฟต (NH4)2SO4 พลาสตกิ โชดาแอช และสีย้อม การเตรยี มกา๊ ซ NH3 จากปฏกิ ริ ยิ าระหวา่ ง N2(g) กับ H2(g) ดังน้ี N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) +92 kj ปฏิกิริยานี้เป็นปฏิกิริยาคายความร้อน และเป็นปฏิกิริยาผันกลับได้ที่ภาวะสมดุล จึงมีสารต้ังต้นและ ผลิตภัณฑ์ทุกชนิดปนกัน การทดลองผลิตกาซแอมโมเนีย (NH3) ที่อุณหภูมิ และ ความดันต่างๆ ได้ก๊าซ NH3 คิดเป็นร้อยละต่าง ๆ ร้อยละโดยโมลของ NH3 ท่ีสมดุล ท่ีความดันและอุณหภูมิต่าง ๆ ที่มา : George. M. Bodner and Harry L. Pardue, Chemistry (An experimentalscience), 1989, 589 P. ร้อยละโดยโมล ของก๊าซ NH3 คิดจากจานวนโมลของ NH3(g) ท่ีสมดุลหารด้วยจานวนโมลรวมของก๊าซ N2, H2 และ NH3 ที่ สมดุลคูณร้อย นาข้อมูลจากการทดลองผลติ ก๊าซแอมโมเนียท่ีอุณหภูมิ และความดันต่าง ๆ มาเขยี นกราฟไดด้ ังน้ี กราฟแสดงรอ้ ยละของ NH3 ผลิตไดท้ ส่ี มดลุ ณ อุณหภมู ิ และความดนั ตา่ งๆ เม่ือใช้ N2 2(g) และ H2 (g) ผสม ในอัตราสว่ น 1:3 โดยปรมิ าตร

2 สรุปได้ว่า ณ ความดันค่าหน่ึง เมื่อใช้อุณหภูมิต่า จะผลิตก๊าซ NH3 ปริมารมากกว่าเม่ือผลิตที่อุณหภมู ิ สูง และอุณหภูมิ ย่ิงผลิต NH3(g) ออกมาได้น้อย ซ่ึงสามารถอธิบายโดยใช้หลักเอชาเตอลิเอ ดังนี้ เน่ืองจาก ปฏิกิริยาของการผลิต NH3(g) เป็นแบบคายความร้อน ถ้าลดอุณหภูมิสมดุลของระบบเสียไป ในทิศทางท่ี จะต้องปรับตัวเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้ามากขึ้น เพื่อคายพลังงานเพ่ิมข้ึน ตามหลังชาเตอลิเอ ที่สมดุลใหม่จะ พบวา่ มปี รมิ าณ NH3(g) เพิม่ ข้นึ ซ่งึ เขียนสรุปไดด้ งั นี้ สรุปได้ว่า ณ อุณหภูมิค่าหนึ่ง เมื่อเพิ่มความดันจะได้ก๊าซ NH3 มากขึ้น ซ่ึงสามารถอธิบายโดยใช้หลัก เลอชาเตอลิเอ ดังน้ี ปฏิกิริยาท่ีเป็นก๊าซ จานวนโมลของก๊าซท่ีเป็นสารต้ังต้นไม่เท่ากับจานวนโมลของก๊าซที่ เป็นผลิตภัณฑ์ในสมการท่ีดุลแล้ว เมื่อเพ่ิมความดันทาให้สมดุลเสียไปในทิศทางต้องเกิดจากการปรับตัว เกดิ ปฏกิ ริ ยิ าไปข้างหนา้ มากข้ึน ท่สี มดลุ ใหมจ่ ะพบว่าปรมิ าณ NH3 (g) เพม่ิ ขึ้น ซึ่งเขยี นสรปุ ได้ดงั น้ี สรุป การผลิตก๊าซ NH3 ให้มีปริมาตรมาก ควรเลือกผลิตที่อุณหภุมิต่าและความดันสูง การผลิตก๊าซ NH3 ในอุตสาหกรรม นอกจากต้องผลิต NH3 (g) มาก ๆ แล้วยังต้องคานึงถึงเวลาท่ีใช้ในการเกิดปฏิกิริยา คือ ถ้าผลิตท่ีอุณหภูมิต่า จะมีอัตราการเกิดปฏิกิริยาต่า ทาให้ได้ก๊าซ NH3 ช้า เป็นการสิ้นเปลืองเวลา จากการ ทดลองพบว่า อุณหภูมิท่ีพอเหมาะในการผลิตก๊าซ NH3 คือ 500 oC และเพ่ือให้เกิดปฏิกิริยาเร็วข้ึนจึงต้องใส่ ตวั เรง่ ปฏิกิริยาดว้ ย ส่วนความดนั ที่ใชผ้ ลติ ก๊าซ NH3 มีขอบเขตจากดั ทัง้ น้ีเนื่องจากอุปกรณท์ ่ีใชก้ ับความดันสูงๆ ราคาแพงมาก ดังนัน้ ความดันทพ่ี อเหมาะในการผลิต NH3 คือ 350 atm สมดุลเคมใี นสิ่งมีชีวติ และสง่ิ แวดล้อม การดารงชีวิตของมนุษย์จะเก่ียวข้องกับกระบวนการและปฏิกิริยาต่างๆภายในร่างกาย ซึ่งเกิดข้ึนใน ลักษณะชองสมดุลไดนามกิ เช่น กระบวนการหายใจและแลกเปลีย่ นแกส๊ ในระบบหมุนเวยี นเลือด ในภาวะปกติ ขณะทร่ี ่างกายพกั ผ่อน ผู้ชายจะใช้ O2 ประมาณ 250 มิลลิลิตรต่อนาที และมีความต้องการเพ่ิมข้ึนเม่ือทากิจกรรมหรือออก แรงมากขึ้น O2 จะถูกลาเลียงไปยังส่วนต่างๆของร่างกายโดยรวมไปกับโมเลกุลของฮีโมโกลบิน (Hb) ซ่ึงเป็น

3 โปรตีนในเม็ดเลือดแดง โมเลกุลของฮีโมโกลบินที่รวมอยู่กับ O2 เรียกว่า ออกซีฮีโมโกลบิน เขียนสมการอย่าง ง่าย ๆ แสดงได้ดงั น้ี ขณะท่ีหายใจเข้า O2 จะผ่านหลอดลมฝอยและเข้าสู่ถุงลมปอด ความดันของ O2 ในถุงลมปอดจะสูง กว่าความดันในเส้นเลือดฝอยและรวมตัวกับฮีโมโกลบินที่เม็ดเลือดแดงกลายเป็นออกซิโมโกลบิน ปฏิกิริยาจะ ดาเนนิ ไปข้างหนา้ เมอื่ เลอื ดไหลเวียนไปยังเน้ือเย่ือต่างๆของรา่ งกายซึ่งจาเปน็ ต้องใช้ O2 เพื่อทากจิ กรรมต่างที่ เป็นผลจากเมทาบอลิซึม O2 ในเลือดจึงถูกปล่อยออกมา ปฏิกิริยาจะเกิดในทิศทางย้อนกลับเพื่อเพ่ิมปริมาณ O2 เนื่องจากกระบวนการท้ังสองนี้ดาเนินไปอย่างต่อเน่ืองรวมท้ังมีอัตราการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าและ ปฏิกิริยาย้อนกลับเท่ากัน จึงทาให้มีภาวะสมดุลเกิดขึ้นในกระบวนการหายใจ นอกจากจะมีการปรับสมดลุ ของ O2 แล้ว ให้พิจารณาสมการแสดงปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในกระบวนการเมทาบอลิซึมของกลูโคส ซ่ึงใช้ออกซิเจน ดังตอ่ ไปน้ี จากสมการทาให้ทราบว่าในการเผาผลาญกลูโคส 1 โมเลกุล จะต้องใช้ O2 จานวนมากและทาให้เกิด CO2 มากด้วยเช่นกัน เม่ือ CO2 ท่ีเนอ้ื เยือ่ มปี รมิ าณสูงข้นึ CO2 จะแพรเ่ ขา้ สเู่ ลือดในหลอดเลือดฝอยเพ่ือส่งผ่าน ไปยังปอด ซ่ึง CO2 จะทาปฏิกิริยากับน้าเกิดเป็นกรดคาร์บอนิก (H2CO3) และแตะตัวอยู่ในรูปของไฮโดรเจน คาร์บอเนตไอออน (HCO3) กบั ไฮโดรเจนไอออน (H+) ดังสมการ ไฮโดรเจนคาร์บอเนตไอออนถูกส่งถึงหลอดเลือดฝอยรอบถุงลมปอด ซึ่งภายในถุงลมปอดมีความดัน ของ CO2 นอ้ ย ปฏกิ ริ ิยาจะเกิดย้อนกลับเพื่อเพิ่มความดนั โดย CO2 ในหลอดเลือดฝอยจะแพรเ่ จ้าสู่ถงุ ลมปอด และถูกขับออกจากปอดในขณะที่เราหายใจออก ระบบการขนส่ง O2 และ CO2 ของร่างกาย จากการศึกษา พบว่าในเลือดของคนที่อาศัยอย่ใู นพ้ืนท่ีท่ีสูงกว่าระดับน้าทะเลมากๆจะมีความเข้มข้นของฮีโมโกลบินเม็ดเลือด แดงสูง แสดงว่าภาวะแวดล้อมท่ีแตกต่างกันเป็นปัจจัยที่มีผลต่อการทางานของระบบต่างๆภายในร่างกาย ดังนั้นผู้ท่ีต้องเดินทางไปในพ้ืนที่ที่สูกว่า ระดับน้าทะเลมาก ๆ อาจเกิดอาการที่เรียกว่า ไฮพอกเซีย (hypoxia) ซึ่งเกิดจากที่มีออกซิเจนไปเล้ียงเน้ือเยื่อของร่างกายไม่เพียงพอ ในรายที่เป็นรุนแรงอาจถึงตายได้เราทราบมา

4 นานแล้วว่าหน้าที่หลักของฮีโมโกลบินคือการขนส่งออกซิเจนไปเลี้ยงส่วนต่าง ๆ ของร่างกาย ซึ่งเขียนสมการ อยา่ งงา่ ยแสดงปฏกิ ิรยิ าไดด้ ังนี้ เนื่องจากความดันของออกซิเจนที่ระดับความสูงจากระดับน้าทะเลมาก ๆ มีค่าต่ากว่าความดันของ ออกซิเจนในบรรยากาศมีค่าประมาณ 0.14 บรรยากาศ ส่วนความดันย่อยของออกซิเจนในบรรยากาศที่ ระดับน้าทะเลมีค่าประมาณ 0.2 บรรยากาศ ดังน้ันการอยู่ในท่ีระดับความสูงมาก ๆ จึงมีปริมาณของ O2 ใน อากาศลดลง ตามหลักของเลอชาเตอลิเอ เมื่อความเข้มข้นของสารต้ังต้นในท่ีนี้คือออกซิเจนลดลง ปฏิกิริยา ย้อนกลับจะเกิดมากขึ้น ทาให้ปริมาณของออกซีฮีโมโกลบินลดลง เป็นผลใหก้ ารขนสง่ O2 ไปเล้ียงเนื้อเยอ่ื ส่วน ต่าง ๆ ได้น้อยลง จึงทาให้เกิดอาการไฮพอกเซีย อย่างไรก็ตามถ้าอยู่ในบริเวณนั้นนาน ๆ ร่างกายสามารถ ปรับตัวโดยสรา้ ง Hb ในเลือดให้เพิ่มมากข้ึนจนมีผลใหฮ้ ีโมโกลบินสามารถจับกับ O2 เกิดเป็นออกซีฮีโมโกลบนิ ได้อยา่ งเพียงพอ ด้วยเหตุนีค้ นทีอ่ ยใู่ นบรเิ วณท่ีมีความสูงมาก ๆ จึงมีระดับความเขม้ ข้นของฮีโมโกลบินในเลือด สูงกว่าของคนที่อยู่ที่ระดับน้าทะเลปกติ เน่ืองจากกระบวนการท้ังสองเกิดข้ึนอย่างต่อเน่ืองและมีอัตราการ เกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าและปฏิกิริยาย้อนกลับเท่ากัน ในท่ีสุดระบบก็จะปรับตัวเข้าสู่ภาวะสมดุล นอกจากน้ี ยงั สามารถใช้ความรูเ้ ก่ียวกับสมดลุ เคมีอธิบายสมดุลของแคลเซียมในร่างกายได้อีกดว้ ย แคลเซียมจดั เปน็ ธาตุที่ มีปริมาณมากที่สุดในร่างกายของมนุษย์ โดยคิดเป็นร้อยละ 1.5 – 2 ของน้าหนักร่างกายผู้ใหญ่ ปริมาณ แคลเซียมในร่างกายร้อยละ 98-99 เป็นองค์ประกอบของฟันและกระดูก ส่วนท่ีเหลือจะอยู่ในเนื้อเย่ือและกระ แสเลอื ด หน้าทห่ี ลักของแคลเซียมในร่างกายคือการเสริมสร้างและซ่อมแซมกระดูกและฟนั นอกจากนี้ยังมสี ่วน ร่วมในการทางานของเอนไซม์ กระบวนการเมทาบอลิซึมของวิตามินดี การหดตัวของกล้ามเน้ือ การเต้นของ หวั ใจ การแข็งตัวของเลอื ด การเจริญเตบิ โตของกระดกู จะถงึ จุดสงู สดุ เม่ืออายปุ ระมาณ 35 ปี และหลงั จากอายุ 40 ปี จะเกิดการสูญเสียแคลเซียมในกระดูกไปร้อยละ 1 – 2 ต่อปี เมื่ออายุประมาณ 65 ปี จะสูญเสีย แคลเซียมได้ถงึ ร้อยละ 30 – 50 ตอ่ ปี การสญู เสยี แคลเซียมของผ้หู ญิงจะเกิดเรว็ ในชว่ งภาวะหมดประจาเดือน สาหรับผชู้ ายจะมกี ารสูญเสียท่นี ้อยกวา่ เพ่ือให้การทางายของระบบต่าง ๆ ในร่างกายอยู่ในสภาพปกติ จึงต้องมีการรักษาระดับแคลเซียมใน เลือดให้คงที่และอยู่ในภาวะสมดุลกับปริมาณแคลเซียมในกระดูก ภายใต้การควบคุมของวิตามินดี และพารา- ทอร์โมน การลดปริมาณแคลเซียมในเลือดเพียงเล็กน้อยจะไปกระตุ้นให้มีการปลดปล่อยแคลเซียมจากกระดูก เพ่ิมการดูดซึมแคลเซียมจากลาไส้พร้อมกับลดการสูญเสียทางปัสสาวะ หรือขณะที่ร่างกายอยู่ภาวะที่มีการ ซ่อมแซมกระดูกที่แตกหักก็จะเกิดการดูดซึมแคลเซียมเข้าไปในกระแสเลือดเพิ่มมากขึ้น กระบวนการท่ีเกิดข้นึ ตามท่ีกล่าวมาแล้วมลี กั ษณะของสมดุลไดนามิกทั้งสิน้