สมดุลเคมี 

(Chemical Equilibrium)

= สภาวะที่ความเข้มข้นของสารตั้งต้นและสารผลิตภัณฑ์ไม่เปลี่ยนแปลงอีกแม้เวลาผ่านไป มีอัตราการเปลี่ยนแปลงไปข้างหน้าเท่ากับอัตราการเปลี่ยนแปลงผันกลับ

 การเปลี่ยนแปลงที่ผันกลับได้ 

การเกิดปฏิกิริยาแบ่งออกเป็น 2 ประเภท ได้แก่

    1. ปฏิกิริยาที่เกิดสมบูรณ์   

           ปฏิกิริยาที่สารตั้งต้นทำปฏิกิริยากันจนหมด เป็นปฏิกิริยาที่ไม่ย้อนกลับ

                

    2. ปฏิกิริยาที่เกิดไม่สมบูรณ์

           ปฏิกิริยาที่สารตั้งต้นทำปฏิกิริยากันได้ผลิตภัณฑ์  และผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นทำปฏิกิริยา

    กลับเป็นสารตั้งต้นใหม่ เป็นปฏิกิริยาที่ผันกลับได้

ปฏิกิริยาที่ผันกลับได้

       ปฏิกิริยาที่เกิดสารผลิตภัณฑ์ แล้วสารผลิตภัณฑ์มีการเปลี่ยนแปลงกลับมาเป็นสารตั้งต้นได้อีก 

มี 2 ปฏิกิริยาย่อย คือ

• ปฏิกิริยาไปข้างหน้า  คือ  ปฏิกิริยาที่สารตั้งต้นเปลี่ยนเป็นผลิตภัณฑ์
• ปฏิกิริยาย้อนกลับ   คือ  ปฏิกิริยาที่สารผลิตภัณฑ์เปลี่ยนกลับเป็นสารตั้งต้น

ปฏิกิริยาที่ผันกลับได้เขียนแทนด้วย ⇋

 A  ⇋  B 

การเปลี่ยนแปลงที่ก่อให้เกิดสมดุลเคมี  แบ่งเป็น 3 ประเภท

           1. การเปลี่ยนสถานะ      เช่น  การกลายเป็นไอของน้ำในภาชนะปิด

 H2O(l)  ⇌    H2O(g) 

           2. การเกิดสารละลาย     เช่น  การละลายของเกลือ NaCl ในน้ำ ได้สารละลาย เมื่อให้ความร้อนจะเกิดเป็นสารละลายอิ่มตัว เมื่ออุณหภูมิลดลงจะเกิดการตกผลึกของเกลือ NaCl กลับมา

NaCl (s)  +  H2O   ⇌      Na+(aq)   +  Cl- (aq)

           3. การเกิดปฏิกิริยาเคมี  การเกิดปฏิกิริยาบางปฏิกิริยาสามารถผันกลับได้และเกิดสมดุลเคมี  

-----------------------------------------------------------------------------------------------------

 การเปลี่ยนแปลงที่ทำให้เกิดภาวะสมดุล 

ภาวะสมดุล

       เกิดเมื่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้า = อัตราการเกิดปฏิกิริยาย้อนกลับ ที่สมดุลจะมีสารตั้งต้นทุกชนิดเหลืออยู่ และผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นทุกชนิดคงที่ ถ้าในระบบยังคงมีการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้า และปฏิกิริยาย้อนกลับอยู่ตลอดเวลา โดยเกิดในอัตราที่เท่ากัน เรียกว่า สมดุลไดนามิก 

 คุณสมบัติของสมดุลเคมี   :

1. เกิดในระบบปิด
2. เป็นการเปลี่ยนแปลงที่ผันกลับได้
3. อัตราการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้า = อัตราการเกิดปฏิกิริยาย้อนกลับ
4. ในระบบต้องมีสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์เหลืออยู่ 
5. สมบัติของระบบคงที่

กราฟแสดงการเกิดภาวะสมดุล

        1. กราฟระหว่างความเข้มข้นกับเวลา

➊ ภาวะสมดุลที่เวลา t1 ความเข้มข้นของสาร A มากกว่าความเข้มข้นของสาร B

[สารตั้งต้น] ﹥ [ผลิตภัณฑ์]

❷ ภาวะสมดุลที่เวลา t1 ความเข้มข้นของสาร A น้อยกว่าความเข้มข้นของสาร B

[สารตั้งต้น] ﹤ [ผลิตภัณฑ์]

❸ ภาวะสมดุลที่เวลา t1 ความเข้มข้นของสาร A เท่ากับความเข้มข้นของสาร B

[สารตั้งต้น] = [ผลิตภัณฑ์]

    2. กราฟระหว่างอัตราการเกิดปฏิกิริยากับเวลา

     เมื่อ X₂ ทำปฏิกิริยากับ Y₂ จะเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าได้ผลิตภัณฑ์เป็น XY₂ ซึ่งเมื่อเขียนกราฟอัตราการเกิดปฏิกิริยาของปฏิกิริยาไปข้างหน้าและปฏิกิริยาย้อนกลับ จะพบว่ากราฟทั้งสองเส้นจะมาทับกันที่เวลา t2  แสดงว่า อัตราการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้า = อัตราการเกิดปฏิกิริยาย้อนกลับ

-----------------------------------------------------------------------------------------------------

 ความสัมพันธ์ระหว่างความเข้มข้นของสารต่างๆ ณ ภาวะสมดุล 

ค่าคงที่ของสมดุล

    คือ ผลคูณความเข้มข้นของสารผลิตภัณฑ์ ยกกำลังด้วย เลขบอกจำนวนโมลสารผลิตภัณฑ์ หารด้วย ผลคูณความเข้มข้นของสารตั้งต้น ยกกำลังด้วย เลขบอกจำนวนโมลสารตั้งต้น มีสัญลักษณ์เป็น K      

ถ้าปฏิกิริยาคือ  aA + bB ⇌ cC + d  จะได้ค่าคงที่สมดุล ดังนี้

** ถ้าในปฏิกิริยามีสารที่เป็น ของแข็งหรือของเหลวบริสุทธิ์  ไม่ต้องนำความเข้มข้นของสารนั้นมาคำนวณในการหาค่า K **

ตัวอย่าง     CaCO₃(s)  ⇋  CaO(s) + CO₂ (g)   

               จะได้ค่าคงที่สมดุลคือ     K  =  [CO₂] 

ค่าคงที่สมดุลกับสมการเคมี

1. ถ้านำสมการเคมีมาเขียนกลับกันกับสมการเดิม ค่า K ก็จะเป็นส่วนกลับของค่าเดิม 

2. เมื่อนำเลขมาคูณในสมการ ค่า K ใหม่จะเท่ากับค่า K เดิมยกกำลังด้วยเลขนั้น

3. ค่า K ที่เกิดจากการนำปฏิกิริยาย่อยมารวมกัน จะมีค่าเท่ากับผลคูณของค่า K ของปฏิกิริยาย่อยเหล่านั้น

4. ถ้ามีการนำเลขมาหารในสมการ ค่า K ใหม่จะเท่ากับค่า K เดิมถอดรากที่เท่ากับตัวเลขที่นำมาหารนั้น

การหาค่าคงที่สมดุล

1. เขียนสมการเคมีและดุลสมการเคมี
2. หาความเข้มข้นของสารผลิตภัณฑ์และสารตั้งต้นที่ภาวะสมดุล
3. เขียนค่า K จากสมการที่ได้ และแทนค่าความเข้มข้นของสารที่หาได้ลงในสมการ

ตัวอย่าง   

แก๊สไนโตรซิลคลอไรด์ (NOCl) 2.5 mol ในภาชนะ 1.5 L สลายตัวที่ 400 ºC ได้ดังสมการ 

 2NOCl ⇋  2NO + Cl₂  

หลังจากเข้าสู่ภาวะสมดุล พบว่าแก๊สไนโตรซิลคลอไรด์สลายตัว 28% จงหาค่าคงที่สมดุลของปฏิกิริยานี้

             

                        

-----------------------------------------------------------------------------------------------------

 ผลของการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้น ความดัน และอุณหภูมิ 

การเปลี่ยนแปลงความเข้มข้น

        การเพิ่มหรือลดความเข้มข้น จะทำให้ระบบเสียภาวะสมดุล ระบบจะต้องมีการปรับตัวให้กลับสู่สภาวะสมดุลใหม่เสมอ การเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นมีผลต่อภาวะสมดุลของระบบ แต่ไม่มีผลต่อค่าคงที่สมดุล 

• ถ้าเพิ่มความเข้มข้น ระบบจะปรับตัวโดยลดความเข้มข้นสารที่เติมลงไป  (สมดุลเลื่อนไปฝั่งตรงข้ามที่เติมสาร)
• ถ้าลดความเข้มข้น  ระบบจะปรับตัวโดยเพิ่มความเข้มข้นของสารนั้น (สมดุลเลื่อนไปฝั่งที่ลดสาร)

ตัวอย่าง       

 CH₄ (g)  +  2H₂S(g)    ⇋   CS₂(g)  +  4H₂(g) 

เพิ่มความเข้มข้น  CH₄     :   สมดุลเลื่อนไปทางขวา   [CH2]↑  ,  [H₂S]↓  , [CS2]↑ ,  [H2]↑

ลดความเข้มข้น   CH₄     :   สมดุลเลื่อนไปทางซ้าย   [CH2]↓  ,  [H₂S]↑  , [CS2]↓ ,  [H2]↓

เพิ่มความเข้มข้น  CS₂     :   สมดุลเลื่อนไปทางซ้าย   [CH2]↑  ,  [H₂S]↑  , [CS2]↑ ,  [H2]↓

เพิ่มความเข้มข้น  CS₂     :   สมดุลเลื่อนไปทางขวา   [CH2]↓  ,  [H₂S]↓  , [CS2]↓ ,  [H2]↑

การเปลี่ยนแปลงความดัน

           มีผลในระบบที่มีก๊าซเป็นองค์ประกอบ  ไม่มีผลต่อค่าคงที่สมดุล การเปลี่ยนแปลงความดันมีผลต่อภาวะสมดุลของระบบ ดังนี้

• เพิ่มความดัน  สมดุลจะเลื่อนไปในทางที่มีโมลรวมแก๊สน้อย
• ลดความดัน   สมดุลจะเลื่อนไปทางที่มีโมลรวมแก๊สมาก

**ถ้าโมลรวมแก๊สเท่ากันทั้งสองฝั่ง ความดันไม่มีผล**

ตัวอย่าง     

NO(g)  +  NO₂(g)   ⇋  N₂O₃(g)   

เพิ่มความดัน (ลด V )  :  สมดุลเลื่อนไปทางขวา

ลดความดัน  (เพิ่ม V)  :  สมดุลเลื่อนไปทางซ้าย

การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ

        เมื่อมีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิในระบบ ส่งผลให้ระบบปรับตัวเข้าสู่สมดุลใหม่ และทำให้ค่าคงที่สมดุลเปลี่ยนไปด้วย 

ปฏิกิริยาคายความร้อน

 A ⇋  B + 2.5 KJ    หรือ   A  ⇋  B  ΔH = -2.5 KJ 

• เพิ่มอุณหภูมิ  สารตั้งต้นเพิ่มขึ้น   ผลิตภัณฑ์ลดลง  ค่า K ลดลง
• ลดอุณหภูมิ   สารตั้งต้นลดลง  ผลิตภัณฑ์เพิ่มขึ้น   ค่า K เพิ่มขึ้น

ปฏิกิริยาดูดความร้อน

 A + 2.5 KJ  ⇋  B    หรือ   A  ⇋  B  ΔH = +2.5 KJ 

• เพิ่มอุณหภูมิ  สารตั้งต้นลดลง   ผลิตภัณฑ์เพิ่มขึ้น  ค่า K เพิ่มขึ้น
• ลดอุณหภูมิ   สารตั้งต้นเพิ่มขึ้น  ผลิตภัณฑ์ลดลง   ค่า K ลดลง