ChemicalEuilibriumMWIT_PSP

สมดลุ เคมี สมดลุ เคมี (Chemical Equilibrium) ปฏกิ ิรยิ าเคมสี ่วนใหญ่เป็นปฏิกิรยิ าท่ดี าเนินไปทิศทาง เดยี วคอื จากสารตงั้ ต้นเปล่ยี นแปลงไปเป็นผลติ ภณั ฑแ์ ละเกดิ ขน้ึ อยา่ งสมบรู ณ์ เชน่ การเผาไหมน้ ้ามนั เชอ้ื เพลงิ เป็นตน้ ปฏกิ ริ ยิ าน้ี จดั เป็นปฏกิ ริ ยิ าทผ่ี นั กลบั ไม่ได้ (Irreversible reaction) แต่เรากจ็ ะ มกั พบเสมอว่าบางปฏกิ ริ ยิ าไม่ดาเนินไปจนเสรจ็ สมบูรณ์ หมายความว่าตวั ทาปฏกิ ริ ยิ าทงั้ หมด ไมไ่ ดเ้ ปลย่ี นไปเป็นผลปฏกิ ริ ยิ า ยงั คงเหลอื ตวั ทาปฏกิ ริ ยิ าอยู่ ปฏกิ ริ ยิ าเช่นน้ีเรยี กว่าปฏกิ ริ ยิ าท่ี ผนั กลบั ได้ (Reversible reaction) 1. การเปลีย่ นแปลงทีผ่ นั กลบั ได้ การเปล่ยี นแปลงท่ผี นั กลบั ได้ หมายถึง การเปล่ยี นแปลงท่เี ม่อื เปล่ยี นแปลงไปแล้ว สามารถกลบั คนื สู่สภาพเดมิ ได้อกี หรอื หมายถึงการเปล่ยี นแปลงท่มี ที งั้ การเปล่ยี นแปลงไป ขา้ งหน้าและการเปลย่ี นแปลงยอ้ นกลบั เชน่ ตวั อยา่ งของปฏกิ ริ ยิ าเคมที ผ่ี นั กลบั ได้ เมอ่ื หยดสารละลาย HCl ลงในสารละลาย [Co(H2O)6]2+ จะไดส้ นี ้าเงนิ ของ [CoCl4]2- ดงั สมการ [Co(H2O)6]2+ + 4Cl-  [CoCl4]2- + 6H2O สชี มพู สนี ้าเงนิ และเมอ่ื เตมิ น้าลงในสารละลายสนี ้าเงนิ ของ [CoCl4]2- จะไดส้ ารละลายสชี มพขู อง [Co(H2O)6]2+ กลบั คนื มาดงั สมการ [Co(H2O)6]2+ + 4Cl-  [CoCl4]2- + 6H2O สชี มพู สนี ้าเงนิ แสดงปฏกิ ริ ยิ าน้ีเกดิ การเปลย่ี นแปลงท่ผี นั กลบั ได้ หรอื เกดิ ปฏกิ ริ ยิ าผนั กลบั ได้ เขยี น แทนดว้ ยลกู ศรไป-กลบั ( ) รปู ก. รปู ข. สาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า 1

สมดลุ เคมี รปู ก. [Co(H2O)6]2+ + 4Cl- [CoCl4]2- + 6H2O สชี มพู สนี ้าเงนิ รปู ข. NO2 (g) N2O4 (g) น้าตาล ไมม่ สี ี 2. ภาวะสมดลุ เม่อื สารทาปฏกิ ริ ยิ ากนั ท่ภี าวะสมดุลจะมที งั้ สารท่เี ขา้ ทาปฏกิ ิรยิ า (reactant) และ ผลผลติ (product) ภาวะสมดุล (equilibrium state) เกดิ ขน้ึ เม่อื อตั ราการเกดิ ปฏกิ ิรยิ าไป ขา้ งหน้า (forward reaction ) เท่ากบั อตั ราการเกดิ ปฏกิ ริ ยิ ายอ้ นกลบั (reverse reaction ) ถา้ ใน ระบบท่พี จิ ารณาถา้ ปฏกิ ริ ยิ าเปลย่ี นไปขา้ งหน้าและยอ้ นกลบั เกดิ ขน้ึ ตลอดเวลา เรยี กว่า สมดุล พลวัต หรือสมดุลไดนามิก (dynamic equilibrium) เขียนแทนด้วยลูกศรไป-กลับ ( ) แบง่ ออกไดเ้ ป็น 3 ประเภท คอื 2.1 ภาวะสมดลุ ระหว่างสถานะ สารต่างๆสามารถเปลย่ี นสถานะได้ โดยมกี ารเปลย่ี นแปลงพลงั งานควบค่ไู ปดว้ ย ดงั แผนภาพน้ี ดดู พลงั งาน ดดู พลงั งาน ของแขง็ ของเหลว ก๊าซ คายพลงั งาน คายพลงั งาน จากแผนภาพด้านบน ระบบจะเป็นสภาวะสมดุลได้ก็ต่อเม่อื จะต้องอยู่ในระบบปิด เท่านนั้ ตวั อยา่ ง solid gas ; เช่น I2(s) I2(g) การระเหดิ ของเกลด็ ไอโอดนี C10H16O(s) C10H16O(g) การระเหดิ ของการบรู solid liquid; เชน่ H2O(s) H2O(l) liquid gas; เช่น H2O(l) H2O(g) เราสามารถสังเกตจากสีท่ีคงท่ี หรือ สถานะของสารคงท่ีดูเสมือนไม่เกิดการ เปลย่ี นแปลง แต่ความจรงิ แลว้ ระบบมไิ ดห้ ยดุ น่ิงและมกี ารเปลย่ี นแปลงตลอดเวลาเรยี กการเกดิ สภาวะแบบน้วี า่ “สมดุลไดนามกิ ” ดงั นนั้ ภาวะสมดลุ ระหว่างสถานะ กเ็ ป็นสมดุลไดนามกิ 2.2 ภาวะสมดลุ ในสารละลายอิ่มตวั เม่อื ให้ตวั ถูกละลาย ละลายในตวั ทาละลาย ตวั ถูกละลายก็จะละลายไดเ้ รว็ ในตอนแรก แลว้ ละลายไดช้ า้ ลงและเม่อื เกดิ สารละลายอมิ่ ตวั เราจะพบว่าตวั ถูกละลายไม่ละลายต่อไปอกี ไม่ สาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า 2

สมดลุ เคมี ว่าจะคนสารละลายเป็นเวลานานเท่าใดถ้าอุณหภูมคิ งท่ี เช่น การนาเกลอื แกง (NaCl) มาละลาย น้า จนไดส้ ารละลาย และละลายต่อจนไดส้ ารละลายอมิ่ ตวั เม่อื ตงั้ สารละลายอมิ่ ตวั ไวจ้ ะเกดิ ผลกึ ของ NaCl เกดิ ขน้ึ แลว้ จะมปี รมิ าณเพมิ่ ขน้ึ เรอ่ื ยๆจนในทส่ี ุดผลกึ คงท่ี เรายงั ดเู หมอื นว่าไม่เกดิ ผลกึ อีก แต่ในระบบผลึกยงั คงเกดิ ข้นึ เร่อื ยๆแล้วก็ละลายในสารละลายอกี ด้วย ดงั นัน้ ภาวะ สมดลุ ในสารละลายอม่ิ ตวั กเ็ ป็นสมดุลไดนามกิ 2.3 ภาวะสมดลุ ในปฏิกิริยาเคมี ภาวะสมดุลในปฏกิ ริ ยิ าเคมเี กดิ ขน้ึ ไดก้ ต็ ่อเม่อื เป็นปฏกิ ริ ยิ าผนั กลบั ได้และเกดิ ปฏกิ ริ ยิ า ในระบบปิด โดยระบบ แบ่งออกเป็น 1) ระบบเปิ ด (Opened system) คอื ระบบทม่ี กี ารถ่ายเทไดท้ งั้ มวลสารและพลงั งานกบั สงิ่ แวดลอ้ ม 2) ระบบปิ ด (Closed system) คอื ระบบทม่ี กี ารถ่ายเทเฉพาะพลงั งานอยา่ งเดยี ว แต่ ไมม่ กี ารถ่ายเทมวลสาร 3) ระบบโดดเด่ียว (Isolated system) คอื ระบบทไ่ี มม่ กี ารถ่ายเททงั้ พลงั งานและมวล สารแก่สงิ่ แวดลอ้ ม CO(g) + 3H2(g) CH4(g) + H2O(g) ถา้ เรมิ่ ตน้ เราใส่ CO จานวน 1.0 โมล และ H2 จานวน 3.0 โมล ลงในภาชนะขนาด 10.0 ลติ ร ท่ี 1200 K อตั ราการเกดิ ปฏกิ ริ ยิ าระหว่าง CO กบั H2 ขน้ึ กบั ความเขม้ ขน้ ของ CO และ H2 คอื ตอนแรกๆ สารทงั้ สองชนิดมคี วามเขม้ ขน้ มาก แต่เม่อื สารทาปฏกิ ิรยิ ากนั ความเขม้ ขน้ จะ ลดลงเรอ่ื ยๆ นนั่ คอื อตั ราการเกดิ ปฏกิ ริ ยิ าจะสงู ในช่วงแรกๆ แลว้ จะคอ่ ยๆลดลง ในขณะทค่ี วาม เขม้ ขน้ ของผลผลติ (ทม่ี คี ่าเท่ากบั ศูนยใ์ นตอนแรก) จะค่อยๆเพม่ิ ขน้ึ และมคี ่าคงทเ่ี ม่อื ถงึ ภาวะ สมดุล หรอื กล่าวได้อกี อย่างหน่ึงว่า ตอนแรกๆอตั ราการเกิดปฏกิ ริ ยิ ายอ้ นกลบั มคี ่าเป็นศูนย์ แลว้ ค่อยๆเพม่ิ ขน้ึ จนเท่ากบั อตั ราการเกดิ ปฏกิ ริ ยิ าไปขา้ งหน้า เมอ่ื ถงึ สมดุล ทภ่ี าวะสมดุล ความ เขม้ ขน้ ของสารต่างๆ มคี า่ คงท่ี และเราจะไมเ่ หน็ การเปลย่ี นแปลงใดๆ อกี ถงึ แมว้ ่าปฏกิ ริ ยิ ายงั คง ดาเนนิ ไป ดงั นนั้ ในปฏกิ ริ ยิ าใดจะเกดิ สมดลุ ไดจ้ ะตอ้ ง 1. เกดิ ในระบบปิด 2. มสี มดลุ ไดนามกิ 3. ยงั มสี ารตงั้ ตน้ เหลอื อยู่ 4. ระบบสามารถเขา้ สสู่ มดลุ ไดไ้ มว่ ่าจะเรม่ิ ตน้ จากไปขา้ งหน้าหรอื ยอ้ นกลบั 5. เกดิ การเปลย่ี นแปลงทผ่ี นั กลบั ได้ 6. ความเขม้ ขน้ , ความดนั และ อุณหภมู มิ ผี ลต่อภาวะสมดุล สาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า 3

สมดลุ เคมี 3. การดาเนินเข้าส่ภู าวะสมดลุ ของระบบ การดาเนินเข้าสู่สภาวะสมดุลของระบบไม่ข้ึนอยู่กับทิศทาง ไม่ว่าจะเริ่มจากการ เปล่ยี นแปลงไปข้างหน้าหรอื เรม่ิ จากการเปล่ยี นแปลงย้อนกลบั เม่อื ระบบเขา้ สู่สมดุล ภาวะ สมดลุ ทเ่ี กดิ ขน้ึ จะมลี กั ษณะเหมอื นกนั ทกุ ประการ การเขียนกราฟแสดงการเกิดภาวะสมดลุ เขยี นไดส้ องลกั ษณะ คอื 1. กราฟแสดงความสมั พนั ธร์ ะหว่างอตั ราการเกิดปฏิกิริยากบั เวลา อตั รา อตั ราการเกดิ ปฏกิ ริ ยิ าไปขา้ งหน้า การเกดิ ปฏกิ ริ ยิ า 2Fe3+(aq) + 2I-(aq) 2Fe2+(aq) + I2(aq) อตั ราการเกดิ ปฏกิ ริ ยิ ายอ้ นกลบั 2Fe2+(aq) + I2(aq) 2Fe3+(aq) + 2I-(aq) เวลา 2. เขียนกราฟแสดงความสมั พนั ธร์ ะหว่างความเข้มข้นของสารกบั เวลา ก. ทภ่ี าวะสมดุลทเ่ี วลา t1 ความเขม้ ขน้ ของสาร A มากกว่าความเขม้ ขน้ ของสาร B (ความเขม้ ขน้ ของสารตงั้ ตน้ มากกวา่ ความเขม้ ขน้ ของผลติ ภณั ฑ)์ ความ [A] เขม้ ขน้ [B] t1 เวลา สาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า 4

สมดลุ เคมี ข.ทภ่ี าวะสมดุลท่เี วลา t1 ความเขม้ ขน้ ของสาร A น้อยกว่าความเขม้ ขน้ ของสาร B (ความเขม้ ขน้ ของสารตงั้ ตน้ น้อยกว่าความเขม้ ขน้ ของผลติ ภณั ฑ)์ ความ [B] เขม้ ขน้ [A] t1 เวลา ค. ทภ่ี าวะสมดุลทเ่ี วลา t1 ความเขม้ ขน้ ของสาร A เท่ากบั ความเขม้ ขน้ ของสาร B (ความเขม้ ขน้ ของสารตงั้ ตน้ เท่ากบั ความเขม้ ขน้ ของผลติ ภณั ฑ)์ ความ เขม้ ขน้ [A] = [B] t1 เวลา สาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า 5

สมดลุ เคมี 4. สมดลุ ในปฏิกิริยาเคมี 4.1 ค่าคงทีส่ มดลุ กฎของภาวะสมดลุ ทางเคมี (Law of Chemical Equilibrium) กล่าวว่า “ สาหรบั ปฏิกิริยาท่ีผนั กลบั ได้ ท่ีภาวะสมดลุ ผลคณู ของความเข้มข้นของสารผลิตภณั ฑ์ เม่ือหาร ด้วยผลคณู ของความเข้มข้นของสารตงั้ ต้นที่เหลือ โดยท่ีความเข้มข้นของสารแต่ละชนิด ยกกาลงั ด้วยเลขสมั ประสิทธ์ิบอกจานวนโมลของสารในสมการที่ดุลแล้วจะมีค่าคงท่ี เสมอเมือ่ อณุ หภมู ิคงท่ี” เม่อื ใหป้ ฏกิ ริ ยิ าทวั่ ไปเป็นดงั น้ี คอื สาร A จานวน a โมล ทาปฏกิ ริ ยิ ากบั สาร B จานวน b โมล ไดส้ าร C จานวน c โมล และ สาร D จานวน d โมล ตามลาดบั ดงั สมการ aA (aq) + bB (aq) cC (aq) + dD (aq) อตั ราการเกดิ ปฏกิ ริ ยิ าไปขา้ งหน้า (The rate of forward of the reaction, rf) คอื rf = kf[A]a[B]b อตั ราการเกดิ ปฏกิ ริ ยิ ายอ้ นกลบั (The rate of reverse of the reaction, rr) คอื rr = kr[C]c[D]d ท่ีสมดลุ อตั ราการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าเท่ากบั อตั ราการเกิดปฏิกิริยาย้อนกลบั kf[A]a[B]b = kr[C]c[D]d kf  [C]c[D]d  Kc kr [A]a [B]b “The equilibrium constant Kc, is defined as the product of the equilibrium concentrations (in moles per liter) of the products, each raised to the power that corresponds to its coefficient in the balanced equation, divided by the product of the equilibrium concentrations of reactants, each raised to the power that corresponds to its coefficient in the balanced equation” ที่ภาวะสมดลุ จะได้ Kc  [C]c [D]d ; K = ค่าคงทข่ี องสมดุล [A]a [B]b *** ความเขม้ ขน้ ของสารทจ่ี ะมาแทนในสมการตอ้ งเป็นความเขม้ ขน้ ทภ่ี าวะสมดลุ เชน่ 2Fe3+(aq) + 2I-(aq) 2Fe2+(aq) + I2(aq) สาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า 6

สมดลุ เคมี จะเขยี นไดว้ า่ Kc  [Fe 2 ] 2 [I ] 2 [Fe 3 ] 2 [I ] 2 หากภาวะสมดุลท่เี กดิ ข้นึ ในปฏกิ ริ ยิ าท่มี สี ารอยู่ในวฏั ภาคเดยี วกนั ทงั้ หมดจะเรยี กว่า สมดุลเอกพนั ธ์ (Homogeneous reaction) สาหรบั ปฏกิ ริ ยิ าท่เี กิดขน้ึ ท่สี ารตงั้ ต้นและสาร ผลติ ภณั ฑม์ วี ฏั ภาคแตกต่างกนั เรยี กว่าสมดุลววิ ธิ ภณั ฑ์ (Heterogeneous reaction) ถ้าสารทเี่ กยี่ วขอ้ งในปฏกิ ริ ยิ า มขี องแขง็ หรอื ของเหลวทบี่ รสิ ุทธร์ิ วมอย่ดู ้วย ไม่ต้องนา ความเขม้ ขน้ ของสารทเี่ ป็นของแขง็ หรอื ของเหลวบรสิ ุทธิ์ มาเขยี นไวใ้ นอตั ราส่วนทแี่ สดงค่าคงที่ ของสมดลุ เพราะสารทเี่ ป็นของแขง็ และของเหลวบรสิ ุทธจิ์ ะมคี วามเขม้ ขน้ คงที่ เชน่ [CuCl4]2- (aq) + 4H2O (l) [Cu(H2O)4]2+ (aq) + 4Cl- (aq) Kc  [[Cu(H2O)4 ]2 ][Cl ] [[CuCl4 ]2 ] - ข้อสงั เกตเกีย่ วกบั ค่าคงทีข่ องสมดลุ (K) 1. ค่า K ขน้ึ อย่กู บั อุณหภูมิ คอื เม่อื อุณหภมู คิ งท่ี ค่า K กจ็ ะคงท่ี แต่ถ้าอุณหภูมเิ ปลย่ี น ค่า K กจ็ ะเปลย่ี นดว้ ย ดงั นนั้ เมอ่ื กล่าวถงึ คา่ K ตอ้ งอา้ งอุณหภมู เิ สมอ 2. ค่า K ในปฏกิ ริ ยิ าต่างชนิดกนั ส่วนใหญ่จะมหี น่วยต่างกนั และบางปฏกิ ิรยิ าไม่มหี น่วย ขน้ึ กบั สถานะของสาร 3. ค่า K ขน้ึ อย่กู บั ลกั ษณะของสมการทเ่ี ขยี น คอื ถ้าเขยี นสดั ส่วนของจานวนโมลของสารตงั้ ต้นและสารผลติ ภณั ฑใ์ นสมการต่างกนั ค่า K ไมเ่ ท่ากนั ดงั นนั้ เม่อื กล่าวถงึ ค่า K จะต้องอา้ งองิ ถงึ สมการดว้ ยเสมอ เช่น ½ N2O4(g) NO2 (g) K1 = [NO2] = 0.60 (ท่ี 100 oC) [N2O4]1/2 ถา้ N2O4(g) 2NO2(g) = 0.36 K2 = [NO2]2 (ท่ี 100 oC) [N2O4] K2 = (K1)2 สาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า 7

สมดลุ เคมี 4. ถา้ เขยี นสมการกลบั กนั ค่า K กจ็ ะกลบั กนั ดว้ ย เช่น N2O4(g) 2NO2(g) K1 = [NO2]2 = 0.36 (ท่ี 100 oC) [N2O4] และ 2NO2 (g) N2O4 (g) K2 = [N2O4] = 2.8 (ท่ี 100 oC) [NO2]2 K2  1 K1 5. ในกรณีเกดิ ขน้ึ หลายขนั้ ตอน ถ้าปฏกิ ริ ยิ าย่อยๆบวกกนั แลว้ เป็นปฏกิ ริ ยิ ารวม ค่า K ของ ปฏกิ ริ ยิ ารวมจะเท่ากบั ผลคณู ของปฏกิ ริ ยิ ายอ่ ยๆ เช่น SO2 (g)  1 O2 (g) SO3 (g) ; K1  [SO3 ] 1 = 20 (ท่ี 700 oC) 2 [SO2 ][O2 ]2 NO2 (g) NO(g)  1 O2 (g); K2  [NO][O 2 ] 1 = 0.012 (ท่ี 700 oC) 2 2 [NO2 ] ดงั นนั้ เมอ่ื (1) + (2) จะได้ SO2 (g)  NO2 (g) SO3 (g)  NO(g); K3  [SO3 ][NO] = 0.24 (ท่ี 700 oC) [SO2 ][NO2 ] ดงั นนั้ K3  K1 x K2 = 20 x 0.012 K3 = K1 x K2 6. ถา้ ปฏกิ ริ ยิ ารวมไดจ้ ากปฏกิ ริ ยิ ายอ่ ยลบกนั ค่า K รวมกเ็ ทา่ กบั ค่า K ยอ่ ยหารกนั SO 2 (g)  1 O2 (g) SO3 (g) ; K1  [SO3 ] 1 = 20 (ท่ี 700 oC)……(1) 2 NO2 (g) ; [SO2 ][O2 ]2 NO(g)  1 O2 (g) K2  [NO2 ] 1  83.33 (ท่ี 700 oC) ...(2) 2 [NO][O2 ]2 (1) – (2) = (3) สาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า 8

สมดลุ เคมี SO2 (g) + NO2 (g) SO3 (g) + NO (g) ; K3  [SO3 ][NO] [NO2 ][SO2 ] = 0.24 (ท่ี 700 oC) K3  K1  20  0.24 K 2 83.33 K3  K1 K2 7. ถา้ นาค่าคงทม่ี าคณู ทงั้ สมการ คา่ K ใหมท่ ไ่ี ดจ้ ะนามายกกาลงั K เดมิ NO (g) + ½ O2(g) NO2(g) ; K1  [NO2 ] …(1) 2 x (1) ; 2NO (g) + O2 (g) 1 [NO][O2 ]2 2NO2 (g) ; K2  [NO2 ]2 …(2) [NO]2[O2 ] ดงั นนั้ สรปุ ไดว้ ่า K2  K12 1) ถา้ กลบั สมการ 2) ถา้ นาสมการมารวมกนั คา่ K จะกลบั เศษเป็นส่วน 3) ถา้ เอาเลขคณู ทงั้ สมการ ค่า K จะนามาคณู กนั 4) ถา้ นาสมการมาลบกนั ค่า K นามายกกาลงั เลขนนั้ ค่า K จะนามาหารกนั หลกั การคานวณหาค่า K เพื่อทราบความเข้มข้นของสาร 1.เขยี นสมการของปฏกิ ริ ยิ าพรอ้ มดุลสมการนนั้ 2.หาจานวนโมลหรอื โมล/ลติ ร เมอ่ื เรม่ิ ตน้ ปฏกิ ริ ยิ า (Initial) หรอื t = 0 3.หาจานวนโมลหรอื โมล/ลติ ร ทเ่ี ปลย่ี นแปลงไป เน่ืองจากเกดิ ปฏกิ ริ ยิ าโดยกาหนดให้ จานวนโมลทห่ี ายไปเป็นลบ (สารตงั้ ตน้ ) จานวนโมลทเ่ี พม่ิ ขน้ึ เป็นบวก (สารผลติ ภณั ฑ)์ 4.หาจานวนโมล หรอื โมล/ลติ ร ณ จดุ สมดุล (Final) หรอื t = te โดยนา ขอ้ 2 + ขอ้ 3 ตามเครอ่ื งหมายบวกลบนนั้ ๆ แลว้ เปลย่ี นจานวนโมล ณ จดุ สมดุลใหเ้ ป็นโมล/ลติ ร แลว้ จงึ แทน คา่ ความเขม้ ขน้ ในสมการคา่ Kc สาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า 9

สมดลุ เคมี ลกั ษณะโจทยใ์ นการคานวณค่าคงทีส่ มดลุ มที งั้ หมด 4 แนวทาง 1. ใหห้ า คา่ คงทส่ี มดุล โดยกาหนดความเขม้ ขน้ ใหท้ ุกค่า 2. ให้หาค่าคงท่สี มดุล โดยกาหนดความเขม้ ขน้ ให้บางค่า ส่วนค่าท่เี หลอื หา จากสมการเคมี 3. กาหนดค่าคงทส่ี มดลุ ให้ และหาความเขม้ ขน้ ของสารแต่ละตวั 4. การหาคา่ K เมอ่ื มกี ารรบกวนสมดุล แนวทางที่ 1 ให้หา ค่าคงทีส่ มดลุ โดยกาหนดความเข้มข้นให้ทุกค่า ตวั อย่างที่ 1 ระบบหน่ึงประกอบดว้ ยสาร PCl5, PCl3, Cl2 เม่อื ทาการทดลองทอ่ี ุณหภูมิ 250 องศาเซลเซยี ส มสี มการดงั น้ี PCl5 (g) PCl3 (g) + Cl2 (g) ทภ่ี าวะสมดุล พบ PCl5 = 1.5 M PCl3 = 0.20 M และ Cl2 เขม้ ขน้ 0.30 M จงหาคา่ Kc วธิ ที า ขนั้ ท่ี 1 เขยี นสมการ พรอ้ มทงั้ ดลุ สมการ PCl5 (g) PCl3 (g) + Cl2 (g) ขนั้ ท่ี 2 หาความเขม้ ขน้ ณ ภาวะสมดุล ภาวะสมดุล (eq) PCl5 (g) PCl3 (g) + Cl2 (g) 1.5 M 0.20 M 0.30 M ขนั้ ที่ 3 หาคา่ คงทส่ี มดลุ โดยนาค่าความเขม้ ขน้ ทภ่ี าวะสมดลุ มาแทนในสมการ Kc Kc  Cl2 PCl3  PCl5    0.30 0.20 1.5  0.040 M สาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า 10

สมดลุ เคมี ตวั อย่างที่ 2. ปฏกิ ริ ยิ า 2A (aq) + B (s) + C (g) 2D (g) ทภ่ี าวะสมดุลใน ภาชนะขนาด 2.0 dm3 มี A 4.0 mol, B 4.0 mol, C 2.0 mol, and D 6.0 mol จงคานวณหา คา่ คงทส่ี มดุลของปฏกิ ริ ยิ าน้ี วธิ ที า ขนั้ ท่ี 1 เขยี นสมการ 2A (aq) + B (s) + C (g) 2D (g) ขนั้ ที่ 2 หาจานวนโมล ณ ภาวะสมดุล โดยไม่คดิ โมลของของแขง็ 2A (aq) + B (s) + C (g) 2D (g) ภาวะสมดลุ (eq) =4.0 mol =2.0 mol =6.0 mol ขนั้ ที่ 3 หาความเขม้ ขน้ ณ ภาวะสมดุล 2A (aq) + B (s) + C (g) 2D (g) =3.0 M = 2.0 M =1.0 M ขนั้ ท่ี 4 หาค่าคงทส่ี มดุล โดยนาค่าความเขม้ ขน้ ทภ่ี าวะสมดุลมาแทนในสมการ Kc Kc  D2 A2 C    3.0  2 2.02 1.0  2.3 M1 แนวทางที่ 2 ให้ค่า K โดยกาหนดความเข้มข้นให้บางค่า ส่วนค่าทีเ่ หลือหาจากสมการ ตวั อย่าง ทอ่ี ุณหภมู ิ 700 องศาเซลเซยี ส เม่อื นา N2 จานวน 2.00 mol มาทาปฏกิ ริ ยิ ากบั H2 จานวน 2.00 mol ในภาชนะปิด 2.00 ลติ ร ภาวะสมดุลมกี ๊าซแอมโมเนีย เกิดขน้ึ จานวน 1.00 mol จงหาคา่ Kc วธิ ที า ขนั้ ที่ 1 เขยี นสมการ พรอ้ มดุลสมการ N2 (g) + 3H2 (g) 2NH3 (g) ขนั้ ที่ 2 หาจานวนโมล ณ ภาวะเรม่ิ ตน้ จานวนโมลเรมิ่ ตน้ (in) N2 (g) + 3H2 (g) 2NH3 (g) = 2.0 = 2.0 = 0.0 mol สาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า 11

สมดลุ เคมี ขนั้ ที่ 3 หาความเขม้ ขน้ ณ ภาวะเรม่ิ ตน้ ความเขม้ ขน้ เรมิ่ ตน้ (in) N2 (g) + 3H2 (g) 2NH3 (g) = 1.0 = 1.0 = 0.00 M ขนั้ ที่ 4 หาความเขม้ ขน้ ณ ภาวะเปล่ยี นแปลง โดยใหด้ ูจากจานวนสมั ประสทิ ธขิ ์ อง สมการทด่ี ลุ แลว้ จากโจทยพ์ บว่าทภ่ี าวะสมดุลเกดิ NH3 ขน้ึ 0.5 M ดงั นนั้ ความเขม้ ขน้ ณ ภาวะ เปลย่ี นแปลงจะเป็น N2 (g) + 3H2 (g) 2NH3 (g) ภาวะเปลย่ี นแปลง (ex) = -0.25 = -0.75 = + 0.50 M ขนั้ ท่ี 5 หาความเขม้ ขน้ ณ ภาวะสมดลุ โดยนาขนั้ ท่ี 3 และ ขนั้ ท่ี 4 มาบวกกนั N2 (g) + 3H2 (g) 2NH3 (g) ภาวะสมดุล (eq) = (1.0 - 0.25) = (1.0 - 0.75) = (0.00+ 0.50) M = 0.75 = 0.25 = 0.50 M ขนั้ ที่ 6 หาคา่ คงทส่ี มดลุ โดยนาค่าความเขม้ ขน้ ทภ่ี าวะสมดลุ มาแทนในสมการ Kc Kc  NH3 2 N2 H2 3    0.50 2  3 0.75 0.25  14 M2 แนวทางที่ 3 กาหนดค่า K มาให้ และให้หาความเข้มข้นของสารแต่ละตวั ตวั อย่าง นา H2 มาจานวน 44.8 dm3 ท่ี STP ทาปฏกิ ริ ยิ ากบั I2 จานวน 44.8 cm3 ท่ี STP ใน ภาชนะ 2.0 ลติ ร ทภ่ี าวะสมดุลมคี า่ Kc เท่ากบั 4.0 จงหาความเขม้ ขน้ ของ H2, I2 และ HI ณ ภาวะสมดลุ วธิ ที า ขนั้ ท่ี 1 เขียนสมการ H2 (g) + I2 (g) 2 HI (g) ขนั้ ท่ี 2 หาโมลเร่ิมต้น H2 (g) + I2 (g) 2 HI (g) 0.00 mol (in) 44.8  2.00 44.8  2.00 22.4 22.4 สาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า 12

สมดลุ เคมี ขนั้ ท่ี 3 เปลี่ยนเป็นความเข้มข้น H2 (g) + I2 (g) 2 HI (g) (in) 2.00  1.00 2.00  1.00 0.00 M 2.00 2.00 ขนั้ ท่ี 4 หาโมลที่ภาวะสมดลุ H2 (g) + I2 (g) 2 HI (g) (eq) 1.00 – a 1.00 – a 2a M ขนั้ ที่ 5 หาคา่ คงทส่ี มดุล โดยนาค่าความเขม้ ขน้ ทภ่ี าวะสมดุลมาแทนในสมการ Kc Kc  [HI]2 [H2 ][I2 ] 4.0  a2 a2 1.00  2.0  a a 1.00  2.0 (1.00-a) = 2a mol/dm3  a = .50 แทนคา่ [H2] = [I2] = (1.00-a) = 1.00 – 0.50 mol / dm3 = 0.50 [HI] = a mol / dm3 = 0.50 แนวทางที่ 4 การหาค่า Kc หรอื หาความเข้มข้น เมอื่ มกี ารรบกวนสมดลุ ใชห้ ลกั การทว่ี ่า ค่าคงที่ใหม่ เท่ากบั ค่าคงที่เดิม หรอื Kc ใหม่ = Kc เดิม ตวั อย่าง ท่ี 500 องศาเซลเซยี ส ณ ภาวะสมดุลของปฏกิ ริ ยิ าในภาชนะขนาด 1.0 ลติ ร มี ก๊าซ A, B, C และ D เท่ากบั 4.0, 3.0, 2.0 และ 1.0 mol ตามลาดบั ถา้ เตมิ A 1.0 mol จงหาความ เขม้ ขน้ ของสารต่าง ๆ ทภ่ี าวะสมดุลใหม่ A(g) + B (g) C (g) + D (g) วธิ ที า สาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า 13

สมดลุ เคมี A(g) + B (g) C (g) + D (g) (eq เดมิ ) 4.0 3.0 2.0 1.0 M (in ใหม)่ 4.0+1.0 3.0 2.0 1.0 M (ex ใหม)่ -x -x +x +x M (eq ใหม)่ (5.0-x) (3.0-x) (2.0+x) (1.0+x) M K ใหม่ = K เดิม 1.0  X 2.0  X   2.01.0 5.0  X 3.0  X  4.03.0 1.0  X 2.0  X   1 5.0  X 3.0  X  6 X  0.11 ความเขม้ ขน้ ณ ภาวะสมดุลใหม่ ของA = 4.89 M, B = 2.89 M C = 3.11 M, D = 2.10 M 4.2 ค่าคงทีส่ มดลุ ของปฏิกิริยาของแกส๊ ถา้ สารอยใู่ นสถานะก๊าซการหาความเขม้ ขน้ จะยงุ่ ยากกว่า ดงั นนั้ เพ่อื ความสะดวกจะทา การวดั ความดนั มากกวา่ ความเขม้ ขน้ ดงั นนั้ ค่าคงทส่ี มดลุ ทว่ี ดั จากความดนั คอื Kp aA (g) + bB (g) cC (g) + dD (g) Kp  (PC )c (PD )d (PA )a (PB )b ความสมั พนั ธร์ ะหว่างค่า Kc และ Kp จาก PV = nRT สาหรบั สาร A PAV  nART PA  nA RT  [A]RT V ในทานองเดยี วกนั สาหรบั สาร B, C, D PB  [B]RT, PC  [C]RT, PD  [D]RT , แทนค่า สาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า 14

สมดลุ เคมี Kp  (Pc )c (PD )d  ([C]RT )c ([D]RT )d (PA )a (PB )b ([ A]RT )a ([B]RT )b Kp  ([C])c ([D])d  (RT )(cd )(ab) ([ A])a ([B])b K p  K c (RT )n โดยท่ี n คอื จานวนโมลของก๊าซในปฏกิ ริ ยิ า หาจาก ตวั อยา่ ง N2O4 (g) 2NO2 (g) K p  Kc (RT ) 4.3 ค่าคงทีส่ มดลุ ของปฏิกิริยาวิวิธพนั ธ์ จากสมดุลทไ่ี ดศ้ กึ ษามาแลว้ ไดแ้ ก่ สมดุลในสารละลาย สมดุลของแก๊ส พบว่าสารตงั้ ต้น และสารผลติ ภณั ฑท์ ุกชนิดมสี ถานะเหมอื นกนั สมดุลของปฏกิ ิรยิ าน้ีเรยี กว่า สมดุลเอกพนั ธ์ (Homogeneous equilibrium) แต่อย่างไรกต็ ามถ้าในบางสมดุลสารตงั้ ตน้ และสารผลติ ภณั ฑ์ ไม่ได้มีสถานะเดียวกัน สมดุลของปฏิกิริยาน้ีเรียกว่า สมดุลวิวิธภัณฑ์ (Heterogeneous equilibrium) เชน่ ปฏกิ ริ ยิ าการสลายตวั ดว้ ยความรอ้ นของหนิ ปนู (แคลเซยี มคารบ์ อเนต) ไปเป็น ปนู ดบิ (แคลเซยี มออกไซต)์ ค่าคงทส่ี มดุลของปฏกิ ริ ยิ าน้ีเขยี นไดเ้ ป็น โดยสว่ นใหญ่ ความเขม้ ขน้ ของสารบรสิ ุทธทิ ์ เ่ี ป็นของแขง็ จะคงท่ี ดงั นัน้ จะไดว้ ่า KC = [CO2] โดยท่ี KC = KC” [CaCO3] / [CaO] สาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า 15

สมดลุ เคมี รปู แสดงการสลายตวั ของแคลเซยี มคารบ์ อเนตในช่วงต่างๆแต่มอี ุณหภูมเิ ดยี วกนั และวดั ความ ดนั ของแก๊สคารบ์ อนไดออกไซดท์ เ่ี กดิ ขน้ึ พบวา่ ทส่ี มดุลความดนั มคี ่าคงทท่ี งั้ ในภาพ a และ b (McMURRY, Chemistry 4th edition) 5. ประโยชน์ของค่าคงทีส่ มดลุ ค่าคงท่ีสมดุลบอกให้ทราบทิศทางการเกิดปฏิกิรยิ า การดาเนินไปของปฏิกิริยาว่า เกดิ ปฏกิ ริ ยิ าไดม้ ากน้อยเท่าใด และสามารถใชค้ านวณความเขม้ ขน้ ของสารตงั้ ต้นและผลติ ภณั ฑ์ ทภ่ี าวะสมดุลไดด้ ว้ ย 5.1 ใช้ทานายว่าปฏิกิริยาเกิดมากน้อยเพียงใด ตวั อย่างเชน่ ปฏกิ ริ ยิ า มคี า่ คงทส่ี มดลุ ทอ่ี ุณหภมู ิ 500C เป็น จะเหน็ ได้ว่าค่าคงท่สี มดุลของปฏกิ ริ ยิ าน้ีมคี ่าสูงมาก นัน่ คอื ท่ภี าวะสมดุลมผี ลติ ภณั ฑ์ เกดิ ขน้ึ มากและเหลอื สารตงั้ ตน้ อยนู่ ้อย แสดงว่าปฏกิ ริ ยิ าดาเนินไปขา้ งหน้ากลายเป็นผลติ ภณั ฑ์ ไดเ้ กอื บหมด ในทางตรงกนั ขา้ ม เชน่ ปฏกิ ริ ยิ ายอ้ นกลบั ของการสลายตวั ของน้า มคี ่าคงทส่ี มดุลทอ่ี ุณหภมู ิ 500C เป็น จะเหน็ ไดว้ ่าค่าคงทส่ี มดุลของปฏกิ ริ ยิ าน้ีมคี ่าน้อยมาก นัน่ คอื ทภ่ี าวะสมดุลมผี ลติ ภณั ฑ์ เกิดข้นึ น้อยมากและเหลือสารตงั้ ต้นอยู่มาก แสดงว่าปฏกิ ิรยิ าดาเนินไปข้างหน้ากลายเป็น ผลติ ภณั ฑไ์ ดน้ ้อย สาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า 16

สมดลุ เคมี แต่จากตัวอย่างข้างต้นจะเห็นได้ว่า ค่าคงท่สี มดุลท่กี าหนดให้มคี ่าค่อนข้างชดั เจน สามารถพจิ ารณาไดง้ า่ ย แต่สาหรบั บางปฏกิ ริ ยิ าทค่ี ่าคงทส่ี มดุลไมม่ คี ่าทช่ี ดั เจนมาก มหี ลกั เกณฑพ์ จิ ารณาดงั น้ี (McMURRY, Chemistry 4th edition) 1) ถา้ Kc >103 ถา้ เกดิ ผลติ ภณั ฑม์ ากกวา่ สารตงั้ ตน้ ปฏกิ ริ ยิ าจะดาเนินไปขา้ งหน้าไดม้ าก 2) ถา้ Kc <10-3 เกดิ ผลติ ภณั ฑน์ ้อยกว่าสารตงั้ ตน้ ปฏกิ ริ ยิ าจะดาเนินไปขา้ งหน้าไดน้ ้อย 3) ถา้ 10-3 < Kc <103 ความเขม้ ขน้ ของผลติ ภณั ฑก์ บั สารตงั้ ตน้ มคี ่าใกลเ้ คยี งกนั 5.2 ใช้ทานายทิศทางของปฏิกิริยา ถ้าในปฏิกิรยิ าท่ีเราพิจารณาไม่ได้อยู่ในภาวะสมดุลแต่ต้องการทานายว่าปฏิกิรยิ า เกดิ ขน้ึ ในทศิ ทางใด มแี นวโน้มเป็นเช่นไร จะพจิ ารณาจากค่า Reaction quotient (Qc) ซง่ึ ค่าคงท่สี มดุล Qc หาได้จาก “ค่าท่ไี ด้จากผลคูณความเข้มข้นของผลติ ภณั ฑ์ยกกาลงั ด้วย สมั ประสทิ ธแิ ์ สดงจานวนโมลของสารในสมการทด่ี ุลแลว้ หารด้วยผลคูณความเขม้ ขน้ ของตวั ทา ปฏกิ ริ ยิ ายกกาลงั ดว้ ยสมั ประสทิ ธแิ ์ สดงจานวนโมล ของสารในสมการทด่ี ลุ แลว้ ” ตวั อยา่ ง จากปฏกิ ริ ยิ าทอ่ี ุณภมู 7ิ 00 K H2(g)  I2(g) 2HI(g), Kc  57.0 กาหนดให้ ความเขม้ ขน้ ของสารต่างๆเป็นดงั น้ี แทนคา่ จะเหน็ ไดว้ ่าค่า Qc น้อยกว่าค่า Kc แสดงว่าปฏกิ ริ ยิ าน้ียงั ไมถ่ งึ สมดุล ดงั นนั้ ปฏกิ ริ ยิ าน้ี จะเกดิ ขน้ึ ในทศิ ทางทจ่ี ะตอ้ งเพม่ิ ค่า Qc ใหเ้ ขา้ ใกลค้ ่า Kc นนั่ คอื ปฏกิ ริ ยิ าจะต้องเกดิ ในทศิ ทาง จากซ้ายไปขวาเพ่อื ให้เข้าสู่ภาวะสมดุล ดงั นัน้ สามารถทานายทศิ ทางของปฏกิ ิรยิ าได้จาก ความสมั พนั ธร์ ะหว่าง Qc และ Kc ดงั ต่อไปน้ี ถา้ Qc < Kc จะเกดิ ปฏกิ ริ ยิ าไปขา้ งหน้า (จากซา้ ยไปขวา) ถา้ Qc > Kc จะกดิ ปฏกิ ริ ยิ ายอ้ นกลบั (จากขวาไปซา้ ย) ถา้ Qc = Kc จะไมเ่ กดิ ปฏกิ ริ ยิ าเน่อื งจากระบบอย่ทู ร่ี ะบบภาวะสมดลุ สาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า 17

สมดลุ เคมี สามารถแสดงไดด้ งั แผนภาพต่อไปน้ี (McMURRY, Chemistry 4th edition) 6. หลกั ของเลอชาเตอริเอ (Le Chatelier’s principle) “If system at equilibrium is disturbed by changing its conditions (applying a stress), the system shifts in the direction that reduces the stress. If given sufficient time, a new state of equilibrium is established.” หรอื มใี จความดงั น้ี “เม่อื ระบบท่อี ย่ใู นภาวะสมดุลถูกรบกวนโดยการเปลย่ี นแปลงปจั จยั ท่มี ผี ล ต่อภาวะสมดุลของระบบ ระบบจะเกิดการเปล่ยี นแปลงไปในทศิ ทางท่จี ะลดผลรบกวน นัน้ เพ่อื ใหร้ ะบบเขา้ สภู่ าวะสมดุลใหมอ่ กี ครงั้ หน่งึ ” หลกั ของเลอชาเตอรเิ อ สามารถใหอ้ ธบิ ายการเปลย่ี นภาวะสมดลุ เมอ่ื ระบบถูก รบกวนโดยปจั จยั ทม่ี ผี ลต่อภาวะสมดุล ทาใหท้ ราบว่าเมอ่ื ระบบถกู รบกวนระบบจะเปลย่ี นแปลง ไปในทศิ ทางใด (ไปขา้ งหน้า หรอื ยอ้ นกลบั ) และทส่ี มดุลใหมป่ รมิ าณสารแต่ละชนิดเป็นอยา่ งไร เมอ่ื เทยี บกบั ภาวะสมดลุ เดมิ ปัจจยั (Factor) ท่ีสามารถเปลี่ยนภาวะสมดลุ ได้ ไดแ้ ก่ 1) ความเข้มข้น 2) ความดนั 3) อณุ หภมู ิ 1) ความเข้มข้นกบั การเปล่ียนภาวะสมดุล จะส่งผลให้สมดุลเกดิ การเปลย่ี นแปลง แลว้ เกดิ สมดลุ ใหมเ่ กดิ ขน้ึ เช่น ปฏกิ ริ ยิ าระหว่าง Fe(NO3)3 กบั สารละลาย NH4SCN เมอ่ื อย่ใู นระบบสมดุลเขยี น สมการไดด้ งั น้ี Fe3+(aq) + SCN-(aq) FeSCN2+(aq) สเี หลอื งอ่อน ไมม่ สี ี สแี ดง สาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า 18

สมดลุ เคมี เมอ่ื เตมิ สารละลาย Fe(NO3)3 ลงไปในระบบทส่ี มดุลแลว้ ความเขม้ ขน้ ของ Fe3+ ในระบบ เพม่ิ ขน้ึ จะพบว่าสารละลายผสมมสี แี ดงเขม้ ขน้ึ และในท่สี ุดสคี งทอี กี ครงั้ แสดงว่าระบบปรบั ตวั โดยลดความเขม้ ขน้ ของ Fe3+ โดยการเปลย่ี นไปเป็น FeSCN2+ ให้มากขน้ึ และ เขา้ สู่สมดุลอกี ครงั้ เมอ่ื เตมิ สารละลาย NH4SCN จะทาใหค้ วามเขม้ ขน้ ของ SCN- ไอออนในระบบเพมิ่ ขน้ึ สารละลายผสมจะมสี แี ดงเขม้ ขน้ึ แสดงว่ามี FeSCN2+ เพม่ิ ขน้ึ ไอออนเกดิ เพม่ิ ขน้ึ ต่อมาสจี ะคงท่ี แสดงวา่ ระบบเขา้ สสู่ มดุลอกี ครงั้ 2) ความดนั กบั การเปล่ียนภาวะสมดลุ จะมผี ลเฉพาะก๊าซหรอื ไอเท่านนั้ ระบบจะเขา้ สู่สมดุลเม่อื ถูกรบกวนตามหลกั ของเลอชาเตอลเิ อ โดยอาศยั กฎของบอยล์ (Boyle’s law): V 1 และกฎของอาโวกาโดร: V  n P ถ้ารบกวนสภาวะสมดุลโดยการเพมิ่ ความดนั ของระบบ ระบบจะปรบั ตวั ไปในทางท่จี ะ ลดความดนั ของตวั เอง โดยการลดจานวนโมลของแก๊ส คอื เกดิ ปฏกิ ริ ยิ าจากดา้ นทม่ี แี ก๊สมากไป ยงั ดา้ นทม่ี แี ก๊สน้อย แลว้ เขา้ ส่สู มดลุ ใหม่ แต่ถ้ารบกวนภาวะสมดุลโดยการลดความดนั ของระบบ ระบบจะปรบั ตวั ไปในทางท่จี ะ เพมิ่ ความดนั ของตวั เอง โดยการเพม่ิ จานวนโมลของแก๊ส คอื เกดิ ปฏกิ ริ ยิ าจากดา้ นทม่ี แี ก๊สน้อย ไปยงั ดา้ นทม่ี แี ก๊สมาก แลว้ เขา้ ส่ภู าวะสมดุลใหม่ ถา้ เพม่ิ ความดนั สมดลุ จะเลอ่ื นไปทางโมลน้อย และ ถา้ ลดความดนั สมดุลจะเล่อื นไปทาง โมลมาก แต่ถ้าจานวนโมลเท่ากนั เม่อื เปลย่ี นความดนั ระบบจะเขา้ ส่ภู าวะสมดุลใหม่โดยไม่มกี าร ปรบั ตวั เชน่ 2SO2(g) + O2(g) 2SO3(g) 3 mol 2 mol ถ้าเพิ่มความดนั ระบบจะปรบั ตวั เขา้ สู่สมดลุ โดยเล่ือนไปทางโมลน้อย นนั้ คอื เล่อื น จากซา้ ยไปขวา ถ้าลดความดนั ระบบจะปรบั ตวั เข้าสู่สมดลุ โดยเล่ือนไปทางโมลมาก นัน้ คอื เล่อื น จากขวาไปซา้ ย 3) อุณหภูมิกบั การเปลี่ยนภาวะสมดุล อุณหภูมิมีผลต่อสมดุลเคมีว่าดาเนินไป ขา้ งหน้าหรอื ย้อนกลบั ต้องพจิ ารณาก่อนว่าปฏกิ ิรยิ าเคมนี ัน้ เป็นดูดหรอื คายความร้อน หาก ปฏกิ ริ ยิ าเป็นปฏกิ ริ ยิ าดดู ความรอ้ น เมอ่ื เพมิ่ อุณหภมู จิ ะส่งผลใหร้ ะบบดาเนินไปขา้ งหน้ามากขน้ึ แต่หากลดอุณหภมู จิ ะส่งผลใหป้ ฏกิ ริ ยิ าเกดิ ยอ้ นกลบั ในทางกลบั กนั หากเป็นปฏกิ ริ ยิ าคายความ รอ้ นหากลดอุณหภมู จิ ะส่งผลใหป้ ฏกิ ริ ยิ าดาเนินไปขา้ งหน้า แต่เม่อื เพมิ่ อุณหภมู ปิ ฏกิ ริ ยิ าจะเกดิ ยอ้ นกลบั สาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า 19

สมดลุ เคมี ตารางพจิ ารณาปฏกิ ริ ยิ าว่าดดู หรอื คายความรอ้ น ปฏกิ ริ ยิ าดดู ความรอ้ น (Endothermic reaction) ปฏกิ ริ ยิ าคายความรอ้ น (Exothermic reaction) A + B + 100 kJ C+D A + B - 100 kJ C+D A + B C + D - 100 kJ A + B C + D + 100 kJ A + B C + D H เป็นบวก A + B C + D H เป็นลบ A + B C + D - heat A + B C + D + heat A + B + heat C+D A + B - heat C+D A C+D A+B C ตารางสรปุ ผลของการเปลย่ี นอุณหภมู ติ ่อภาวะสมดุล ชนดิ ของ การเปลย่ี น ทศิ ทางของการ ความเขม้ ขน้ ความเขม้ ขน้ ของ ปฏกิ ริ ยิ า อุณหภมู ิ เกดิ ปฏกิ ริ ยิ า ของสารตงั้ ตน้ สารผลติ ภณั ฑ์ ปฏกิ ริ ยิ าดดู เพมิ่ อุณหภมู ิ ความรอ้ น  ขวา ลดลง เพม่ิ ขน้ึ ลดอุณหภมู ิ ปฏกิ ริ ยิ าคาย เพมิ่ อุณหภูมิ ความรอ้ น ลดอุณหภมู ิ ค่าคงท่ีสมดลุ เมื่อเปล่ียนอณุ หภมู ิ - สมการวนั ตโ์ ฮฟฟ์ ดงั ท่กี ล่าวมาแล้วว่าค่าคงทส่ี มดุลของปฏกิ ริ ยิ าหน่ึงๆ จะมคี ่าคงท่ที อ่ี ุณหภูมคิ งท่ี เม่อื อุณหภมู เิ ปลย่ี นไป ค่า K ของปฏกิ ริ ยิ านนั้ จะเปลย่ี นไปดว้ ย เราสามารถหาค่า K ของปฏกิ ริ ยิ า ต่างๆ เมอ่ื อุณหภมู เิ ปลย่ี นไปได้ ถา้ ทราบการเปลย่ี นแปลงเอนทลั ปี (H๐) ของปฏกิ ริ ยิ านนั้ โดย ใชส้ มการวนั ตโ์ ฮฟฟ์ (Vant Hoff equation) ln K 2  ΔHο (T2  T1) K1 RT1T2 เมอ่ื K2 และ K1 คอื ค่าคงทส่ี มดุล ทอ่ี ุณหภูมิ T2 และ T1 ตามลาดบั H๐ คอื การเปลย่ี นแปลงเอนทลั ปีของปฏกิ รยิ า R คอื คา่ คงทข่ี องแก๊ส (มกั ใช้ 8.314 JK-1mol-1 ตามหน่วย H๐) จะเหน็ ว่าสมการวนั ต์โฮฟฟ์ใชห้ าค่า K2 ไดเ้ ม่อื ทราบ K1,T2 ,T1 และH๐ นอกจากนัน้ ยงั ใชห้ าค่า H๐ ถา้ ทราบ K1,T2 ,T1 และ T2 ซง่ึ เป็นการนาค่าคงทส่ี มดุลไปหาค่าทางอุณหพล ศาสตร์ สาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า 20

สมดลุ เคมี 7. การใช้หลกั ของเลอชาเตอริเอ 7.1 ในการอตุ สาหกรรม ในการผลติ ทางดา้ นอุตสาหกรรมผลู้ งทุนจะตอ้ งทาการผลติ และเลอื กใชว้ ธิ ผี ลติ ในการ เปลย่ี นวตั ถุดบิ เพอ่ื ใหไ้ ดผ้ ลติ ภณั ฑม์ ากทส่ี ดุ ตวั อยา่ งเช่น การผลติ ก๊าซแอมโมเนียมปี ฏกิ ริ ยิ า ดงั น้ี N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) + 92 kJ รปู แสดงปรมิ าณของแอมโมเนยี ในก๊าซผสม รปู ก. แสดงความสมั พนั ธร์ ะหวา่ งจานวนโมลของ แอมโมเนียกบั ความดนั รปู ข. แสดงความสมั พนั ธร์ ะหวา่ งจานวนโมลของแอมโมเนียกบั อุณหภมู ิ (http://www.lks.ac.th/student/kroo_su/chem18/7.5.htm) จากปฏกิ ริ ยิ าถา้ อาศยั หลกั ของเลอชาเตอลเิ อเพ่อื ใหไ้ ดก้ า๊ ซมาก ๆ ทาไดด้ งั น้ี 1) ลดอุณหภมู ิ 2) เพม่ิ ความดนั 3) เพมิ่ ความเขม้ ขน้ ของสารตงั้ ตน้ และลดความเขม้ ขน้ ของสารใหม่ แต่ในทางปฏบิ ตั จิ ะใชห้ ลกั ของเลอชาเตอรเิ อ เพยี งอยา่ งเดยี วไมไ่ ดใ้ นทางอุตสาหกรรม จะตอ้ งคานึงถงึ เวลาและเงนิ ทนุ ดว้ ย จากการทดลองพบวา่ ภาวะทพ่ี อเหมาะคอื อุณหภมู ทิ เ่ี หมาะสมประมาณ 500๐C และใช้ ตวั เรง่ ปฏกิ ริ ยิ าดว้ ย ซง่ึ ตวั เรง่ ปฏกิ ริ ยิ าทเ่ี หมาะสมคอื เหลก็ สาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า 21

สมดลุ เคมี แผนภาพแสดงกระบวนการผลติ แก๊สแอมโมเนยี ในโรงงานอุตสาหกรรม (McMURRY, Chemistry 4th edition) ปฏิกิริยาการเติม N2 (McMURRY, Chemistry 4th edition) ปฏิกิริยาการเติม H2 และการดึง NH3 สาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า 22

สมดลุ เคมี กระบวนการเตรียมก๊าซแอมโมเนีย ในทางอุตสาหกรรมดังท่ีกล่าวมาแล้วเป็น กระบวนการทน่ี ักเคมชี าวเยอรมนั ช่อื ฟรติ ซ์ ฮาเบอร์ เป็นผูค้ ้นคว้า จงึ เรยี กกระบวนการน้ีว่า กระบวนการฮาเบอร์ (The Haber Process) 7.2 ในสิ่งมีชีวิต เช่นในกระบวนการหายใจและแลกเปลย่ี นก๊าซในระบบหมนุ เวยี นเลอื ด ออกซเิ จน (O2) จะถูกลาเลยี งไปยงั ส่วนต่างๆของรา่ งกายโดยรวมไปกบั โมเลกุลของฮโี มโกลบนิ (Hb) ซ่งึ เป็น โปรตนี ในเมด็ เลอื ดแดง เรยี กวา่ ออกซฮี โี มโกลบนิ แสดงดงั สมการ Hb + O2 HbO2 ฮโี มโกลบนิ ออกซฮี โี มโกลบนิ จากการศกึ ษาพบว่าในเลอื ดของคนทอ่ี าศยั อย่ใู นพน้ื ทท่ี ่อี ย่สู ูงกว่าระดบั น้าทะเลมากๆ จะมคี วามเขม้ ขน้ ของฮโี มโกลบนิ สงู เป็นเพราะ................................................................... ............................................................................................................................................... จะทาใหเ้ กดิ โรค ไฮพอกเซยี (hypoxia) เกดิ เน่ืองจากทม่ี อี อกซเิ จนไปเลย้ี งเน้ือเยอ่ื ของ รา่ งกายไมพ่ อ ทาใหม้ อี าการปวดศรี ษะ คล่นื ไส้ และอ่อนเพลยี ในรายทเ่ี ป็นรนุ แรงอาจถงึ ตายได้ 8. สมดลุ ของการละลาย (Solubility equilibrium) สมดุลของการละลายเป็นอีกประเภทหน่ึงของสมดุลเคมซี ่ึงเป็นความสมั พนั ธ์ของ ของแขง็ และสถานะของของแขง็ นนั้ ทเ่ี กดิ การละลาย (ในน้า) จนมสี ภาพอมิ่ ตวั ในหวั ขอ้ น้ีสนใจท่ี ศกึ ษาการละลายหรอื ตกตะกอนของสารท่ลี ะลายน้าได้น้อย เน่ืองมาจาก ในกระบวนการทาง ชวี ภาพหรอื สง่ิ แวดลอ้ มเกย่ี วขอ้ งกบั สารประกอบทเ่ี กดิ การละลายน้าไดน้ ้อย เช่น กระดกู และฟนั ส่วนใหญ่ประกอบดว้ ยสารแคลเซยี มฟอสเฟต (Ca3(PO4)) ซง่ึ เป็นสารประกอบทล่ี ะลายไดน้ ้อย นิ่วในไตเกดิ จากแคลเซยี มออกซาเลต (CaC2O4) ท่ลี ะลายไดป้ านกลาง ตกตะกอนอย่างชา้ ๆ เป็นตน้ สภาพการละลาย (Solubility) ของสาร หมายถงึ ความสามารถของสารทจ่ี ะละลายในสารอ่นื จนเป็นสารละลายอม่ิ ตวั รปู แสดงการละลายน้าของซลิ เวอรค์ ลอไรด์ รปู แสดงนิ่วในไต (McMURRY, Chemistry 4th edition) สาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า 23

สมดลุ เคมี ตวั อย่าง ภาวะสารละลายอม่ิ ตวั ของเกลอื AgCl Ag+ (aq) + Cl- (aq) เขยี นสมการไดเ้ ป็น AgCl (s) เราทราบมาจากการศึกษาเน้ือหาในบทน้ีแล้วว่า เม่ือถึงภาวะสมดุลอัตราการ เกดิ ปฏกิ ริ ยิ าไปขา้ งหน้า เท่ากบั อตั ราการเกดิ ปฏกิ ริ ยิ ายอ้ นกลบั ในกรณีน้ีหมายถงึ เม่อื ถงึ ภาวะ สมดุล หรอื ในภาวะทส่ี ารละลายอม่ิ ตวั แลว้ อตั ราการละลายจะเท่ากบั อตั ราการตกผลกึ ทภ่ี าวะน้ี ระบบไม่ได้หยุดอยู่นิ่ง ยงั คงมกี ารเปล่ยี นแปลงอยู่ท่เี รยี กว่าเป็นภาวะไดนามกิ นัน่ เอง ส่วนท่ี ละลายน้าไดจ้ ะอยใู่ นรปู ของไอออนบวกและไอออนลบในสารละลาย (Ag+ and Cl- ion) และจาก การศกึ ษาเรอ่ื งการแสดงคา่ คงทส่ี มดุลในปฏกิ ริ ยิ าววิ ธิ พนั ธุ์ จะเขยี นค่าคงทส่ี มดุลของปฏกิ ริ ยิ าน้ี ไดว้ า่ KSP  [Ag ][Cl ] ค่า K ในกรณีน้ีจะเขยี นว่า Ksp (Solubility product constant) และ ความสามารถในการละลายจะเขยี นในรปู ของความเขม้ ขน้ ของไอออนในหน่วยความเขม้ ขน้ เป็น โมลต่อลิตร ยกกาลังด้วยเลขสมั ประสิทธิจ์ านวนโมลของแต่ละไอออนในสมการแสดงการ เกดิ ปฏกิ ริ ยิ าทด่ี ลุ แลว้ ตวั อย่าง 2Ag+ (aq) + CO32- Ksp = [Ag+]2[CO32-] Ag2CO3 Ca2+ (aq) + 2F-(aq) Ksp = [Ca2+] [F-]2 Ag2CO3(s) CaF2 CaF2 (s) เมอ่ื วดั ความเขม้ ขน้ ของ Ca2+ พบว่า [Ca2+] = 3.3 x 10-4 M ดงั นนั้ [F-] = 6.7 x 10-4 M ดว้ ย ดงั นนั้ Ksp = [Ca2+] [F-]2 = (3.3 x 10-4) (6.7 x 10-4)2 = 1.5 x 10-10 ในทางตรงกนั ขา้ ม ทาการผสม CaCl2 และ NaF เขม้ ขน้ 1.5 x 10-4 M และ 1.0 x 10-3 M ตามลาดบั พบวา่ เกดิ ตะกอนเกดิ ขน้ึ และสารละลายเป็นสารละลายอม่ิ ตวั ของ CaF2 ดงั นนั้ Ksp = [Ca2+] [F-]2 = (1.5 x 10-4) (1.0 x 10-3)2 = 1.5 x 10-10 รปู แสดงสารละลายอม่ิ ตวั ของ CaF2 (McMURRY, Chemistry 4th edition) สาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า 24

สมดลุ เคมี จากสองกรณีขา้ งต้นจะเหน็ ว่า ค่า Ksp ไมม่ ผี ลกระทบจากไอออนโซเดยี ม หรอื คลอไรด์ ในกรณที ส่ี ารละลายเจอื จางมากๆ เราจะเขยี นค่า Ksp ของสมการทวั่ ไปไดว้ า่ Ax By (s) x Aa+ (aq) + y Bb- (aq) Ksp = [Aa+]x [Bb-]y ค่า Ksp จะทาใหเ้ ราทราบถงึ ความสามารถในการละลายของสารประกอบ ว่าละลายได้ เท่าใดแคไ่ หนทอ่ี ุณหภมู คิ งท่ี (25 C) เปรยี บเทยี บการละลายน้าของสารประกอบต่าง ๆ ว่าสาร ใดละลายน้าไดด้ มี ากกว่ากนั โดยปกตสิ ารทม่ี คี ่า Ksp มากจะละลายน้าไดด้ กี ว่าสารทม่ี คี ่า Ksp น้อย ในบางกรณกี ารละลายของสารประกอบเกดิ ไอออนมากกวา่ สองไอออน เช่น MgNH4PO4 (s) Mg2+ (aq) + NH4+(aq) + PO43-(aq) Ksp = [Mg2+] [NH4+] [PO43-] = 2.5 x 10-12 โดยทวั่ ไปแบ่งเกลอื ออกเป็น 3 ประเภทตามสภาพการละลายไดใ้ นน้าทอ่ี ุณหภมู หิ อ้ ง ดงั น้ี 1) เกลอื ทล่ี ะลายน้าได้ (soluble salt) เป็นเกลอื ทล่ี ะลายในน้า แลว้ ความเขม้ ขน้ มากกว่า 0.1 M 2) เกลอื ทล่ี ะลายไม่ละลายน้า (insoluble salt) เป็นเกลอื ทล่ี ะลายในน้า แลว้ ความเขม้ ขน้ น้อยกว่า 0.001 M 3) เกลอื ท่ลี ะลายน้าไดน้ ้อย (slightly soluble salt) เป็นเกลอื ทล่ี ะลายในน้า แลว้ ความ เขม้ ขน้ 0.001-0.1 M ตาราง แสดงคา่ Ksp ของสารประกอบต่างๆ ทอ่ี ุณหภมู ิ 25oC (McMURRY, Chemistry 4th edition) หน้า 25 สาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน)

สมดลุ เคมี ตวั อย่างการคานวณเก่ียวกบั ค่า Ksp ตวั อย่าง การละลายของซลิ เวอรซ์ ลั เฟต Ag2SO4 ละลายได้ 1.5 x 10-2 โมลต่อลติ ร ทอ่ี ุณหภูมิ 25 C จงคานวณหาค่า Ksp ของซลิ เวอรซ์ ลั เฟต วธิ ที า เขยี นสมการการเกดิ ปฏกิ ริ ยิ า 2 Ag+ (aq) + SO42- (aq) Ag2SO4 (s) จากสมการจะเหน็ ไดว้ ่า 1 โมลของ Ag2SO4 จะให้ Ag+ 2 โมล และ SO42- 1 โมล ใน สารละลาย ดงั นนั้ ถา้ Ag2SO4 1.5x10-2 โมล ละลายเป็น 1.0 ลติ ร จะมคี วามเขม้ ขน้ ของแต่ละ ไอออนเป็น [Ag+] = 2 (1.5 x 10-2 ) = 3.0 x 10-2 โมลต่อลติ ร [SO42-] = 1.5 x 10-2 โมลต่อลติ ร ดงั นนั้ จงึ หาคา่ Ksp ไดว้ ่า [Ag+]2 [ SO42-] Ksp = (3.0 x 10-2)2 (1.5 x 10-2) = = 1.4 x 10-5 ตวั อย่าง Cu(OH)2 มคี ่า Ksp เท่ากบั 2.2 x 10-20 เมอ่ื ให้ Cu(OH)2 ละลายในน้า จะ ละลายไดก้ ก่ี รมั ทอ่ี ุณหภมู ิ 25 C วธิ ที า เขยี นสมการการเกดิ ปฏกิ ริ ยิ า Cu2+ (aq) + 2 OH- (aq) Cu (OH)2 (s) 00 โมลเรมิ่ ตน้ โมลทเ่ี ปลย่ี น +a +a โมลทภ่ี าวะสมดลุ = a a Ksp = [Cu2+] [ OH-]2 5.50 x 10-21 = ( a ) ( 2a )2 2.20 x 10-20 = (2.20 x 10-20) / 4 = a3 = 5.50 x 10-21 a3 1.8 x 10-7 mol / dm3 a เราทราบน้าหนกั โมเลกุลของ Cu (OH)2 เท่ากบั 97.57 g/mol ดงั นนั้ Cu (OH)2 จะละลายได้  1.8x 10 7 mol Cu (OH) 2 x 97.57 g Cu (OH) 2 1 L sol n 1mol Cu (OH) 2 สาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า 26

สมดลุ เคมี = 1.8 x 10-5 g/L ตาราง แสดงการละลายน้าของสารประกอบต่างๆ สารประกอบทล่ี ะลายน้าได้ สารประกอบทไ่ี มล่ ะลายน้า (soluble salt) (insoluble salt) • เกลอื ของ Na+, K+, NH4+ • เกลอื ซลั ไฟด์ (S2-) ยกเวน้ เกลอื ของ • เกลอื ไนเตรต (NO3-) Na+, K+, NH4+, Mg2+, Ca2+, Sr2+, • เกลอื ของ Cl-, Br-, I- ยกเวน้ เกลอื Ba2+ ของ Pb+, Hg2+, Ag+, Cu+ • ออกไซด์ (O2-) ยกเวน้ Na2O, K2O, • เกลอื ซลั เฟต (SO42-) ยกเวน้ SrO, BaO ละลายน้าได้ CaO ละลาย น้าไดน้ ้อย BaSO4, SrSO4, PbSO4 ไมล่ ะลาย น้า และ Ag2SO4, CaSO4, Hg2SO4 • ไฮดรอกไซด์ (OH-) ยกเวน้ NaOH, ละลายน้าไดน้ ้อย KOH, Sr(OH)2, Ba(OH)2 ละลายน้า ได้ Ca(OH)2 ละลายน้าไดน้ ้อย • เกลอื โครเมต (CrO42-) ยกเวน้ เกลอื ของ Na+, K+, NH4+, Mg2+ • เกลอื ฟอสเฟต (PO43-) และ คารบ์ อเนต (CO32-) ยกเวน้ เกลอื ของ Na+, K+, NH4+ การพิจารณาการตกตะกอนของสารประกอบ เราสามารถพจิ ารณาสภาวะของสารนัน้ ๆ ว่าขณะนัน้ เป็นสารละลายอิ่มตวั หรอื ยงั สามารถละลายไดอ้ กี หรอื สารละลายนัน้ จะตกตะกอนเมอ่ื ใด เราจะใช้ reaction quotient (Q) ซง่ึ Q แทนค่าผลคณู ของการละลายทส่ี ภาวะต่างๆ เปรยี บเทยี บกบั Ksp ถา้ Qsp  Ksp Unsaturated solution Qsp = Ksp Saturated solution Qsp  Ksp Supersaturated solution; Compound will precipitate out until the product of the ionic concentrations is equal to Ksp สาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า 27

สมดลุ เคมี ตวั อย่าง ผสมสารละลาย Na2SO4 0.00075 M ปรมิ าณ 100 ml กบั สารละลาย BaCl2 0.015 M ปรมิ าณ 50 ml อยากทราบว่าจะมตี ะกอนเกดิ ขน้ึ หรอื ไม่? กาหนด Ksp (BaSO4) ท่ี 25oC เท่ากบั 1.1 x 10-10 วธิ ที า เขยี นสมการการเกดิ ปฏกิ ริ ยิ า และหาความเขม้ ขน้ ของแต่ละสารละลาย 2Na+ (aq) + SO42- (aq) Na2SO4 (s) 0.00050 M 0.0010 M 0.00050 M BaCl2 (s) Ba2+ (aq) + 2Cl- (aq) 0.0050 M 0.0050 M 0.010 M จะเหน็ ไดว้ ่า ไอออนต่างๆ ในระบบสามารถรวมตวั กนั ไดเ้ ป็น NaCl และ BaSO4 ซง่ึ NaCl สามารถละลายน้าได้ และ BaSO4 ละลายน้าไดน้ ้อย ดงั นนั้ Qsp = [Ba2+] [SO42-] = (5.0 x 10-3)(5.0 x 10-4) = 2.5 x 10-6 Qsp > Ksp ดงั นนั้ BaSO4 จะตกตะกอนออกมา ปัจจยั ที่มีผลต่อค่าการละลาย 1. ผลของไอออนร่วม (The common ion effect) เม่อื เกลอื ทล่ี ะลายได้น้อย ละลายอย่ใู นสารละลายทม่ี ไี ออนทเ่ี หมอื นกนั อย่างน้อยหน่ึง ไอออน (ไอออนรว่ ม) จะทาใหเ้ กลอื นนั้ ละลายไดน้ ้อยลง ตามหลกั ของเลอชาเตอลเิ อร์ เชน่ สภาพการละลายไดข้ อง MgF2 ในน้าบรสิ ุทธิ ์ท่ี 25oC เท่ากบั 2.6 x 10-4 M ดงั นนั้ Ksp = [Mg2+] [F-]2 = 7.0 x 10-11 เมอ่ื นา MgF2 มาละลายใน NaF เขม้ ขน้ 0.10 M ท่ี 25oC MgF2 (s) Mg2+ (aq) + 2 F- (aq) เรมิ่ ตน้ 0 0.10 M โมลทเ่ี ปลย่ี น โมลทภ่ี าวะสมดุล + a + 2a a 0.10 + 2a Ksp = [Mg2+] [F-]2 = (a) (0.10 + 2a)2 7.0 x 10-11 = (a) (0.10 + 2a)2 ค่า Ksp น้อยมากๆๆ ดงั นนั้ (0.10 + 2a) ~ 0.10 M ดงั นนั้ 7.0 x 10-11 = (a) (0.10)2 a = 7.0 x 10-9 M จะเหน็ ไดว้ า่ MgF2 ในสารละลาย NaF น้อยกวา่ ละลายในน้าบรสิ ุทธิ ์ประมาณ 37000 เท่า สาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า 28

สมดลุ เคมี ดงั นัน้ เกลอื ท่ลี ะลายไดน้ ้อย ละลายอยู่ในสารละลายทม่ี ไี อออนร่วม จะทาใหเ้ กลอื นัน้ ละลายไดน้ ้อยลง ดงั แสดงในกราฟดา้ นล่าง กราฟ แสดงผลของไอออนร่วมทม่ี ผี ลต่อการละลายของ MgF2 ท่ี 25oC (McMURRY, Chemistry 4th edition) 2. ผลของ pH ของสารละลาย (The pH of the solution) สารประกอบไอออนิกท่มี ไี อออนลบท่มี สี มบตั เิ ป็นเบสจะสามารถละลายได้มากขน้ึ ใน สารละลายทเ่ี ป็นกรดมากขน้ึ เช่น CaCO3 จะละลายไดม้ ากขน้ึ เม่อื pH ต่าลง แสดงดงั กราฟ ดา้ นลา่ ง เป็นเพราะวา่ CO32- สามารถทาปฏกิ ริ ยิ ากบั โปรตอน (H3O+) ของสารละลายกรด ทาให้ ปรมิ าณของ CO32- ลดลง หลงั จากนนั้ ระบบกจ็ ะปรบั ใหเ้ กดิ สมดุลใหม่ เกดิ การเล่อื นสมดุลมา ดา้ นขวาคอื เพม่ิ ปรมิ าณของไอออนของผลติ ภณั ฑม์ ากขน้ึ นนั่ คอื CaCO3 จะละลายมากขน้ึ ดงั สมการ Ca2+ (aq) + CO32-(aq) HCO3- (aq) + H2O (l) CaCO3 (s) CO32- (aq) + H3O+ (aq) ปฏกิ ริ ยิ าสุทธ:ิ CaCO3 (s) + H3O+ (aq) Ca2+ (aq) + HCO3- (aq) + H2O (l) กราฟ แสดงคา่ การละลายของ CaCO3 ท่ี 25oC หน้า 29 (McMURRY, Chemistry 4th edition) สาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน)

สมดลุ เคมี 3. ผลของการเกิดสารเชิงซ้อน (Formation of Complex Ions) สารประกอบไอออนิกจะสามารถละลายไดม้ ากขน้ึ ในสารละลายทม่ี ลี วิ อสิ เบสทส่ี ามารถ สร้างพนั ธะโคออร์ดเิ นตโควาเลนท์ได้กบั โลหะไอออนบวกได้ ซ่งึ ไอออนเชิงซ้อน (Complex ion) คอื ไอออนทม่ี โี ลหะไอออนบวกสรา้ งพนั ธะกบั โมเลกุล หรอื ไอออนเลก็ ๆ (NH3, CN-, OH-) เช่น AgCl ละลายไดใ้ นน้าไดน้ ้อยและไม่ละลายในกรด แต่จะละลายไดใ้ นสารละลายแอมโมเนีย มากเกนิ พอ เน่ืองจาก Ag+ ทาปฏกิ ริ ยิ ากบั NH3 ไดก้ ลายเป็นไอออนเชงิ ซอ้ นเกดิ ขน้ึ หลงั จาก นนั้ ระบบกจ็ ะปรบั ใหเ้ กดิ สมดุลใหม่ เกดิ การเล่อื นสมดุลมาดา้ นขวาคอื เพมิ่ ปรมิ าณของไอออน ของผลติ ภณั ฑม์ ากขน้ึ นนั่ คอื AgCl จะละลายมากขน้ึ ดงั สมการ AgCl (s) Ag+ (aq) + Cl-(aq) Ag+ (aq) + 2NH3 (aq) Ag(NH3)2+ (aq) ปฏกิ ริ ยิ าสุทธ:ิ AgCl (s) + 2NH3 (aq) Ag(NH3)2+ (aq) + Cl-(aq) รปู แสดงการละลายของ AgCl ในน้าและ กราฟ แสดงแสดงคา่ การละลายของ AgCl ท่ี 25oC ในสารละลายแอมโมเนีย (McMURRY, Chemistry 4th edition) การเกดิ ไอออนเชงิ ซอ้ นของ Ag(NH3)2+ จะเกดิ ขน้ึ ทลี ะขนั้ ตอน (stepwise) ดงั ต่อไปน้ี Ag+ (aq) + NH3 (aq) Ag(NH3)+ (aq) K1 = 2.1 x 103 Ag(NH3)+ (aq) Ag(NH3)2+ (aq) K2 = 8.1 x 103 ปฏกิ ริ ยิ าสุทธิ Ag+ (aq) + 2NH3 (aq) Ag(NH3)2+ (aq) Kf = 1.7 x 107 K1  [Ag(NH3 )2 ]  2.1x10 3 , K2  [Ag(NH3 )2 ]  8.1 x 103 [Ag ][NH3 ] [Ag(NH3 ) ][NH3 ] Kf  K1 x K2  [Ag(NH3 )2 ]  (2.1 x 103 ) (8.1 x 103 ) [Ag ][NH3 ]2 1.7 x 107 สาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า 30

สมดลุ เคมี ซง่ึ ค่า Kf (formation constant หรอื stability constant) คอื ค่าคงทส่ี มดุลของการเกดิ ไอออนเชงิ ซอ้ นของโลหะไอออนบวก ถา้ ค่า Kf มาก แสดงว่าโลหะไอออนบวกนนั้ ชอบทจ่ี ะเกดิ เป็นไอออนเชงิ ซอ้ นมาก สาหรบั การละลาย AgCl ดว้ ยสารละลายแอมโมเนีย จะเป็นการรวมสมการของการละลาย AgCl ในน้า และ สมการการทาปฏกิ ริ ยิ าของ Ag+ (aq) กบั NH3 (aq) ดงั สมการ Ag+ (aq) + Cl-(aq) Ksp = 1.8 x 10-10 AgCl (s) Ag(NH3)2+ (aq) Kf = 1.7 x 107 Ag+ (aq) + 2NH3 (aq) ปฏกิ ริ ยิ าสุทธ:ิ AgCl (s) + 2NH3 (aq) Ag(NH3)2+ (aq) + Cl-(aq) Kc = ? Kc  [Ag(NH3 )2 ][Cl ]  K sp x Kf  (1.8x10 10 )(1.7x10 7 )  3.1x10 3 [NH3 ]2 จะเหน็ ว่าค่า Kc มากกวา่ Ksp มาก นนั่ คอื Ag(NH3)2+ เกดิ ไดม้ ากขน้ึ ดงั นนั้ AgCl จะสามารถ ละลายไดม้ ากขน้ึ แบบฝึ กหดั เพ่ิมเติม 1. การเปลย่ี นแปลงต่อไปน้จี ดั ว่าเป็นระบบแบบใด (ระบบเปิด, ระบบปิด หรอื ระบบโดดเดย่ี ว) ก. เกลด็ ไอโอดนี ทอ่ี ยใู่ นบกี เกอร์ คาตอบ............................................................ ข. ลกู เหมน็ ทอ่ี ยใู่ นจานกระเบอ้ื ง คาตอบ…………………………………………… ค. 2KI (aq) + Pb(NO3)3 (aq)  PbI2 (aq) (s) + 2KNO3 (aq) คาตอบ .................. ง. NaCl (aq) + AgNO3 (aq)  NaNO3 (aq) + AgCl (s) คาตอบ.................. 2. จงเขยี นคา่ Kc ของปฏกิ ริ ยิ าต่อไปน้ี Fe3+ (aq) + Ag(s) 2.1 Fe2+ (aq) + Ag+ (aq) คาตอบ Kc = 2.2 CO2 (g) + H2 (g) CO (g) + H2O (g) คาตอบ Kc = 2.3 Fe (s) + 4H2O (l) Fe3O4 (s) + 4H2 (g) คาตอบ Kc = 3. กาหนดปฏกิ ริ ยิ าทอ่ี ยใู่ นภาวะสมดลุ ดงั น้ี A (g) + 3B (g) C (g) ; K1 2C (g) 3D (g) + 2E (g) ; K2 จงหาคา่ คงทส่ี มดุลของปฏกิ ริ ยิ า 2A (g) + 6B (g) 3D (g) + 2E (g) 2NO2 (g) เท่ากบั 1 x 1012 4 คา่ คงทส่ี มดุลของปฏกิ ริ ยิ า 2NO (g) + O2 (g) ค่าคงทส่ี มดลุ ของปฏกิ ริ ยิ า NO (g) + ½ O2 (g) NO2 (g) เทา่ กบั เท่าใด สาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า 31

สมดลุ เคมี 5. ก๊าซ H2 ทาปฏกิ ริ ยิ ากบั F2 ไดผ้ ลติ ภณั ฑเ์ ป็น HF อยา่ งเดยี ว และมคี ่าคงทส่ี มดลุ เทา่ กบั 1.15 x 102 เมอ่ื เรม่ิ ตน้ ปฏกิ ริ ยิ าในภาชนะขนาด 1.5 dm3 มกี ๊าซทงั้ สามชนิดอยอู่ ยา่ งละ 3.0 mol จงคานวณหาความเขม้ ขน้ ของก๊าซทงั้ 3 ชนิดทภ่ี าวะสมดลุ 6. นาเหลก็ และน้าใส่ในภาชนะขนาด 5.0 dm3 แลว้ ปิดฝา เม่อื เผาภาชนะทอ่ี ุณหภูมิ 1000 C เกดิ ปฏกิ ริ ยิ าดงั น้ี 3Fe (s) + 4H2O (g) Fe3O4 (s) + 4H2 (g) เม่อื ปฏกิ ริ ยิ าเขา้ สู่ สมดุล จากการวเิ คราะห์พบว่า ภายในภาชนะประกอบด้วยก๊าซไฮโดรเจน 1.10 กรมั และ ไอน้า 42.50 กรมั จงคานวณหาคา่ คงทข่ี องสมดลุ สาหรบั ปฏกิ ริ ยิ าน้ที อ่ี ุณหภมู ิ 1000 C 7. เมอ่ื เตมิ H2 (g) และ I2 (g) อยา่ งละ 0.50 โมล ลงในภาชนะขนาด 5.0 dm3 ทอ่ี ุณหภมู ิ 520 C เมอ่ื ระบบเขา้ ส่สู มดุลจากการวเิ คราะหพ์ บว่า ภายในภาชนะประกอบดว้ ย HI (g) 0.060 โมล จงคานวณหาค่าคงทข่ี องสมดลุ ทอ่ี ุณหภมู ิ 520 C 8. เมอ่ื ใส่แอมโมเนีย (NH3) 4.0 โมล ในภาชนะขนาด 2.0 ลติ ร ทอ่ี ุณหภมู ิ 650 C เม่อื ระบบ เขา้ สู่ภาวะสมดุลพบว่ามกี ๊าซแอมโมเนียอย่เู พยี ง 71% ของเรมิ่ ต้น จงคานวณหาค่าคงท่ี สมดลุ ของปฏกิ ริ ยิ าน้ี 2NH3 (g) N2 (g) + 3H2 (g) 9. ถา้ ค่าคงทข่ี องสมดุลท่ี 1000 K สาหรบั ปฏกิ ริ ยิ า N2 (g) + 3H2 (g) 2NH3 (g) เท่ากบั 2.37 x 10-3 dm6/mol2 จงคานวณหาความเขม้ ขน้ ของ N2 ภายในระบบท่ี ประกอบดว้ ย H2 8.80 M และ NH3 1.05 M 10. ปฏกิ ริ ยิ า H2 (g) + CO2 (g) H2O(g) + CO (g) มคี ่าคงทส่ี มดุล เท่ากบั 4.40 ท่ี 2000 เคลวนิ จงคานวณหาความเขม้ ขน้ ของสารแต่ละชนิดทภ่ี าวะสมดุลซง่ึ เกดิ ขน้ึ หลงั จากการเตมิ ก๊าซไฮโดรเจน 1.0 โมล และก๊าซคารบ์ อนไดออกไซด์ 1.0 โมลในภาชนะ ขนาด 4.68 ลติ ร ท่ี 2000 เคลวนิ 11. ค่าคงทข่ี องสมดุลสาหรบั ปฏกิ ริ ยิ า 2SO2 (g) + O2 (g) 2SO3 (g) เท่ากบั 4.5 dm3/mol ท่ี 600C ใส่แก๊ส SO3 ในภาชนะขนาด 1.0 ลติ ร ใหเ้ กดิ ปฏกิ ริ ยิ าท่ี 600C เม่อื ระบบเข้าสู่ภาวะสมดุลพบว่ามแี ก๊สออกซิเจนเกิดข้นึ 2.0 โมล จงคานวณหาจานวนโมล เรมิ่ ตน้ ของก๊าซ SO3 ในภาชนะ CS2(g)  4H2(g) จงเขยี นความสมั พนั ธร์ ะหว่าง Kc 12. จากสมการ CH4(g)  2H2S(g) กบั Kp 13. ทภ่ี าวะสมดุลอุณหภูมิ 500C พบวา่ ความของก๊าซแอมโมเนียเท่ากบั 0.147 atm, ความ ดนั ของก๊าซไนโตรเจน เทา่ กบั 6.00 atm และความดนั ของก๊าซไฮโดรเจนเท่ากบั 3.70 atm จงหาค่าคงทส่ี มดุล (Kp) ของปฏกิ ริ ยิ าต่อไปน้ี N2 (g) + 3H2 (g) 2NH3 (g) 14.กาหนดใหค้ ่าคงทส่ี มดลุ (Kc) ของปฏกิ ริ ยิ า N2 (g) + 3H2 (g) 2NH3 (g) เทา่ กบั 0.286 จงหาค่าคงทส่ี มดลุ ในเทอมความดนั (Kp) สาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า 32

สมดลุ เคมี 15. เมอ่ื ใส่ SbCl5 10.0 g ในภาชนะขนาด 5.0 ลติ ร ทอ่ี ณุ หภมู ิ 448 C จากนนั้ ปล่อยใหร้ ะบบ เขา้ สสู่ มดลุ อยากทราบวา่ มปี รมิ าณ SbCl5 เทา่ ไหร่ทส่ี มดุล? ปฏกิ ริ ยิ าเป็นดงั น้ี SbCl5 (g) SbCl3 (g) + Cl2 (g) ทอ่ี ุณหภมู ิ 448C มคี ่า Kc = 2.51 x 10-2 16. จงหาค่าคงทส่ี มดุลจากปฏกิ ริ ยิ าทก่ี าหนดใหต้ ่อไปน้ี 1) Zn(s) + 2Ag+(aq) Zn2+(aq) + 2Ag(s) คาตอบ Kc = 2) CCl4(l) CCl4(g) Hg22+(aq) คาตอบ Kc = 3) Hg (l) + Hg2+(l) คาตอบ Kc = 17. จงทานายการดาเนนิ ไปของปฏกิ ริ ยิ าเมอ่ื รบกวนสมดลุ วา่ ทศิ ทางไปทางไหนเพ่อื ปรบั เขา้ สู่ สมดลุ ใหม่ 2Fe2+ + I2 2Fe3+ + 2I- เตมิ Fe(NO3)3 สมดลุ เล่อื นไปทาง ……เตมิ Pb(NO3)3 สมดลุ เล่อื นไปทาง …… เตมิ KI สมดลุ เลอ่ื นไปทาง …….เตมิ AgNO3 สมดุลเลอ่ื นไปทาง……. เตมิ LiI สมดลุ เลอ่ื นไปทาง …………………… 18. ทภ่ี าวะสมดุลของปฏกิ ริ ยิ า H2 (g) + I2 (g) 2HI (g) เมอ่ื มกี ารระบกวน ภาวะสมดุลโดยการเปลย่ี นแปลงความเขม้ ขน้ ของสารจะมกี ารเปลย่ี นแปลง ดงั ตาราง รบกวนสมดลุ ทศิ ทางการ ความเขม้ ขน้ ของสารทส่ี มดุลใหมเ่ มอ่ื เปรยี บเทยี บสมดุลเดมิ ปรบั ตวั ของ (mol.dm-3) I. เตมิ H2 II. เตมิ I2 สมดุล H2 I2 HI III. เตมิ HI IV. แยก H2 ออก  ขวา เพม่ิ ขน้ึ ลดลง เพมิ่ ขน้ึ V. แยก HI ออก การเปลย่ี นแปลงภาวะสมดุลของปฏกิ ริ ยิ าน้สี ามารถเขยี นกราฟแสดงไดด้ งั รปูความเข้มข้น กรณที ่ี I. ระบบกวนระบบโดยการเตมิ H2 HI I2 H2 เวลา สาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า 33

สมดลุ เคมี กรณที ่ี II. ระบบกวนระบบโดยการเตมิ HIความเ ้ขม ้ขน HIความเ ้ขม ้ขน เวลา I2 เวลา H2 กรณที ่ี III. ระบบกวนระบบโดยการแยก I2 HI I2 H2 กรณที ่ี IV. ระบบกวนระบบโดยการแยก HI ความเ ้ขม ้ขน HI I2 H2 เวลา 19. 2CO(g) + O2(g) 2CO2(g)  เพม่ิ ความดนั สมดลุ เล่อื นไปทาง………………………..  ลดความดนั สมดุลเล่อื นไปทาง…………………………  ถา้ ตอ้ งการใหส้ มดุลเลอ่ื นจากซา้ ยไปขวา ตอ้ งลดหรอื เพมิ่ ความดนั ……………….. ถา้ เพม่ิ ความดนั ใหร้ ะบบจะไดก้ ราฟทส่ี มดุลใหมเ่ ป็นเช่นไร ความเข้มข้น CO O2 CO2 เวลา สาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า 34

สมดลุ เคมี ถา้ ลดความดนั ใหร้ ะบบจะไดก้ ราฟทส่ี มดลุ ใหมเ่ ป็นเช่นไรความเ ้ขม ้ขน CO O2 CO2 เวลา เอกสารอ้างอิง กฤษณา ชุตมิ า, หลกั เคมที วั่ ไป เล่ม 1, สานกั พมิ พแ์ ห่งจฬุ าลงกรณ์มหาวทิ ยาลยั , 242-251 สาราญ พฤกษ์สุนทร, เคมี 3 ว 037, สานกั พมิ พพ์ ฒั นาศกึ ษา, 101-796. Raymon Chang. (2008). Chemistry. Graw-Hill Higher Education. New York. Silberberg M. S. (2003). Chemistry. Mc Graw-Hill Higher Education. New York. KW. Whitten, R.E. Davis, M.L. Peck, G.G. Stanley, General Chemistry, Thomson Brooks/Cole, 700-734. Brady, J.E. (1990)., Genneral Chemistry. John Wiley and Sons, New York Brady J.E. and Holum J.R., (1993). Chemistry : The Study of Matter and Its Changes, John Wiley and Sons, New York Goldberg D.E.., (1989). Schaum’ s 3000 Solved Problems in Chemistry, Mc Graw-Hill McMURRY, Chemistry, 4th edition Petrucci R.H. and Harwood W.S.., (1993). General Chemistry. Priciples and Modern Applications, 6th ed., Macmillan, New York Russel, J.B., (1992). Genneral Chemistry. McGraw-Hill, Inc Shoemaker D.P., Garland C.W., Steinfeld J.I. and Nibler J. W., (1998). Experiments in Physical Chemistry, 4th ed., McGraw-Hill, Inc. สาวชิ าเคมี โรงเรยี นมหดิ ลวทิ ยานุสรณ์ (องคก์ ารมหาชน) หน้า 35