สมดุลเคมี

04/10/54

1

สมดลเคม

โดย จรฎฐ สขใจเหลอ

โรงเรยนแมใจวทยาคม

เอกสารส าหรบเผยแพร วชาเคม ว.40223 ปการศกษา 2551


จรฎฐ สขใจเหลอ โรงเรยนแมใจวทยาคม

การเปลยนแปลงของระบบทผนกลบไดกอใหเกด สมดลเคมไดม 3 ประเภท

I) การละลายเปนสารละลาย

KNO3(s) K+(aq) + NO3- (aq)

II) การเปลยนสถานะของสาร

ของแขง ของเหลว

กาซ

การเปลยนแปลงทผนกลบได

04/10/54

2



ปฏกรยาเคม

1. ปฏกรยาไปขางหนาอยางเดยว หรอ ปฏกรยาสมบรณ (Irreversible reaction)

2H2 + O2 2H2O

• ปฏกรยาทสารตงตนท าปฏกรยากน จนหมด เกดเปนผลตภณฑอยางสมบรณโดยไมยอนกลบ

C + O2 CO2

Zn + 2H+ Zn2+ + H2

III) การเกดปฏกรยาเคม



III) การเกดปฏกรยาเคม

2. ปฏกรยาแบบมสมดล หรอปฏกรยาไมสมบรณ

NO2 + NO2 N2O4

สน าตาลแก ไมมส

• ปฏกรยาทสารตงตนท าปฏกรยากน เกด ผลตภณฑและขณะเดยวกนผลตภณฑบางสวนท าปฏกรยากนกลบเปนสารตงตนใหม ท าใหปฏกรยาเกดไมสมบรณไมวาจะใช เวลานานเทาใดกตาม

• เรยกวา ปฏกรยาผนกลบได (Reversible reaction)

04/10/54

3



ปฏกรยาผนกลบไดคอปฏกรยาทสารผลตภณฑสามารถเกด ปฏกรยายอนกลบและไดสารตงตนกลบคนมา สารตงตน (reactant) ผลตภณฑ (product)

N2O4(g) 2NO2(g) กระบวนการเดนหนา (forward reaction) N2O4(g) 2NO2(g) กระบวนการยอนกลบ (backward reaction) 2NO2(g) N2O4(g)



N2O4(g) 2NO2(g)

04/10/54

4



N2O4(g) 2NO2(g) การเปลยนแปลงความเขมขนของ NO2 และ N2O4

(A) เมอ N2O4 เปนสารตงตน (B) เมอ NO2 เปนสารตงตน



ตวอยาง การเปลยนแปลงของระบบใดตอไปนผนกลบได ก. ถวยใสน าแขงวางไวในหอง

ข. น าโซดาในขวดปดฝา

ค. เกลด I2 ในขวดชมพปดฝา

ง. ละลายน าตาลในน าจนอมตวมน าตาลเหลอในบกเกอร

จ. ผสม NaOH กบ NH4Cl ในบกเกอรทไมได ปดฝา

ฉ. ผสม Al กบ HCl ในภาชนะทปดฝาสนท

04/10/54

5



ภาวะสมดล (Equilibrium state)

• ภาวะของระบบทอตราเรวของการเปลยนแปลงไปขางหนาเทากบอตราเรวของการเปลยนแปลง ยอนกลบ

- ทสมดลความเขมขนของสารตงตนและสารผลตภณฑคงท

equilibrium equilibrium equilibrium



เงอนไขของการเกดภาวะสมดลเคม

1. อยในระบบปด 2. สมบตของระบบคงท

3. เปนการเปลยนแปลงทผนกลบได

5. ระบบนนตองมสารตงตนเหลอ และสารผลตภณฑเกดขน สารทกชนดในระบบตองมปรมาณคงท

4. อตราการเปลยนแปลงไปขางหนาเทากบอตราการเปลยน แปลงยอนกลบ

04/10/54

6



ภาวะสมดลในปฏกรยาเคม

2Fe3+ + 2I- 2Fe2+ + I2

เมอระบบคงทเอาสารละลายมาทดสอบสารแตละชนดในระบบ พบวาทดสอบพบสารทกชนด - I2 ทดสอบดวยน าแปง ใหสน าเงน - Fe2+ ทดสอบดวย [Fe(CN)6]3- ใหตะกอนสน าเงน

- Fe3+ ทดสอบดวย SCN- ใหสารละลายสแดงเลอดนก - I- ทดสอบดวย AgNO3

ใหตะกอนสเหลองออน 2Fe2+ + I2 2Fe3+ + 2I-

สรป 2Fe3+ + 2I- 2Fe2+ + I2



ประเภทของสมดลไดนามก 1.สมดลเคมเนอเดยว (Homogeneous chemical equilibrium)

• สมดลทสารทกชนดอยในสถานะเดยวกนหมด N2 (g) + 2H2 (g) 2NH3 (g) CH3COOH (l) + CH3CH2OH (l) CH3COOCH2CH3 (l) + H2O (l)

2.สมดลเคมเนอผสม (Heterogeneous chemical equilibrium) • สมดลทมสารตางๆมากกวา 2 สถานะอยในระบบเดยวกน

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

04/10/54

7



การด าเนนเขาสภาวะสมดลของระบบ

N2O4 NO2

N N O

O

O

O N

O

O N

O

O

• ปฏกรยาสามารถเรมจากดานใดกได - ผลทไดจะมลกษณะเชนเดยวกน



การด าเนนเขาสภาวะสมดลของระบบ

ทสมดลความเขมขนของ NO2 และ N2O4 ไมเทากน

เรมตนม NO2 อยางเดยว เรมตนม N2O4อยางเดยว เรมตนม N2O4 และ NO2

equilibrium

equilibrium

equilibrium

04/10/54

8



กราฟของสมดลเคม

1. กราฟอตรากบเวลา X2 + 2Y2 2XY2 อต

ราการเก

ดปฏก

รยา

เวลา (s)

X2 + 2Y2 2XY2

X2 + 2Y2 2XY2

2XY2 X2 + 2Y2



2.กราฟระหวางความเขมขนกบเวลา

ก. สารตงตนเหลอนอยกวาผลตภณฑ

[X]

[Y]

ความ

เขมข

น

เวลา

X Y

[X] < [Y]

04/10/54

9




X Y

ข. สารตงตนเหลอมากกวาผลตภณฑ

[X]

[Y] ความ

เขมข

น

เวลา

[X] > [Y]




X Y

ค. สารตงตนเหลอเทากบผลตภณฑ

[X]

[Y] ความ

เขมข

น

เวลา

[X] = [Y]

04/10/54

10



คาคงทสมดล (Equilibrium Constant)

อตราสวนระหวางผลคณของผลตภณฑยกก าลงสมประสทธของมนหารดวยผลคณของสารตงตนยกก าลงสมประสทธของมนในสมการทดล

aA + bB cC + dD

K = [C]c[D]d

[A]a[B]b

K = คาคงทสมดล (equilibrium constant)




Chemical equilibrium

N2O4 (g) 2NO2 (g)

เมอ rateforward = ratereverse จะได kforward[reactants]m = kreverse[products]n

= = K the equilibrium constant kforward

kreverse [products]n

[reactants]m

the LAW OF MASS ACTION.

04/10/54

11




= = K the equilibrium constant kforward

kreverse [products]n

[reactants]m

ตวเลข m และ n คอตวเลขทอยหนาสารประกอบในสมการเคม ควรใสใจไววา equilibriumไมใช kinetic อตราเรวของปฏกรยาไปขางหนากบปฏกรยายอนกลบเทากน ไมไดหมายความวาความเขมขนของสารตงตนกบผลตภณฑเทากน

1. ส าหรบปฏกรยาทเกดขนในขนตอนเดยว (single-step reaction) aA + bB cC + dD ทภาวะสมดลจะได

K เปนคาคงทสมดล (ขนกบอณหภม)

K มาก มผลตภณฑมาก (kf >> kb) K นอย มสารตงตนมาก (kf << kb)




b

eq

a

eq

d

eq

c

eq

b

f

BA

DC

k

k

][][

][][ K

Products

Reactants

kf

kb

d c b

b a f D C k B A k ] [ ] [ ] [ ] [ =

04/10/54

12



ตวอยาง ก าหนดสมดลของปฏกรยา

Initial concentrations Equilibrium concentration

Ratio of concentration

at equilibrium

[NO2] [N2O4] [NO2] [N2O4] [NO2]/[N2O4] [NO2]2/[N2O4]

0.000 0.670 0.0547 0.643 0.0851 4.65x10-3

0.0500 0.446 0.0457 0.448 0.102 4.66x10-3

0.0300 0.500 0.0475 0.491 0.0967 4.60x10-3

0.0400 0.600 0.0523 0.594 0.0880 4.60x10-3

0.200 0.000 0.0204 0.0898 0.227 4.63x10-3

พจารณาผลการทดลองปฏกรยาการเปลยนแปลง NO2 – N2O4 ท 25 ๐c



ตวอยาง ก าหนดสมดลของปฏกรยา

พบวาทสมดล [NO2]2/[N2O4] มคาคงท

K = [NO2]2/[N2O4] = 4.63x10-3

K = [0.0204]2/[0.0898] = 4.63x10-3

ความส าคญของคาคงทสมดล, K • บอกใหทราบวาทสมดลมสารตงตนหรอ ผลตภณฑมากกวากน • K >> 1 สมดลไปทางขวามผลตภณฑมากกวา

• K << 1 สมดลไปทางซายมสารตงตนมากกวา

04/10/54

13



โจทย จงเขยนความสมพนธของคาคงทสมดลและหนวยของคาคงทสมดลจากปฏกรยาตอไปน

ก. 4NH3(g) + 5O2(g) 4NO (g)+ 6H2O(g)

ข. 2SO3(g) + 2Cl2 (g) 2SO2(g)+Cl2(g) + O2(g)

ค. SO3 (g)+ H2 (g) SO2 (g)+ H2O(g)

ง. 2HgO(s) 2Hg(l) + O2(g)

จ. H2O(l) H+(aq) + OH-(aq)

** ของแขงและของเหลวทบรสทธมความเขมขนคงทใหน าความเขมขนไปรวมกบคา K



2A + B A2B

ความสมพนธของอตราการเกดปฏกรยาและคาคงทสมดล

Rf = kf[A]2[B]

ทสมดลจะไดวา

ให Rf แทนอตราไปขางหนามคาคงท kf

ให Rr แทนอตรายอนกลบมคาคงท kr

Rr = kr[A2B]

Rf = Rr

kf[A]2[B] = kr[A2B]

ณ อณหภมคงท K = kf / kr

kf [A2B] kr [A]2[B]

=

04/10/54

14




CO + 2H2 CH3OH

[CH3OH]

[CO][H2]2

• ถากลบสมการ CH3OH CO + 2H2

[CO][H2]2 [CH3OH]

= 1/K1

K1 =

K2 =




K3 =

• ถาคณหรอหารสมการดวยตวเลข ตองน าคา K เดมมายกก าลงดวยตวเลขทคณนน

2CO + 4H2 2CH3OH

[CH3OH]2

[CO]2[H2]4 K3 = K1

2

• คาคงทสมดลของปฏกรยาทเกดจากปฏกรยายอยมารวมกนจะมคาเทากบผลคณของคาคงทสมดลของปฏกรยายอยเหลานน

04/10/54

15




K =


SO2 + NO2 SO3 + NO [SO3][NO]

[SO2][NO2] ถาปฏกรยานมปฏกรยายอยคอ SO2 + ½O2 SO3 …… (1)

[SO3]

[SO2][O2]1/2 K1 =

NO2 NO + ½O2 …… (2)

SO2 + NO2 SO3 + NO

[NO] ][O2]1/2

[NO2] K2 =

K = [SO3][NO]

[SO2][NO2]




K =


SO2 + NO2 SO3 + NO [SO3][NO]

[SO2][NO2] ถาปฏกรยานมปฏกรยายอยคอ SO2 + ½O2 SO3 …… (1)

[SO3]

[SO2][O2]1/2 K1 =

NO2 NO + ½O2 …… (2) [NO] ][O2]1/2

[NO2] K2 =

ผลคณของคาคงทสมดลของ (1) และ (2)

K1K2 = K

[SO3] [NO] ][O2]1/2

[SO2][O2]1/2[NO2] K1 K2 =

04/10/54

16



การค านวณเกยวกบคาคงทสมดล

1. เขยนสมการเคมพรอมดล 2. หาความเขมขนของสารทงหมดทภาวะสมดล

3. เขยนสมการแสดงคาคงทสมดล 4. แทนคาความเขมขนของสารตางๆ ทภาวะสมดล

] 5 . 0 ][ 0 . 1 [

] 2 [

] [ ] [

] [

2

2 2

2

x x

x

I H

HI K

- - = =



ตวอยางการหาความเขมขนทสมดล H2(g) + I2(g) 2Hl(g)

Initial 1.0 0.5 0.0 Changes –x –x +2x Equilibrium 1.0 –x 0.5–x 2x

04/10/54

17



ตวอยาง กาซไนโตรซลคลอไรด (NOCl) 2.5 mol ในภาชนะ 1.5 dm3 สลายตวท 400 ๐c หลงจากเขาสสมดลพบวา NOCl สลายตว 28% จงค านวณคา Kของปฏกรยาน

2NOCl 2NO + Cl2

เรมตน 2.5/1.5 0 0

เปลยนไป -0.47 +0.470 0.47/2

สมดล 1.67-0.47 0+0.470 0+(0.47/2)

[NO]2[Cl2]

[NOCl]2

(0.47)2 (0.235)

(1.2)2

K = 3.6 x 10-2 mol/dm3

K =

K =



คาคงทสมดลของระบบทเปนกาซ

• ในระบบทเปนกาซจะใชความดนยอยแทนความเขมขน จาก PV = nRT

P = n RT V

n/V = ความเขมขนเปนโมลตอลตร aA bB

KC = [B]b/[A]a

KP = (PB)b/(PA)a

nBRT

V

nART

V

KP =

b

a

KP = [B]b (RT)b-a

[A]a

Δn = b-a \ KP = KC (RT)Dn

04/10/54

18



คาคงทสมดลของระบบทเปนกาซ

ความสมพนธระหวาง KC และ KP

ความเขมขน(M) คอปรมาณสาร(โมล)ตอปรมาตร(ลตร) กฎของแกส

RTV

nPnRTPV

][

][

RTBP

RTARTV

nP

B

AA

RTV

nP

atm

mol

L

K

atm·L mol-1 K-1



คาคงทสมดลของระบบทเปนกาซ aA + bB cC + dD

Dn(g) คอ ผลตางจ านวมโมลของแกส

เมอ Dn(g) = 0

เมอ Dn(g) 0

)(gn

CP RTKKD

CP KK

)(gn

PC RTKKD

)(gn

CP RTKKD

)()()( badcgn D

)(

][][

][][

][][

][][ gn

ba

dc

bbaa

ddcc

b

B

a

A

d

D

c

Cp RT

BA

DC

RTBRTA

RTDRTC

PP

PPK

D

04/10/54

19



จงหาคาคงทสมดลของปฏกรยา 2 NO2(g) N2O4(g) ท 25 °C ทภาวะสมดล PNO2

= 0.150 atm PN2O4= 0.160 atm

111.7atm 111.7

atm 150.0

atm 160.0 1

22

2

42

NO

ON

PP

PK

Kc = Kp(RT) -Dn = 7.111 atm-1 (RT) -Dn

Dn = 1-2 = -1 Kc = 7.111 atm-1 (0.082 L atm mol-1 K-1 x 298.15 K) –(-1)

= 173.85



หลกของเลอชาเตอลเยร (Le Chatelier’s Principle) เมอระบบทอยในสภาวะสมดลถกรบกวนท าใหสมดล ของระบบเสยไป ระบบจะปรบตวไปในทศทางทจะท า ใหผลกระทบจากปจจยทรบกวนระบบนนลดลงหรอ เหลอนอยทสดแลวระบบจะเขาสสมดลใหมอกครง การเขาสสมดลของระบบจะเรมจากทศใดกได

04/10/54

20



ปจจยทมผลตอสมดลเคม

• ความเขมขน • ความดน • ปรมาตร • อณหภม




ความเขมขน: การเพมหรอลดความเขมขนของสารในปฏกรยาจะท าให สมดลเคม เสยไป (QK) ปฏกรยาจะปรบตวเพอใหคาผลคณความเขมขน (Q) เทากบคาคงทสมดล (K) อกครง (ไมมผลตอ K)

FeSCN2+(aq) Fe3+(aq) + SCN-

สแดงเลอดนก สเหลองออน ไมมส

04/10/54

21






• ถาเตม NaSCN ลงไปในระบบ

- รบกวนสมดลโดยเพมความเขมขนของ SCN-

- ระบบจะปรบตวเพอลดการรบกวนโดย Fe3+ บางไอออนจะท าปฏกรยากบ SCN-ทเตมลงไป - สมดลเลอนจากขวาไปซาย - สารละลายมสแดงเพมขน

SCN-






• ถาเตม Fe(NO3)3 ลงไปในระบบ

- รบกวนสมดลโดยเพมความเขมขนของ Fe3+

- ระบบจะปรบตวเพอลดการรบกวนโดย SCN- บางไอออนจะท าปฏกรยากบ Fe3+ ทเตมลงไป

- สมดลเลอนจากขวาไปซาย

- สารละลายมสแดงเพมขน

Fe3+

04/10/54

22






• ถาเตมกรดออกซาลก (H2C2O4) ลงไปในระบบ - รบกวนสมดลโดยลดความเขมขนของ Fe3+

- เนองจาก

Fe3+(aq) + C2O42- Fe(C2O4)3

3-(aq) สเหลอง

- FeSCN2+ แตกตวเพอให Fe3+

- สมดลเลอนจากซายไปขวา

-สารละลายเปลยนเปนสเหลอง เนองจาก Fe(C2O4)3

3-



ตวอยาง ท 720 องศาเซลเซยส คาคงทสมดลส าหรบปฏกรยา

N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)

เทากบ 2.37x10-3 ในการทดลองหนงทสภาวะสมดล พบวา [N2] = 0.683 M [H2] = 8.80 M และ [NH3] = 1.05 M เมอเตม NH3 ลงไปในของผสมทสภาวะสมดลจนไดความเขมขนเปน 3.65 M

ก. จงใชหลกของเลอชาตลเยร ท านายทศทาง การเลอนของสมดลไปสสมดลใหม

ข. พสจนสงทไดจากการท านายในขอ ก โดยการค านวณคา reaction quotient, Qc เปรยบเทยบกบคา Kc

04/10/54

23




N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) ก. จงใชหลกของเลอชาตลเยร ท านายทศทาง การเลอนของสมดลไปสสมดลใหม

การรบกวนสมดลเกดขนโดยการเตม NH3

NH3

แตกตว

สมดลเลอนจากขวาไปซาย




N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) ข. ขณะทเตม NH3 ระบบไมอยทสมดล reaction quotient จะเทากบ

Qc = [NH3]2

[N2] [H2]3

= (3.65)2/(0.683)(8.80)3 = 2.86x10-2

แต Kc = 2.37x10-3

Qc > Kc

ปฏกรยาเลอนจากขวาไปซายจนกวา Qc = Kc

04/10/54

24



การเปลยนแปลงปรมาตรและความดน

• มผลนอยมากตอความเขมขนของของแขงและของเหลว - เพราะไมสามารถบบอดได ท าใหปรมาตรเปลยนแปลงนอยมาก

• มผลอยางมากตอการเปลยนแปลงความเขมขนของกาซ

- โดยเฉพาะระบบทมทมจ านวนโมลของสารตงตนและผลตภณฑตางกน



N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)

1 โมล 3 โมล 2 โมล ปรมาตร ท STP (l)

22.4 3x22.4 2x22.4

ถาเพมความดนหรอลดปรมาตร

• ระบบจะพยายามลดความดนโดยเลอนต าแหนง ของสมดลไปทางขวาโดยทคา K ยงคงท

สรป 1. ถาเพมความดนใหแกระบบทอยในสภาวะสมดลต าแหนงของสมดลจะเลอนไปในทศ ทางทมจ านวนโมลของกาซนอยกวา

2. ถาจ านวนโมลของสารตงตนและผลตภณฑ เทากนการเปลยนแปลงความดนไมมผลตอสมดล

04/10/54

25



การเปลยนแปลงอณหภม

• ท าใหระบบปรบตวเขาสสมดลใหม และคาคงทสมดลเปลยนไป โดยขนอยกบชนดของปฏกรยา

ปฏกรยาไปขางหนาคายความรอน (Exothermic reaction)

• การเพมอณหภมจะท าใหสมดลเปลยนไปในทศทางทท าใหเกดปฏกรยายอนกลบ

- ความเขมขนของสารตงตนเพมขน - ความเขมขนของสารผลตภณฑลดลง





ปฏกรยาไปขางหนาคายความรอน (Exothermic reaction)

• การเพมอณหภมจะท าใหสมดลเปลยนไปในทศทางทท าใหเกดปฏกรยายอนกลบ

- ความเขมขนของสารตงตนเพมขน - ความเขมขนของสารผลตภณฑลดลง

• การลดอณหภมจะท าใหสมดลเปลยนไปในทศทางทท าใหเกดปฏกรยาไปขางหนา

- ความเขมขนของสารตงตนลดลง - ความเขมขนของสารผลตภณฑเพมขน

04/10/54

26





ปฏกรยาไปขางหนาดดความรอน (Endothermic reaction)

• การเพมอณหภมจะท าใหสมดลเปลยนไปในทศทางทท าใหเกดปฏกรยาไปขางหนา

- ความเขมขนของสารตงตนลดลง - ความเขมขนของสารผลตภณฑเพมขน

• การลดอณหภมจะท าใหสมดลเปลยนไปในทศทางทท าใหเกดปฏกรยายอนกลบ

- ความเขมขนของสารตงตนเพมขน

- ความเขมขนของสารผลตภณฑลดลง



การเปลยนแปลง

ปฏกรยาคายความรอน ปฏกรยาดดความรอน

ผลตภณฑ คา K ผลตภณฑ คา K

เพมอณหภม ลดลง ลดลง เพมข น เพมข น

ลดอณหภม เพมข น เพมข น ลดลง ลดลง

สรปผลของการเปลยนแปลงอณหภม

04/10/54

27



KP

อณหภม

ตวอยาง

N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)

ΔH = -92 kJ

N2O4(g) 2NO2(g)

DH = +57.2 kJ

KP

อณหภม

ดดความรอน



ตวอยาง

H2(g) + I2(g) 2HI(g) คายความรอน

ดดความรอน

การทดลอง

[Co(H2O)6]2+ + 4Cl- [CoCl4]2- + 6H2O

• เปนปฏกรยาดดความรอน

สชมพ สน าเงน

• ทสมดลมสมวง

04/10/54

28



ผลของตวเรงปฏกรยา (catalyst)

• ระบบเขาสสมดลเรวขน • ตวเรงจะไปลด activation energy ของ ปฏกรยาไปขางและยอนกลบลง

ระบบกอนสภาวะสมดลการเตมตวเรงจะท าให

ระบบทอยในสภาวะสมดล

• การเตมตวเรงไมท าใหสมดลเปลยน

• แตจะไปเรงอตราการเกดปฏกรยา

H2(g) + O2 (g) 2H2O(g) ท 25 ๐c

Pt black

• ถาไมม Pt black อาจไมเกดปฏกรยา

[H2O]2

[H2]2 [O2] K =

Date post:	27-Jun-2015
Category:	Documents
Upload:	jirat266
View:	8,042 times
Download:	4 times

สมดุลเคมี

Documents