การเปลี่ยนแปลงที่ทำให้เกิดภาวะสมดุล

1. การเปลี่ยนแปลงที่ทำให้เกิดภาวะสมดุลการเปลี่ยนแปลงที่ทำให้เกิดภาวะสมดุล เมื่อระบบหนึ่ง ๆ มีการเปลี่ยนแปลงชนิดผันกลับได้ เมื่อการเปลี่ยนแปลง ถึงภาวะหนึ่งสมบัติต่าง ๆ ของระบบ เช่น สี ปริมาณสาร ในระบบนั้นจะคงที่ ณ ภาวะนี้เรียกว่า ภาวะสมดุลพิจารณาได้ดังนี้ ระบบหนึ่ง ๆจะเกิดภาวะสมดุลได้ก็ต่อเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงแบบผันกลับได้เสมอ ๆ - การเปลี่ยนแปลงที่ผันกลับได้จะต้องเกิดขึ้นในระบบปิดเสมอ ดังนั้นจึงสรุปได้ว่า ภาวะสมดุลของระบบจะต้องเกิดขึ้นในระบบปิดเท่านั้น

2. การเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นในระบบสามารถสรุปได้เป็นการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นในระบบสามารถสรุปได้เป็น ประเภทการเปลี่ยนแปลง ดังนี้ 1. การเปลี่ยนแปลงสถานะ เช่น การกลายเป็นไอของน้ำในภาชนะปิด น้ำเปลี่ยนสถานะจากของเหลวเป็นก๊าซ H2O(l) H2O(g) หรือการระเหิดของไอโอดีนในภาชนะปิด ซึ่งเปลี่ยนสถานะไอโอดีนจากของแข็งเป็นก๊าซ I2(s) I2 (g) ดังนั้น ในระบบอาจมีการเปลี่ยนสถานะจากของแข็งเป็นของเหลว หรือจากของเหลวเป็นก๊าซ หรือจากก๊าซเป็นของแข็ง อย่างใดอย่างหนึ่ง

3. 2. การเกิดสารละลาย เช่น การละลายของ O2 ในน้ำ การละลายของเกลือซึ่งเป็นของแข็งในน้ำ หรือการละลายของของเหลวในน้ำ เช่น การละลายของแอลกอฮอล์ในน้ำ สารละลายที่ได้นี้อาจเกิดการผันกลับได้ เช่นการละลายของเกลือ NaCl ในน้ำ ได้สารละลาย แต่เมื่อให้ความร้อน จะเกิดการตกผลึกของเกลือ NaCl กลับมา การละลาย NaCl (s) + H2O Na+ (aq) + Cl- (aq) การตกผลึก

4. 3. การเกิดปฏิกิริยาเคมี การเปลี่ยนแปลงในระบบ อาจเกิดปฏิกิริยาเคมีได้ เช่น การละลายของก๊าซ CO2 ในน้ำ อาจจะเกิดการเปลี่ยนแปลงในลักษณะการแพร่ของก๊าซ CO2 ในน้ำหรืออาจเกิดปฏิกิริยาเคมีกับน้ำได้กรดคาร์บอนิก CO2 (g) + H2O (l) H2CO3 การเปลี่ยนแปลงในระบบนี้อาจเป็นการเปลี่ยนแปลงที่ผันกลับได้ หรือผันกลับไม่ได้ ขึ้นอยู่กับชนิดของการเปลี่ยนแปลง หรือปฏิกิริยานั้นๆ และขึ้นอยู่กับภาวะของการเปลี่ยนแปลง

5. การเปลี่ยนแปลงต่อไปนี้จัดว่าเกิดในระบบใดการเปลี่ยนแปลงต่อไปนี้จัดว่าเกิดในระบบใด ก. การหุงข้าว ข. การละลายของ KI ในน้ำที่บรรจุในบีกเกอร์ ค. การเผา CaCO3 ในภาชนะเปิด ง. ปฏิกิริยาสะเทินระหว่างกรด HCl กับ NaOH จ. การเผา Pb(NO3)2 ฉ. ปฏิกิริยาระหว่าง CaCO3กับกรดเกลือเจือจาง

6. เฉลย ก. การหุงข้าว เป็นระบบเปิด เพราะน้ำจะระเหยกลายเป็นไอออกไปจากระบบ ทำให้มวลไม่คงที่ ข. การละลายของ KI ในน้ำจัดเป็นระบบเปิด ปฏิกิริยาการละลายของ KI ในน้ำ KI จะเปลี่ยนสถานะ สารละลายจะร้อนขึ้น คือมีการถ่ายเทพลังงานความร้อนให้รับสิ่งแวดล้อม คือบีกเกอร์ แต่มวลของ KI ไม่มีการเปลี่ยนแปลง ค. การเผา CaCO3 ในภาชนะเปิด เป็นระบบเปิด CaCO3 จะสลายตัวหมดให้ CaO และ CO2 ดังนี้ CaCO3(s)  CaO (s) + CO2 (g) ก๊าซ CO2 จะออกไปจากระบบทำให้มวลของสารไม่คงที่

7. ง. ปฏิกิริยาสะเทินระหว่างกรด HCl กับ NaOH เป็นระบบปิด HCl ทำปฏิกิริยากับกรดได้เกลือกับน้ำ HCl (aq) + NaOH (aq)  NaCl (aq) + H2O มวลของสารก่อนทำปฏิกิริยา และหลังทำปฏิกิริยาจะไม่เปลี่ยนแปลง จ. การเผา Pb(NO3)2 เป็นระบบเปิด เนื่องจากได้ก๊าซ NO2 และ O2 เป็นผลิตภัณฑ์ ซึ่งออกไปจากระบบได้ ทำให้มวลของสารลดลง Pb(NO3)2 PbO2 + NO2 (g) + O2 (g) ฉ. ปฏิกิริยาระหว่าง CaCO3กับกรดเจือจาง เป็นระบบเปิด เพราะปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นจะได้ก๊าซ CO2ซึ่งออกไปจากระบบ CaCO3 (s) + 2HCl (aq)  CaCl2(s) + H2O (l) + CO2 (g)

8. สมดุลไดนามิก (dynamic equilibrium) สมดุลไดนามิก เป็นสมดุลของระบบที่ปฏิกิริยาไปข้างหน้าและ ปฏิกิริยาย้อนกลับ เกิดขึ้นตลอดเวลา ด้วยอัตราเร็วเท่ากัน ดังนั้น ถึงแม้ว่า เราจะไม่สามารถสังเกตเห็นการเปลี่ยนแปลงใดๆ ที่เกิดขึ้นในภาวะสมดุลก็ ตาม ระบบยังคงมีการเปลี่ยนแปลงไปและกลับอยู่ตลอดเวลา ให้พิจารณา ปฏิกิริยาการสลายตัวของฟอสฟอรัสเพนตะคลอไรด์ PCl5 ต่อไปนี้ การสลายตัว PCl5 PCl3 (g) + Cl2 (g) การรวมตัวกัน

9. เมื่อสารตั้งต้นและสารผลิตภัณฑ์อยู่ในภาชนะปิด ถ้าวัดความดัน ทั้งหมดจะพบว่าความดันค่อยๆ เพิ่มขึ้น เมื่อปฏิกิริยาสลายตัวเกิดขึ้น และเมื่อเวลาผ่านไปความดันจะคงที่สูงสุด การสลายตัวของ PCl5 ยังคงเกิดขึ้นตลอดเวลา และในขณะเดียวกันการรวมตัวกันของ PCl3 และ Cl2 เพื่อให้เกิด PCl5ก็เกิดขึ้นตลอดเวลาเช่นกัน และอัตราการ เกิดปฏิกิริยาการสลายตัวของ PCl5 จะเท่ากับอัตราการรวมตัวกันของ PCl3 และ Cl2 ภาวะนี้ เรียกว่า สมดุลไดนามิก ซึ่งเปรียบเทียบปฏิกิริยา เคมีที่เข้าสู่ภาวะสมดุลนี้ได้กับการไหลของน้ำต่อไปนี้

11. ภาวะสมดุลนี้อาจแบ่งออกได้ตามลักษณะทางภาวะสมดุลนี้อาจแบ่งออกได้ตามลักษณะทาง กายภาพและทางเคมีได้ดังนี้ 1. ภาวะสมดุลระหว่างสถานะ 2. ภาวะสมดุลของการละลาย 3. ภาวะสมดุลเคมี

12. ภาวะสมดุลระหว่างสถานะภาวะสมดุลระหว่างสถานะ สถานะของสารมีได้ทั้งของแข็ง ของเหลว และก๊าซ ภาวะสมดุลระหว่างสถานะ หมายถึง การเกิดการเปลี่ยนแปลง กลับไปกลับมาของสารที่มีสถานะเป็นของเหลวกับก๊าซ ของแข็งกับก๊าซ หรือของแข็งกับของเหลว

13. ภาวะสมดุลระหว่างสถานะ สรุปได้เป็นประเภทดังนี้ 1. ภาวะสมดุลที่เกิดจากการเปลี่ยนสถานะจากของแข็งเป็นของเหลวและของเหลวเป็นของแข็ง เช่น I2 (s) I2 (aq) 2. ภาวะสมดุลที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงสถานะ จากของเหลวเป็นก๊าซและก๊าซเป็นของเหลว เช่น H2O (l) H2O (g) 3. ภาวะสมดุลที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงสถานะจากของแข็งเป็นก๊าซ และก๊าซเป็นของแข็ง เช่น แนพทาลีน (s) แนพทาลีน (g)

14. ภาวะสมดุลของการละลาย เมื่อนำเอาเกลือ เช่น NaCl มาละลายน้ำที่มีปริมาตรคงที่จำนวนหนึ่ง โดยค่อยๆ เติม เกลือลงไป เมื่อเริ่มต้นจะพบว่าเกลือละลายได้ดี และเมื่อเวลาผ่านไปการละลายจะลดลง จนกระทั่งถึงจุดหนึ่งเกลือจะไม่ละลายอีกต่อไป จะสังเกตเห็นผลึกของเกลืออยู่ในน้ำเกลือ เรียกว่า สารละลายอิ่มตัวของเกลือ และเกิดภาวะสมดุลขึ้น ซึ่งอธิบายได้ว่า เกลือละลายได้ ในน้ำได้เป็นไอออนของเกลือในน้ำ เมื่อเวลาผ่านไปไอออนนั้นเกิดการรวมตัวกลับมาเป็น ผลึกเกลือ NaCl ได้ และถ้าอัตราการละลายของเกลือและอัตราการตกผลึกของเกลือ เท่ากัน ความเข้มข้นของเกลือจะคงที่ เรียกภาวะนี้ว่า สมดุลของการละลาย การละลาย ของเกลือ และการตกผลึกของเกลือเกิดขึ้นพร้อมๆ กันตลอดเวลา ของแข็งและของเหลว อยู่ในภาวะสมดุลซึ่งกันและกัน

15. การละลาย NaCl (s) + H2O Na+ (aq) + Cl- (aq) การตกผลึก ปฏิกิริยาการละลายของ NaCl (s) เป็นปฏิกิริยาไปข้างหน้า () และปฏิกิริยาการตกผลึกของ Na+ (aq) และ Cl- (aq) เป็นปฏิกิริยาย้อนกลับ ( ) เกิดขึ้นพร้อมกัน และด้วยความเร็วเท่ากัน

16. ภาวะสมดุลเคมี การเกิดภาวะสมดุลของสถานะ และการเกิดภาวะสมดุลของการ ละลายนั้น เป็นการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพ การเปลี่ยนแปลงทางเคมีก็ทำให้ เกิดภาวะสมดุลได้เช่นกัน เรียกว่า สมดุลเคมี และเป็นสมดุลไดนามิก ปฏิกิริยาเคมี ที่สารตั้งต้น A และ B ทำปฏิกิริยากัน ได้สาร C และ D A + B C + D ปฏิกิริยานี้ จะเกิดภาวะสมดุล เมื่อปฏิกิริยาเป็นชนิดที่ผันกลับได้ โดยมี ปฏิกิริยา A + B  C + D เป็นปฏิกิริยาไปข้างหน้า และปฏิกิริยา C + D  A + B เป็นปฏิกิริยาย้อนกลับ

17. เมื่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าเท่ากับ อัตราการ เกิดปฏิกิริยาย้อนกลับ ปฏิกิริยาอยู่ในภาวะสมดุล อัตราของ ปฏิกิริยาไปข้างหน้าจะมีค่ามากเมื่อเริ่มต้น ในขณะที่อัตราการ เกิดปฏิกิริยาย้อนกลับเป็นศูนย์ เมื่อเวลาผ่านไปสารตั้งต้น A และ B ถูกใช้ไปทำให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าลดลง ในขณะที่ อัตราการเกิดปฏิกิริยาย้อนกลับมากขึ้น จนในที่สุด เมื่อเข้าสู่ภาวะ สมดุลอัตราของปฏิกิริยาทั้งสองจะเท่ากัน

18. ระบบต่อไปนี้ระบบใดอยู่ในภาวะสมดุลระบบต่อไปนี้ระบบใดอยู่ในภาวะสมดุล ก. น้ำอัดลมในขวดที่ปิดฝาอยู่ ข. ปรอทในเทอร์โมมิเตอร์ ค. เกล็ดไอโอดีนตั้งทิ้งไว้ในบีกเกอร์ ง. สารละลายที่มีตะกอน CuS อยู่ จ. ปฏิกิริยาการเตรียม NH3 ในภาชนะปิด ฉ. การเผา CaCO3

19. เฉลย ก. น้ำอัดลมที่อยู่ในขวดที่ปิดฝา คือ กรดคาร์บอนิกในน้ำ ซึ่งสามารถแตกตัวให้ CO2 และ H2O H2CO3 H2O + CO2 เมื่ออยู่ในฝาที่ปิด CO2 ไม่สามารถออกไปสู่อากาศภายนอกได้ ก็จะละลายกลับลงมาในน้ำ ทำให้เกิดปฏิกิริยาย้อนกลับได้ด้วย ระบบจึงอยู่ในภาวะสมดุล ข. ปรอทในเทอร์โมมิเตอร์ ก็จัดอยู่ในภาวะสมดุล เนื่องจากปรอทสามารถระเหยเป็นไอได้ ไอปรอทซึ่งอยู่ในหลอดแก้วปิด ก็จะกลับมาเป็นปรอทที่เป็นของเหลวได้ในที่สุด ก็จะเกิดภาวะสมดุล Hg (l) Hg(g)

20. เกล็ดไอโอดีน ตั้งทิ้งไว้ในบีกเกอร์ เกิดการระเหิดเป็นไอ และเมื่อตั้งทิ้งไว้ในบีกเกอร์ก็จะเป็นไอออกไปสู่บรรยากาศ ไม่ย้อนกลับมาเป็นของแข็งระบบนี้ ไม่อยู่ในภาวะสมดุล ง. สารละลายที่มีตะกอน CuS แสดงว่า CuS ไม่ละลายอีกต่อไปแล้ว สารละลายเกิดการอิ่มตัวด้วย CuS จึงเกิดภาวะสมดุลระหว่าง CuS ที่เป็นของแข็ง กับ Cu2+ และ S2- ซึ่งอยู่ในน้ำ โดยที่ Cu2+ และ S2- จะรวมกันกลับมาเป็นตะกอน CuS CuS (s) Cu2+ (aq) + S2- (aq)

21. จ. การเตรียม NH3 ในภาชนะปิด เป็นระบบที่อยู่ในภาวะสมดุลเพราะ N2 และ H2 รวมตัวได้ NH3ซึ่งสารทั้งหมดเป็นก๊าซ เมื่ออยู่ในภาชนะปิดไม่สามารถหนีออกไปได้ เมื่อ NH3 มีปริมาณมากขึ้น จะเกิดการสลายตัวกลับมาเป็น N2 และ H2ด้วยเช่นกัน N2 (g) + H2 (g) 2NH3 (g) ฉ. การเผา CaCO3 จะได้ CO2 เป็นก๊าซ จะหนีออกไปในอากาศ ทำให้ปฏิกิริยาย้อนกลับไม่สามารถเกิดขึ้นได้ ภาวะสมดุลจึงไม่เกิดขึ้น CaCO3 (s) CaO (s) + CO2 (g)

22. ลักษณะทั่วไปของสมดุล 1. ระบบมีการเปลี่ยนแปลงแบบผันกลับได้ 2. เป็นสมดุลไดนามิก หมายถึง ภาวะสมดุลที่มีการเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา อัตราการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าเท่ากับอัตราการเกิดปฏิกิริยาย้อนกลับ 3. ภาวะสมดุลเกิดในระบบปิดหรือระบบอิสระ แต่จะไม่สามารถเกิดได้ใน ระบบเปิด ดังตัวอย่างเช่น การเผา CaCO3 ถ้าเผาในระบบเปิด CaCO3(s) จะ สลายตัวเป็น CaO (s) และ CO2 หมด แต่ถ้าเผาในระบบปิด CaCO3 จะไม่ หมดไป ไม่ว่าจะเผานานเท่าใด ทั้งนี้เพราะ CaO และ CO2 ในระบบปิดจะทำ ให้ปฏิกิริยากลับมาเป็น CaCO3 ทำให้เกิดภาวะสมดุล

23. 4. ระบบดำเนินเข้าสู่ภาวะสมดุลได้เอง จากตัวอย่างปฏิกิริยา H2 (g) และ I2 (g) ได้ HI ดำเนินไปเรื่อยๆ จนปฏิกิริยาเข้าสู่ภาวะสมดุลเอง ความเร็วของปฏิกิริยาไปข้างหน้า เท่ากับความเร็วของปฏิกิริยาย้อนกลับ ถ้ามีอิทธิพลจากภายนอก เช่น การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิหรือความดัน ก็จะทำให้สมดุลของระบบเสียไป ความเร็วของปฏิกิริยาไปและกลับจะไม่เท่ากัน แต่ถ้าอิทธิพลภายนอกนั้นหยุดรบกวน ปฏิกิริยาก็จะดำเนินเข้าสู่สมดุลเองได้อีกครั้ง

24. 5. การดำเนินเข้าสู่ภาวะสมดุลของระบบอาจจะเริ่มจากทิศทางใดก็ได้ ตัวอย่างปฏิกิริยา H2 (g) + I2 (g) 2HI (g) หรือ 2HI H2 (g) + I2 (g) ปฏิกิริยาไปข้างหน้าหรือปฏิกิริยาตั้งต้น อาจจะเป็นปฏิกิริยาการ รวมตัวของ H2 และ I2 หรืออาจเป็นปฏิกิริยาการสลายตัวของ HI ปฏิกิริยาจะเริ่มจากทิศทางใดก่อนก็ได้ ในที่สุดระบบก็จะเข้าสู่ภาวะ สมดุลเดียวกัน

25. 6. เมื่อเริ่มปฏิกิริยา อัตราการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าจะสูง แล้วค่อยๆ ลดลง ในขณะที่อัตราการเกิดปฏิกิริยาย้อนกลับตั้งต้นเป็นศูนย์ เมื่อเริ่มปฏิกิริยาแล้วค่อยๆ เพิ่มขึ้น จนในที่สุดอัตราการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าและย้อนกลับเท่ากัน อัตราการของปฏิกิริยาขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสาร อัตราการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสารตั้งต้น ในขณะที่อัตราของปฏิกิริยาย้อนกลับขึ้นกับความเข้มข้นของสารผลิตภัณฑ์

26. การดำเนินเข้าสู่ภาวะสมดุลของระบบการดำเนินเข้าสู่ภาวะสมดุลของระบบ การดำเนินเข้าสู่ภาวะสมดุลของระบบนั้นอาจเกิดขึ้นในทิศทางใดก็ได้ หมายถึง ภาวะสมดุลอาจเริ่มจากสารตั้งต้นไปยังสารผลิตภัณฑ์ (ปฏิกิริยาไปข้างหน้า) หรืออาจเกิดจากสารผลิตภัณฑ์กลับมายังสารตั้งต้น และความเร็วที่ระบบจะเข้าสู่ภาวะสมดุลนั้นก็ต่างกัน ขึ้นอยู่กับชนิดของสารหรือชนิดของปฏิกิริยา