ตะวัน

เรอ่ื ง การคานวณเกย่ี วกบั คา่ คงทส่ี มดุล เสนอ ครู กาญจนา แกว้ คง จดั ทาโดย นางสาวรงุ่ ตะวนั ยวงแกว้ ชนั้ ม.5/2 เลขท่ี 38 โรงเรยี นโพธสิ มั พนั ธพ์ ทิ ยาคาร

คานา สอื่ การเรยี นการสอน E-book รายวิชา เคมี เรอื่ ง การคานวณ เก่ียวกบั คา่ คงท่ีสมดลุ จดั ทาขนึ้ เพ่ือใชป้ ระกอบในการเรียนการสอน รายวชิ าเคมี(ว.30223)ซง่ึ ผจู้ ดั ทาไดไ้ ปศกึ ษาคน้ ควา้ เรอ่ื งเกี่ยวกบั การ คานวณคา่ สมดลุ และไดศ้ กึ ษาหาเพิม่ เตมิ ใน อินเทอรเ์ น็ต และแหลง่ ขอ้ มลู ตา่ งๆ โดยมีจดุ ประสงคเ์ พ่ือไหไ้ ดเ้ รยี นรูก้ ารคานวณและทาเป็นสอ่ื เพอื่ การ เผยแพรเ่ ป็นประโยชนต์ อ่ การเรยี นการสอนของผทู้ ่ีสนใจ ผจู้ ดั ทาไปไดไ้ ปศกึ ษาคน้ ควา้ รวบรวมออกมาเป็นสอื่ E-book ซง่ึ ประกอบดว้ ยเนือ้ หา แบบทดสอบและเฉลย เก่ียวกบั การคานวณคา่ คงท่ี สมดลุ ซงึ่ ผจู้ ดั ทาหวงั เป็นอยา่ งยิ่งวา่ สอื่ การเรยี น E-book นีจ้ ะเป็น ประโยชนผ์ ทู้ ี่สนใจและผทู้ ่ีนาไปใชไ้ หเ้ กิดผลตามความคาดหวงั

สารบญั คานา สารบญั การศกึ ษาสมดลุ เคมี คา่ คงทส่ี มดลุ นิยามของคา่ คงทส่ี มดลุ และการหาคา่ คงทส่ี มดลุ ขนั้ ตอนการคานวณเกย่ี วกบั คา่ คงทส่ี มดลุ เคมี คา่ คงทส่ี มดลุ ในเทอมของความดนั (Kp) ความสมั พนั ธร์ ะหวา่ ง Kp และ Kc คา่ คงทส่ี มดลุ ของการละลาย ตวั อย่างสมดลุ เคมที ส่ี าคญั ตอ่ สมดลุ กรด-เบส สมดลุ การละลาย แบบทดสอบ เฉลยแบบฝึกหดั อา้ งองิ

การศกึ ษาสมดุลเคมี แนวคดิ เกย่ี วกบั สมดลุ เคมี ไดเ้ รมิ่ พฒั นาขน้ึ หลงั จากการศกึ ษาของ โคลด้ หลยุ ส์ แบรโ์ ธเล่ต์ (Claude Louis Berthollet) นกั เคมชี าว ฝรงั่ เศส ทพ่ี บวา่ ปฏกิ ริ ยิ าเคมบี างชนิดเป็นปฏกิ ริ ยิ าผนั กลบั ได้ (reversible reaction) โดยในสมดลุ เคมนี นั้ อตั ราการ เกดิ ปฏกิ ริ ยิ าไปขา้ งหน้า (forward reaction) จะเทา่ กบั อตั ราการ เกดิ ปฏกิ ริ ยิ ายอ้ น กลบั (backward หรอื reverse reaction) สมการต่อไปน้ี เป็นการแสดงสมดลุ เคมขี องปฏกิ ริ ยิ าระหว่างสาร A และ สาร B เกดิ เป็นสาร S และ สาร T โดยท่ี α, β, σ และ τ เป็นสมั ประสทิ ธปิ ์ รมิ าณสมั พนั ธ์ (stoichiometric coefficient) ของปฏกิ ริ ยิ าดงั กลา่ ว

ค่าคงท่ีสมดลุ ในปฏกิ ริ ยิ าเคมที ผ่ี นั กลบั ไดท้ วั่ ๆไปตอ่ ไปน้ี เมอ่ื Kc เท่ากบั คา่ คงทส่ี มดลุ ทางเทอรโ์ มไดนามกิ ส์ หารดว้ ย ผลหารสมั ประสทิ ธแิ ์ อกทวิ ติ ี (quotient of คา่ คงทส่ี มดลุ ไดนามกิ ส์ (KStrikeO.png)ถกู นิยาม activity coefficients) เมอ่ื มคี า่ เทา่ กบั 1 จะไดว้ า่ Kc ขน้ึ โดย สหภาพเคมบี รสิ ทุ ธแิ ์ ละเคมปี ระยกุ ตร์ ะหวา่ ง ประเทศ (IUPAC ) [2][3] ดงั น้ี = KS เมอ่ื {A} คอื แอกทวิ ติ ี (activity)ของสาร A, {B} คอื ค่าคงที่สมดลุ (Chemical Equilibrium) แอกทวิ ติ ขี องสาร B, … ทงั้ น้ี การแสดงความสมั พนั ธ์ ขา้ งตน้ เป็นการพจิ ารณาการเปลย่ี นแปลงพลงั งาน ความสมั พนั ธร์ ะหวา่ งความเขม้ ขน้ ของสารตา่ งๆ ณ อสิ ระกบ๊ิ ส์ (Gibbs free energy) แต่ในทางปฏบิ ตั ิ แลว้ เรานยิ มใชค้ วามเขม้ ขน้ ของสาร อาทิ [A], [B], ภาวะสมดลุ เมอ่ื ปฏกิ ริ ยิ าเคมที ส่ี าร A ทา … มากกวา่ การใชแ้ อกทวิ ติ ี และใช้ ผลหารความ เข้มข้น(concentration quotient, Kc) มากกวา่ ดงั ปฏกิ ริ ยิ ากบั สาร B ไดส้ าร C และสาร D เขา้ สภู่ าวะ สมการ K สมดลุ A+B C+D อตั ราการเกดิ ปฏกิ ริ ยิ าไปขา้ งหน้า (Ratef) และอตั รา การเกดิ ปฏกิ ริ ยิ ายอ้ นกลบั (Rater) สามารถเขยี นได้ ดงั น้ี Kf และ Kr คอื คา่ คงทข่ี อง Ratef และ Rater ตามลาดบั ทภ่ี าวะสมดลุ Ratef = Rater K = Kf [A] [B] = Kr [C] [D] [ ] แทนความเขม้ ขน้ เป็น mol/dm3

นยิ ามของคา่ คงทส่ี มดลุ และการหาคา่ คงทส่ี มดลุ ผลคณู ของความเขม้ ขน้ ของสารผลติ ภณั ฑท์ ย่ี กกาลงั ดว้ ย สมั ประสทิ ธบิ ์ อกจานวนโมลสารผลติ ภณั ฑ์ หารดว้ ยผลคณู ของ ความเขม้ ขน้ ของสารตงั้ ตน้ ทย่ี กกาลงั ดว้ ยสมั ประสทิ ธบิ ์ อก จานวนโมลสารตงั้ ตน้ จะมคี า่ คงทท่ี อ่ี ุณหภมู หิ น่ึง คอื คา่ คงท่ี สมดุล (Equilibrium constant) และมสี ญั ลกั ษณ์เป็น K หรอื Kc H2 (g) + I2 (g) 2HI (g) ทภ่ี าวะสมดุล K= 2NO2Cl (g) 2NO2 (g) + Cl2 (g) K=

ขนั้ ตอนการคานวณเกี่ยวกบั ค่าคงที่สมดลุ เคมี • 1. เขยี นสมการพรอ้ มดลุ • 2. เขยี นความเขม้ ขน้ ของสารตงั้ ตน้ • 3. เขยี นความเขม้ ขน้ ของสารทเ่ี ปลย่ี นไป • 4. เขยี นความเขม้ ขน้ ของสารทภ่ี าวะสมดลุ ( จากขนั้ ท่ี 2 + ขนั้ ท่ี 3 ) • 5. เขยี นคา่ คงทส่ี มดลุ จากขนั้ ท่ี 1 • 6. แทนคา่ ความเขม้ ขน้ ของสารตา่ ง ๆ ทภ่ี าวะสมดุล จากขนั้ ท่ี 4 ลงในขนั้ ท่ี 5 • 7. คานวณหาตวั แปร จากขนั้ ท่ี 6 • 8. ตอบคาถามจากโจทยท์ ก่ี าหนด

ความสมั พนั ธร์ ะหวา่ ง คา่ K กบั ความเขม้ ขน้ ของ สารตงั้ ตน้ และสารผลติ ภณั ฑ์ และการดาเนนิ ไปของ ปฏกิ ริ ยิ า 1. ค่า K > 1 ถอื ว่า ค่า K มาก แสดงว่า ปฏกิ ริ ยิ าเกดิ ไปขา้ งหน้าไดด้ มี าก ผลติ ภณั ฑเ์ กดิ มาก สารตงั้ ตน้ เหลอื น้อย 2. คา่ K < 1 ถอื ว่า ค่า K น้อย แสดงวา่ ปฏกิ ริ ยิ าเกดิ ไป ขา้ งหน้าไดน้ ้อย เกดิ ปฏกิ ริ ยิ ายอ้ นกลบั ไดด้ ี ผลติ ภณั ฑเ์ กดิ น้อย สารตงั้ ตน้ เหลอื มาก 3. ค่า K = 1 ถอื วา่ ค่า K ปานกลาง แสดงวา่ สารตงั้ ตน้ และสารผลติ ภณั ฑ์ จะมปี รมิ าณพอ ๆ กนั 4. คา่ K จะคงทเ่ี สมอ ไมว่ า่ สมดลุ จะถกู รบกวน ยกเวน้ อุณหภมู มิ กี ารเปลย่ี นแปลง 5. คา่ K > 1 หรอื K < 1 ได้ แต่จะไมม่ คี า่ ตดิ ลบ

สรุปเกย่ี วกบั ความสมั พนั ธข์ องคา่ K 1.สมการเป็นสมการทก่ี ลบั ขา้ งสมการเดมิ คา่ K กเ็ ป็นสว่ นกลบั คา่ K ของสมการเดมิ หรอื เป็นปฏกิ ริ ยิ ายอ้ นกลบั ขอสมาการเดมิ (K = ) 2H2 (g) + O2 (g) 2H2O (g) ; K1 = 2H2O (g) 2H2 (g) + O2 (g) ; K2 = . . =1 K1.K2 = จะไดว้ า่ K2 =

3. ถา้ สมการใหมไ่ ดจ้ ากการรวมสมการ 2 เมอ่ื รวมสมการทงั้ สองเขา้ ดว้ ยกนั จะได้ 2 IBr สมการ (สมมตมิ คี า่ K เป็น K1 และ K2 ตามลาดบั ) เขา้ ดว้ ยกนั คา่ K ของสมการใหม่ จะ 2BrCl (g) + Br2 (g) + I2 (g) เท่ากบั ผลคณู ของคา่ K ของสมการเดมิ (g) + Cl2 (g) K = K1 . K2 + Br2 (g) ;K3 = เช่น 2BrCl (g) Cl2 (g) + Br2 (g) K3 = = . K3 = K1 . K2 ; K1 = Br2 (g) + I2 (g 2 IBr (g) ; K2 =

ในปฏกิ ริ ยิ าทส่ี ารตงั้ ตน้ และสารผลติ ภณั ฑเ์ ป็นก๊าซ ค่าคงทส่ี มดุล สาหรบั ระบบของก๊าซจะขน้ึ อยกู่ บั ความดนั ยอ่ ยของก๊าซ ไมใ่ ช้ ความเขม้ ขน้ มสี ญั ลกั ษณ์เป็น Kp เชน่ ปฏกิ ริ ยิ า N2 (g) + H2 (g) 2NH3 (g) คา่ คงทส่ี มดลุ ในเทอมของความดั (Kp) KP = , P ,P และ P แทนความดนั ของก๊าซ NH3 , N2 และ H2 ตามลาดบั

คา่ คงทส่ี มดุลของการละลาย เม่อื เกลอื ละลายในน้า จะแตกตวั ใหไ้ อออน ถา้ ละลาย ไดด้ มี ากในน้า ละลายหมด ปฏกิ ริ ยิ าจะ ไม่ เกดิ ภาวะ สมดลุ แตถ่ า้ เป็นเกลอื ทล่ี ะลายน้าไดน้ ้อยมาก ยงั มเี กลอื เหลอื อยู่ สามารถเกดิ ภาวะสมดลุ ได้ ถา้ ปฏกิ ริ ยิ าการ ละลายเขยี นแทนดว้ ยสมการทวั่ ไปดงั น้ี AmBn (s) mAn+ (aq) + nBm- (aq) คา่ 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 อยา่ งสมดุลเคมที ส่ี าคญั ต่อสมดุลกรด-เบส ปฏกิ ริ ยิ ากรด-เบสของกรดออ่ นหรอื เบสออ่ นซง่ึ เป็นปฏกิ ริ ยิ า ผนั กลบั ไดน้ นั้ การพจิ ารณาการแตกตวั ของกรดอ่อนหรอื เบสออ่ นมคี วามสาคญั มาก โดยคา่ คงทส่ี มดุลของปฏกิ ริ ยิ า การแตกตวั ของกรดจะเรยี กวา่ คา่ คงทก่ี ารแตกตวั ของกรด (acid dissociation constant, Ka) โดยความหมายในทางเคมขี องคา่ คงทน่ี ้บี ง่ บอกความ สมบรู ณ์ของการแตกตวั ของกรด หรอื บอกความแรงของกรด นนั่ เอง ซง่ึ ปกตแิ ลว้ คา่ คงทก่ี ารแตกตวั ของกรดมคี า่ น้อยมาก จงึ นยิ มแสดงในรปู ของคา่ pKaซง่ึ กาหนดใหเ้ ทา่ กบั -log (Ka) ตารางตอ่ ไปน้แี สดงตวั อยา่ งของคา่ คงทก่ี ารแตกตวั ของกรดออ่ นบางชนดิ

ตวั อย่าง สมดลุ ค่า pKa H3PO4 ⇌ H2PO4− + H+ pKa1 = 2.15 H2PO4− ⇌ HPO42− + H+ pKa2 = 7.20 HPO42− ⇌ PO43− + H+ pKa3 = 12.37 [VO2(H2O)4]+ ⇌ H3VO4 + H+ + pKa1 = 4.2 2H2O pKa2 = 2.60 H3VO4 ⇌ H2VO4− + H+ pKa3 = 7.92 H2VO4− ⇌ HVO42− + H+ pKa4 = 13.27 HVO42− ⇌ VO43− + H+

สมดุลการละลาย การรละลายของสารประกอบไอออนิกในน้าไดน้ ้อยแลว้ เกดิ การแตก ตวั เป็นไอออน จะอย่ใู นสมดลุ เคมขี องการละลาย เช่น การละลายน้า ของเกลอื แคลเซยี มซลั เฟต ดงั สมการตอ่ ไปน้ี คา่ คงทข่ี องการละลายทางเทอรโ์ มไดนามกิ สข์ องแคลเซยี มซลั เฟตจะ เป็น ดงั น้ี เมอ่ื KStrikeO.png คา่ คงทข่ี องการละลายทางเทอรโ์ มไดนามกิ ส์ และคานวณโดยใชค้ า่ แอกทวิ ติ ขี องไอออนตา่ งๆในระบบ อย่างไรก็ ตาม ของแขง็ มคี า่ แอกทวิ ติ เี ทา่ กบั 1 และเมอ่ื เราพจิ ารณาโดยใชค้ วาม เขม้ ขน้ ของไอออนคา่ คงทจ่ี ะเรยี กวา่ คา่ คงทผ่ี ลคณู ไอออน (ionic solubility product: Ksp)

แบบทดสอบ 1. จงเขยี นสมการหาคา่ คงทสี มดลุ (Kcและ Kp) ของปฏกิ ริ ยิ าต่อไปนี 1.1 2H2(g) + O2 (g) 2H2O (g) 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) 1.4 PCl 3(g) + Cl 2(g) PC2Hl 22(gO) 2. ทอ่ี ุณหภมู หิ น่งึ ไดท้ าการเตมิ ไอของไอโอดนี (I2) ลงในหลอดปฏกิ ริ ยิ าทป่ี ิดและบรรจุ แกส๊ ไฮโดรเจน (H2) จHง2อ(ธgบิ )า+ยวI2า(คgว)ามเขม้ ขน้ ข2อHงสIา(รgต)งั้ ตน้ ทงั้ สองเปลย่ี นแปลง อยา่ งไรบา้ งเมอ่ื 2.1 ขณะทเ่ี รมิ่ เตมิ ไอโอดนี 2.2 ปฏกิ ริ ยิ ากาลงั ดาเนินไป 2.3 ทภ่ี าวะสมดลุ

3. จากสมการ 2NO(g) + Cl 2(g) 2NOCl(g) H = -77.07 kJ จงทานายวาถา้ เปลย่ี นแปลงสภาวะของปฏกิ ริ ยิ าดงั ต่อไปนี จะมผี ล อย่างไรต่อ Cl 2 ทสี มดลุ (ลด เพม่ิ หรอื ไมม่ ผี ล) 13.1 เพมิ่ NOCl 2(g) 13.2 เพม่ิ NO (g) 13.3 เพม่ิ อุณหภูมิ 13.4 ลดปรมิ าตร 13.5 เตมิ ตวั เรง่ ปฏกิ ริ ยิ า 4. ภาชนะใบหนงึ ขนาด 1 L บรรจแุ ก๊ส SO2และ NO2 อย่างละ 2.0 โมลเมอื นาไปให้ ความรอ้ น และปล่อยใหป้ ฏกิ ริ ยิ าเขา้ สสู่ มดลุ พบวา่ มี NO 1.3 โมล ดงั สมการขา้ งล่างนี จง หาคา่ คงทสี มดลุ SO 2 (g) + NO 2 (g) SO 3(g) + NO (g) 5. ปฏกิ ริ ยิ าการเตรยี มเมทานอลดงั สมการ เมอ่ื ภาชนะทใี ชเ้ ตรยี มมปี รมิ าตร 1.50 ลติ ร ถกู บรรจุ ดว้ ย CO 0.15 โมลและ H 2 0.30 โมล ทภ่ี าวะสมดลุ ณ อุณหภูมิ 500 เคลวนิ พบวา่ มี CO 0.1187 โมลจงหา ความเขม้ ขน้ ของสารทุกชนิดทภ่ี าวะสมดลุ CO (g) + 2H 2 (g) CH 3 OH (g)

6. ทอี ุณหภูมิ 900 องศาเซลเซยี ส มคี า่ Kcของปฏกิ ริ ยิ าขา้ งล่างเท่ากบั 0.28 จงหา คา่ Kp ทอี ุณหภูมิ น้ี CS 2 (g) + 4H2 (g) CH4 (g) + 2H2S (g) 7. ปฏกิ ริ ยิ า SOH O (g) + O2 (g) SO3 (g) มคี า่ Kp= 6.55 ทอี ุณหภูมิ 627 องศาเซลเซยี ส จงหาคา่ Kc ทอี ุณหภูมนิ ้ี 8. จากสมการ CO (g) + Cl2 (g) COCl2 (g) จงทานายวาถา้ เปลยี นแปลงสภาวะ ของปฏกิ ริ ยิ าดงั ต่อไปนี จะมผี ลอยางไรต่อผลติ ภณั ฑ์ (ลด 5 เพิ ม หรอื ไมม่ ผี ล) 8.1 เพิ มความเขม้ ขน้ ของ CO 8.2 ลดความดนั ของระบบ 8.3 เพิ มปรมิ าตรของระบบ 9. จากสมการ SnO 2(s) + 2CO 2(g) Sn (s) + 2CO 2 (g) จงทานายวาถา้ เปลย่ี นแปลงสภาวะของปฏกิ ริ ยิ าดงั ต่อไปนี จะมผี ลอยางไรตอ่ ผลติ ภณั ฑ์ (ลด เพมิ่ หรอื ไม่ มผี ล)

9.1 เพิ มความเขม้ ขน้ ของ CO 9.2 ลดความดนั ของระบบ 9.3 เพิ มปรมิ าตรของระบบ 10. จากปฏกิ ริ ยิ าการเตรยี มฟอสจนี (COCl2) CO (g) + Cl2 (g) COCl2 (g) ทอ่ี ุณหภมู ิ 395 องศาเซลเซยี ส มคี า่ Kc= 1.23x 103 ในภาชนะ 1 ลติ ร ทภี าวะสมดลุ พบวามี CO 0.012 โมล, Cl2 0.025 โมล จงหาจานวนโมลของ COCl2 10.1 [CH 4] = 1.15 M, [H 2 S] = 1.20 M, [CS 2] = 1.51 M, [H2] = 1.08 M 10.2 [CH 4] = 1.10 M, [H 2 S] = 1.49 M, [CS 2] = 1.10 M, [H2] = 1.68 M 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 แบบฝึกหดั