e book chemisrty

เรอ่ื ง คานา การคานวณเกย่ี วกบั ส่ือการเรียนการสอน E-book รายวชิ า เคมี คา่ คงทส่ี มดลุ เร่อื ง การคานวณเก่ียวกบั คา่ คงท่ีสมดลุ จดั ทาขนึ้ เพ่ือใช้ ประกอบในการเรยี นการสอนรายวชิ าเคมี(ว.30223)ซง่ึ ผจู้ ดั ทาไดไ้ ปศกึ ษาคน้ ควา้ เร่อื งเก่ียวกบั การคานวณคา่ สมดลุ และไดศ้ กึ ษาหาเพ่ิมเตมิ ใน อนิ เทอรเ์ น็ต และ แหลง่ ขอ้ มลู ตา่ งๆ โดยมีจดุ ประสงคเ์ พ่ือไหไ้ ดเ้ รียนรูก้ าร คานวณและทาเป็นส่ือเพ่ือการเผยแพรเ่ ป็นประโยชนต์ อ่ การเรยี นการสอนของผทู้ ่ีสนใจ ผจู้ ดั ทาไปไดไ้ ปศกึ ษาคน้ ควา้ รวบรวมออกมาเป็น ส่ือ E-book ซง่ึ ประกอบดว้ ยเนือ้ หา แบบทดสอบและ เฉลย เก่ียวกบั การคานวณคา่ คงท่ีสมดลุ ซง่ึ ผจู้ ดั ทาหวงั เป็นอยา่ งย่ิงวา่ ส่ือการเรียน E-book นีจ้ ะเป็นประโยชน์ ผทู้ ่ีสนใจและผทู้ ่ีนาไปใชไ้ หเ้ กิดผลตามความคาดหวงั

ค่าคงที่สมดลุ เมอ่ื Kc เทา่ กบั คา่ คงทส่ี มดลุ ทางเทอรโ์ มไดนามกิ ส์ หารดว้ ย ในปฏกิ ริ ยิ าเคมที ผ่ี นั กลบั ไดท้ วั่ ๆไปต่อไปน้ี ผลหารสมั ประสทิ ธแิ ์ อกทวิ ติ ี (quotient of activity coefficients) คา่ คงทส่ี มดลุ ไดนามกิ ส์ (KStrikeO.png)ถกู นิยามขน้ึ โดย เมอ่ื มคี า่ เทา่ กบั 1 จะไดว้ า่ Kc = KS สหภาพเคมบี รสิ ทุ ธแิ ์ ละเคมปี ระยกุ ตร์ ะหวา่ งประเทศ ค่าคงท่ีสมดลุ (Chemical Equilibrium) (IUPAC ) [2][3] ดงั น้ี ความสมั พนั ธร์ ะหวา่ งความเขม้ ขน้ ของสารต่างๆ ณ ภาวะสมดลุ เมอ่ื {A} คอื แอกทวิ ติ ี (activity)ของสาร A, {B} คอื แอกทวิ ิ เมอ่ื ปฏกิ ริ ยิ าเคมที ส่ี าร A ทาปฏกิ ริ ยิ ากบั สาร B ไดส้ าร C และสาร ตขี องสาร B, … ทงั้ น้ี การแสดงความสมั พนั ธข์ า้ งตน้ เป็น D เขา้ สภู่ าวะสมดลุ การพจิ ารณาการเปลย่ี นแปลงพลงั งานอสิ ระกบ๊ิ ส์ (Gibbs free energy) แตใ่ นทางปฏบิ ตั แิ ลว้ เรานยิ มใชค้ วามเขม้ ขน้ A+B C+D ของสาร อาทิ [A], [B], … มากกวา่ การใชแ้ อกทวิ ติ ี และใช้ ผลหารความเข้มข้น(concentration quotient, Kc) อตั ราการเกดิ ปฏกิ ริ ยิ าไปขา้ งหน้า (Ratef) และอตั ราการ มากกวา่ ดงั สมการ K เกดิ ปฏกิ ริ ยิ ายอ้ นกลบั (Rater) สามารถเขยี นไดด้ งั น้ี Kf และ Kr คอื คา่ คงทข่ี อง Ratef และ Rater ตามลาดบั ท่ี ภาวะสมดลุ Ratef = Rater Kf [A] [B] = Kr [C] [D] K= [ ] แทนความเขม้ ขน้ เป็น mol/dm3

นยิ ามของคา่ คงทส่ี มดลุ ขนั้ ตอนการคานวณเกี่ยวกบั ค่าคงท่ีสมดลุ เคมี และการหาคา่ คงทส่ี มดลุ • 1. เขยี นสมการพรอ้ มดลุ ผลคณู ของความเขม้ ขน้ ของสารผลติ ภณั ฑท์ ย่ี กกาลงั ดว้ ย • 2. เขยี นความเขม้ ขน้ ของสารตงั้ ตน้ • 3. เขยี นความเขม้ ขน้ ของสารทเ่ี ปลย่ี นไป สมั ประสทิ ธบิ์ อกจานวนโมลสารผลติ ภณั ฑ์ หารดว้ ยผลคณู ของ • 4. เขยี นความเขม้ ขน้ ของสารทภ่ี าวะสมดลุ ( จาก ขนั้ ท่ี 2 + ขนั้ ท่ี 3 ) ความเขม้ ขน้ ของสารตงั้ ตน้ ทย่ี กกาลงั ดว้ ยสมั ประสทิ ธบิ ์ อก • 5. เขยี นคา่ คงทส่ี มดลุ จากขนั้ ท่ี 1 • 6. แทนค่าความเขม้ ขน้ ของสารต่าง ๆ ทภ่ี าวะ จานวนโมลสารตงั้ ตน้ จะมคี า่ คงทท่ี อ่ี ุณหภมู หิ น่ึง คอื คา่ คงท่ี สมดลุ จากขนั้ ท่ี 4 ลงในขนั้ ท่ี 5 • 7. คานวณหาตวั แปร จากขนั้ ท่ี 6 สมดลุ (Equilibrium constant) และมสี ญั ลกั ษณ์เป็น • 8. ตอบคาถามจากโจทยท์ ก่ี าหนด K หรอื Kc H2 (g) + I2 (g) 2HI (g) ทภ่ี าวะสมดลุ K= 2NO2Cl (g) 2NO2 (g) + Cl2 (g) K=

ความสมั พนั ธร์ ะหวา่ ง คา่ K กบั ความ สรปุ เกย่ี วกบั ความสมั พนั ธข์ องคา่ K เขม้ ขน้ ของสารตงั้ ตน้ และสารผลติ ภณั ฑ์ 1.สมการเป็นสมการทก่ี ลบั ขา้ งสมการเดมิ คา่ K กเ็ ป็นสว่ น และการดาเนนิ ไปของปฏกิ ริ ยิ า กลบั คา่ K ของสมการเดมิ หรอื เป็นปฏกิ ริ ยิ ายอ้ นกลบั ขอสมา การเดมิ ( K = ) 1. คา่ K > 1 ถอื วา่ คา่ K มาก แสดงวา่ ปฏกิ ริ ยิ าเกดิ ไปขา้ งหน้าไดด้ มี าก ผลติ ภณั ฑเ์ กดิ มาก สารตงั้ ตน้ เหลอื 2H2 (g) + O2 (g) 2H2O (g) ; K1 = น้อย 2. คา่ K < 1 ถอื วา่ คา่ K น้อย แสดงวา่ ปฏกิ ริ ยิ า 2H2O (g) 2H2 (g) + O2 (g) ; K2 = เกดิ ไปขา้ งหน้าไดน้ ้อย เกดิ ปฏกิ ริ ยิ ายอ้ นกลบั ไดด้ ี ผลติ ภณั ฑเ์ กดิ น้อย สารตงั้ ตน้ เหลอื มาก K1.K2 = .. =1 3. คา่ K = 1 ถอื วา่ คา่ K ปานกลาง แสดงวา่ สาร ตงั้ ตน้ และสารผลติ ภณั ฑ์ จะมปี รมิ าณพอ ๆ กนั จะไดว้ า่ K2 = 4. คา่ K จะคงทเ่ี สมอ ไมว่ า่ สมดลุ จะถกู รบกวน ยกเวน้ อณุ หภมู มิ กี ารเปลย่ี นแปลง 5. คา่ K > 1 หรอื K < 1 ได้ แต่จะไมม่ คี า่ ตดิ ลบ

2. ถา้ สมการใหมไ่ ดจ้ ากการคณู สมการเดมิ ดว้ ย n 3. ถา้ สมการใหมไ่ ดจ้ ากการรวมสมการ 2 สมการ (สมมตมิ ี คา่ K เป็น K1 และ K2 ตามลาดบั ) เขา้ ดว้ ยกนั คา่ K ของ คา่ Kของสมการใหมจ่ ะเทา่ กบั K ของสมการเดมิ ยก สมการใหม่ จะเทา่ กบั ผลคณู ของคา่ K ของสมการเดมิ กาลงั ดว้ ย n ( n อาจจะเป็นเลขจานวนเตม็ หรอื K = K1 . K2 เศษสว่ นกไ็ ด้ ) K = เช่น เชน่ 2BrCl (g) Cl2 (g) + Br2 (g) 2H2 (g) + O2 (g) 2H2O (g) ; K1 = ; K1 = ถา้ คณู สมการดงั กลา่ วน้ีดว้ ย 1/2 จะไดส้ มการใหมเ่ ป็น Br2 (g) + I2 (g 2 IBr (g) ดงั น้ี ; K2 = H2 (g) + 1/2 O2 (g) H2O (g) ; เมอ่ื รวมสมการทงั้ สองเขา้ ดว้ ยกนั จะได้ K3 = 2BrCl (g) + Br2 (g) + I2 (g) 2 IBr (g) + Cl2 (g) เมอ่ื พจิ ารณา K1 และK3 จะไดว้ า่ + Br2 (g) ;K3 = K3 = [ ] = (K1) K3 = = . K3 = K1 . K2

4. ถา้ สมการใหมไ่ ดจ้ ากการลบสมการท่ี 2 ออกจาก ความสมั พนั ธร์ ะหวา่ ง Kp และ Kc สมการท่ี 1 คา่ K ของสมการใหมเ่ ทา่ กบั ค่า Kของสมการ ท่ี 1 หารดว้ ยคา่ K ของสมการท่ี 2 ค่า Kp และ Kc อาจจะเทา่ กนั หรอื ไมเ่ ทา่ กนั กไ็ ด้ ความสมั พนั ธร์ ะหว่าง Kp และ Kc เป็นดงั น้ี K= Kp = Kc(RT) ค่าคงทส่ี มดุลในเทอมของความดนั (Kp) R = ค่าคงทข่ี องก๊าซ 0.0823 ในปฏกิ ริ ยิ าทส่ี ารตงั้ ตน้ และสารผลติ ภณั ฑเ์ ป็นก๊าซ คา่ คงท่ี dm3 . atm . mol-1 . K-1 สมดลุ สาหรบั ระบบของก๊าซจะขน้ึ อยกู่ บั ความดนั ยอ่ ยของ T = อุณหภมู เิ คลวนิ ก๊าซ ไมใ่ ชค้ วามเขม้ ขน้ มสี ญั ลกั ษณ์เป็น Kp = จานวนโมลของสารผลติ ภณั ฑ์ (ก๊าซ ) – จานวน โมลของสารตงั้ ตน้ ( ก๊าซ ) เช่น ปฏกิ ริ ยิ า N2 (g) + H2 (g) 2NH3 (g) ถา้ = 0 คา่ Kp = Kc , P , P และ P KP = แทนความดนั ของก๊าซ NH3 , N2 และ H2 ตามลาดบั

ค่าคงทส่ี มดลุ ของการละลาย ตวั อยา่ งสมดลุ เคมที ส่ี าคญั ตอ่ สมดุลกรด-เบส เมอ่ื เกลอื ละลายในน้า จะแตกตวั ใหไ้ อออน ถา้ ละลาย ปฏกิ ริ ยิ ากรด-เบสของกรดอ่อนหรอื เบสอ่อนซง่ึ เป็นปฏกิ ริ ยิ า ผนั กลบั ไดน้ นั้ การพจิ ารณาการแตกตวั ของกรดอ่อนหรอื ไดด้ มี ากในน้า ละลายหมด ปฏกิ ริ ยิ าจะ ไม่ เกดิ ภาวะ เบสอ่อนมคี วามสาคญั มาก โดยค่าคงทส่ี มดุลของปฏกิ ริ ยิ า การแตกตวั ของกรดจะเรยี กวา่ ค่าคงทก่ี ารแตกตวั ของกรด สมดลุ (acid dissociation constant, Ka) แต่ถา้ เป็นเกลอื ทล่ี ะลายน้าไดน้ ้อยมาก ยงั มเี กลอื โดยความหมายในทางเคมขี องคา่ คงทน่ี ้ีบ่งบอกความ เหลอื อยู่ สามารถเกดิ ภาวะสมดุลได้ ถา้ ปฏกิ ริ ยิ าการ สมบรู ณ์ของการแตกตวั ของกรด หรอื บอกความแรงของ กรดนนั่ เอง ซง่ึ ปกตแิ ลว้ คา่ คงทก่ี ารแตกตวั ของกรดมคี า่ น้อย ละลายเขยี นแทนดว้ ยสมการทวั่ ไปดงั น้ี มาก จงึ นิยมแสดงในรปู ของค่า pKaซง่ึ กาหนดใหเ้ ทา่ กบั - log (Ka) ตารางต่อไปน้ีแสดงตวั อยา่ งของคา่ คงทก่ี ารแตก AmBn (s) mAn+ (aq) + nBm- (aq) ค่า ตวั ของกรดอ่อนบางชนิด Ksp จะเขยี นไดด้ งั น้ี Ksp = [An+]m [Bm-]n เชน่ CaF2 (s ) Ca2+ (aq) + 2F- (aq) Ksp = [Ca2+] [F-]2 ถา้ ให้ a คอื การละลายของ CaF2 เป็นโมล/ลติ ร หมายถงึ CaF2 ละลายได้ a โมล/ลติ ร ดงั นนั้ จะให้ Ca2+ a โมล/ลติ ร และ F- 2a โมล/ลติ ร CaF2 (s) Ca2+ (aq) + 2F- (aq) a 2a

ตวั อย่าง สมดุลการละลาย สมดุล ค่า pKa การรละลายของสารประกอบไอออนิกในน้าไดน้ ้อยแลว้ เกดิ การแตก ตวั เป็นไอออน จะอยใู่ นสมดลุ เคมขี องการละลาย เชน่ การละลายน้า H3PO4 ⇌ H2PO4− + H+ pKa1 = 2.15 ของเกลอื แคลเซยี มซลั เฟต ดงั สมการตอ่ ไปน้ี H2PO4− ⇌ HPO42− + H+ pKa2 = 7.20 HPO42− ⇌ PO43− + H+ pKa3 = 12.37 คา่ คงทข่ี องการละลายทางเทอรโ์ มไดนามกิ สข์ องแคลเซยี มซลั เฟตจะ เป็น ดงั น้ี [VO2(H2O)4]+ ⇌ H3VO4 + H+ + pKa1 = 4.2 2H2O เมอ่ื KStrikeO.png คา่ คงทข่ี องการละลายทางเทอรโ์ มไดนามกิ ส์ pKa2 = 2.60 และคานวณโดยใชค้ า่ แอกทวิ ติ ขี องไอออนตา่ งๆในระบบ อยา่ งไรก็ H3VO4 ⇌ H2VO4− + H+ pKa3 = 7.92 ตาม ของแขง็ มคี า่ แอกทวิ ติ เี ทา่ กบั 1 และเมอ่ื เราพจิ ารณาโดยใชค้ วาม H2VO4− ⇌ HVO42− + H+ pKa4 = 13.27 เขม้ ขน้ ของไอออนคา่ คงทจ่ี ะเรยี กวา่ คา่ คงทผ่ี ลคณู ไอออน (ionic HVO42− ⇌ VO43− + H+ solubility product: Ksp)

สารบญั การศกึ ษาสมดุลเคมี คานา แนวคดิ เกย่ี วกบั สมดลุ เคมี ไดเ้ รม่ิ พฒั นาขน้ึ หลงั จากการศกึ ษา สารบญั ของ โคลด้ หลยุ ส์ แบรโ์ ธเลต่ ์ (Claude Louis Berthollet) นกั การศกึ ษาสมดลุ เคมี เคมชี าวฝรงั่ เศส ทพ่ี บวา่ ปฏกิ ริ ยิ าเคมบี างชนิดเป็นปฏกิ ริ ยิ าผนั คา่ คงทส่ี มดลุ กลบั ได(้ reversible reaction) โดยในสมดลุ เคมนี นั้ อตั ราการ นยิ ามของคา่ คงทส่ี มดลุ เกดิ ปฏกิ ริ ยิ าไปขา้ งหน้า (forward reaction) จะเทา่ กบั อตั ราการ และการหาคา่ คงทส่ี มดลุ เกดิ ปฏกิ ริ ยิ ายอ้ น กลบั (backward หรอื reverse reaction) ขนั้ ตอนการคานวณเกย่ี วกบั คา่ คงทส่ี มดลุ เคมี สมการตอ่ ไปน้ี เป็นการแสดงสมดลุ เคมขี องปฏกิ ริ ยิ าระหว่างสาร คา่ คงทส่ี มดลุ ในเทอมของความดนั (Kp) A และ สาร B เกดิ เป็นสาร S และ สาร T โดยท่ี α, β, σ และ τ ความสมั พนั ธร์ ะหวา่ ง Kp และ Kc เป็นสมั ประสทิ ธปิ ์ รมิ าณสมั พนั ธ์ (stoichiometric coefficient) คา่ คงทส่ี มดลุ ของการละลาย ของปฏกิ ริ ยิ าดงั กลา่ ว ตวั อยา่ งสมดลุ เคมที ส่ี าคญั ต่อสมดลุ กรด-เบส สมดลุ การละลาย แบบทดสอบ เฉลยแบบฝึกหดั อา้ งองิ

แบบทดสอบ 3. จากสมการ 2NO(g) + Cl 2(g) 2NOCl(g) H = -77.07 kJ จงทานายวาถา้ เปลย่ี นแปลงสภาวะของ 1. จงเขยี นสมการหาคา่ คงทสี มดลุ (Kcและ Kp) ของปฏกิ ริ ยิ า ปฏกิ ริ ยิ าดงั ตอ่ ไปนี จะมผี ลอยา่ งไรต่อ Cl 2 ทสี มดลุ (ลด เพมิ่ ตอ่ ไปนี หรอื ไมม่ ผี ล) 13.1 เพมิ่ NOCl 2(g) 13.2 เพม่ิ NO (g) 13.3 เพมิ่ อณุ หภมู ิ 13.4 ลดปรมิ าตร 13.5 เตมิ ตวั เรง่ ปฏกิ ริ ยิ า 1.1 2H2(g) + O2 (g) 2H2O (g) 4. ภาชนะใบหนงึ ขนาด 1 L บรรจแุ ก๊ส SO2และ NO2 อยา่ ง 1.2 2C2 H 4 (g) + O 2(g) 2CH 3 CHO (g) 1.3 C (s) + 2N 2 O (g CO 2 (g) + 2N 2 (g) ละ 2.0 โมลเมอื นาไปใหค้ วามรอ้ น และปลอ่ ยใหป้ ฏกิ ริ ยิ าเขา้ สู่ 1.4 PCl 3(g) + Cl 2(g) PCl 2(g) สมดลุ พบวา่ มี NO 1.3 โมล ดงั สมการขา้ งลา่ งนี จงหาคา่ คงที 2H2O สมดลุ SO 2 (g) + NO 2 (g) SO 3(g) + NO (g) 2. ทอ่ี ณุ หภมู หิ น่งึ ไดท้ าการเตมิ ไอของไอโอดนี (I2) ลงใน หลอดปฏกิ ริ ยิ าทป่ี ิดและบรรจแุ ก๊ส 5. ปฏกิ ริ ยิ าการเตรยี มเมทานอลดงั สมการ เมอ่ื ภาชนะทใี ช้ เตรยี มมปี รมิ าตร 1.50 ลติ รถกู บรรจุ ดว้ ย CO 0.15 โมลและ ไฮโดรเจน (H2) H 2 0.30 โมล ทภ่ี าวะสมดลุ ณ อณุ หภมู ิ 500 เคลวนิ พบวา่ มี CO 0.1187 โมลจงหาความเขม้ ขน้ ของสารทกุ ชนิดทภ่ี าวะ H2 (g) + I2 (g) 2HI (g) สมดลุ จงอธบิ ายวาความเขม้ ขน้ ของสารตงั้ ตน้ ทงั้ สองเปลย่ี นแปลง อยา่ งไรบา้ งเมอ่ื 2.1 ขณะทเ่ี รมิ่ เตมิ ไอโอดนี CO (g) + 2H 2 (g) CH 3 OH (g) 2.2 ปฏกิ ริ ยิ ากาลงั ดาเนนิ ไป 2.3 ทภ่ี าวะสมดลุ

6. ทอี ณุ หภมู ิ 900 องศาเซลเซยี ส มคี า่ Kcของปฏกิ ริ ยิ า 9.1 เพิ มความเขม้ ขน้ ของ CO 9.2 ลดความดนั ของระบบ ขา้ งลา่ งเทา่ กบั 0.28 จงหาคา่ Kp ทอี ุณหภมู ิ น้ี 9.3 เพิ มปรมิ าตรของระบบ CS 2 (g) + 4H2 (g) CH4 (g) + 2H2S (g) 7. ปฏกิ ริ ยิ า SOH O (g) + O2 (g) SO3 (g) มี คา่ Kp= 6.55 ทอี ุณหภมู ิ 627 องศาเซลเซยี ส จงหาคา่ Kc ที 10. จากปฏกิ ริ ยิ าการเตรยี มฟอสจนี อุณหภมู นิ ้ี (COCl2) CO (g) + Cl2 (g) COCl2 (g) ท่ี อุณหภมู ิ 395 องศาเซลเซยี ส มคี า่ Kc= 1.23x 103 ในภาชนะ 8. จากสมการ CO (g) + Cl2 (g) COCl2 (g) จงทานายวา 1 ลติ ร ทภี าวะสมดลุ พบวามี CO 0.012 โมล, Cl2 0.025 ถา้ เปลยี นแปลงสภาวะของปฏกิ ริ ยิ าดงั ต่อไปนี จะมผี ลอยางไร ตอ่ ผลติ ภณั ฑ์ (ลด 5 เพิ ม หรอื ไมม่ ผี ล) โมล จงหาจานวนโมลของ COCl2 8.1 เพิ มความเขม้ ขน้ ของ CO 8.2 ลดความดนั ของระบบ 10.1 [CH 4] = 1.15 M, [H 2 S] = 1.20 M, [CS 2] = 1.51 8.3 เพิ มปรมิ าตรของระบบ M, [H2] = 1.08 M 9. จากสมการ SnO 2(s) + 2CO 2(g) Sn (s) + 2CO 2 10.2 [CH 4] = 1.10 M, [H 2 S] = 1.49 M, [CS 2] = 1.10 (g) จงทานายวาถา้ เปลย่ี นแปลงสภาวะของปฏกิ ริ ยิ าดงั ต่อไปนี M, [H2] = 1.68 M จะมผี ลอยางไรต่อผลติ ภณั ฑ์ (ลด เพม่ิ หรอื ไมม่ ผี ล) 10.3 [CH 4] = 1.45 M, [H 2 S] = 1.29 M, [CS 2] = 1.25 M, [H 2] = 1.75 M

เฉ ลย แบบ ฝึกหดั





https://www.slideshare.net/Ay ขอบคณุ คะ่ eOranee/ss-51216272 จดั ทาโดย นางสาวรุง่ ตะวนั ยวงแกว้ เลขท่ี38 ม.5/2 https://beehoy.wordpress.com/ http://chem.flas.kps.ku.ac.th/01 403113/2016/KY11.pdf https://th.wikipedia.org/wiki/