สมดุลเคมีและสมดุลไอออน

1. สมดุลเคมีและสมดุลไอออนสมดุลเคมีและสมดุลไอออน

2. 2H2 + O2 2H2O Zn + 2H+ Zn2+ + H2 C + O2 CO2 III) การเกิดปฏิกิริยาเคมี ปฏิกิริยาเคมี • ปฏิกิริยาไปข้างหน้าอย่างเดียว หรือ • ปฏิกิริยาสมบูรณ์ (Irreversible reaction) • ปฏิกิริยาที่สารตั้งต้นทำปฏิกิริยากัน จนหมด เกิดเป็นผลิตภัณฑ์อย่างสมบูรณ์ โดยไม่ย้อนกลับ

3. NO2 + NO2 N2O4 2. ปฏิกิริยาแบบมีสมดุล หรือปฏิกิริยาไม่สมบูรณ์ • ปฏิกิริยาที่สารตั้งต้นทำปฏิกิริยากัน เกิด ผลิตภัณฑ์และขณะเดียวกันผลิตภัณฑ์บาง ส่วนทำปฏิกิริยากันกลับเป็นสารตั้งต้นใหม่ ทำให้ปฏิกิริยาเกิดไม่สมบูรณ์ไม่ว่าจะใช้ เวลานานเท่าใดก็ตาม • เรียกว่า ปฏิกิริยาผันกลับได้ (Reversible reaction) สีน้ำตาลแก่ ไม่มีสี

10. ตัวอย่าง การเปลี่ยนแปลงของระบบใดต่อไปนี้ผันกลับ ได้ ก. ถ้วยใส่น้ำแข็งวางไว้ในห้อง ข. น้ำโซดาในขวดปิดฝา ค. เกล็ด I2ในขวดชมพู่ปิดฝา ง. ละลายน้ำตาลในน้ำจนอิ่มตัวมีน้ำตาลเหลือ ในบิกเกอร์ จ. ผสม NaOH กับ NH4Cl ในบิกเกอร์ที่ไม่ได้ ปิดฝา

11. KNO3(s) K+(aq) + NO3- (aq) ของแข็ง ของเหลว ก๊าซ การเปลี่ยนแปลงที่ผันกลับได้ การเปลี่ยนแปลงของระบบที่ผันกลับได้ก่อให้เกิด สมดุลเคมีได้มี 3 ประเภท I) การละลายเป็นสารละลาย II) การเปลี่ยนสถานะของสาร

15. ภาวะสมดุล (Equilibrium state) • ภาวะของระบบที่อัตราเร็วของการเปลี่ยนแปลง • ไปข้างหน้าเท่ากับอัตราเร็วของการเปลี่ยนแปลง • ย้อนกลับ - ที่สมดุลความเข้มข้นของสารตั้งต้นและ สารผลิตภัณฑ์คงที่ เงื่อนไขของการเกิดภาวะสมดุลเคมี 1. อยู่ในระบบปิด 2. สมบัติของระบบคงที่ 3. เป็นการเปลี่ยนแปลงที่ผันกลับได้

16. 2Fe3+ + 2I- 2Fe2+ + I2 4. อัตราการเปลี่ยนแปลงไปข้างหน้าเท่ากับ อัตราการเปลี่ยนแปลงย้อนกลับ 5. ระบบนั้นต้องมีสารตั้งต้นเหลือ และสารผลิต ภัณฑ์เกิดขึ้น สารทุกชนิดในระบบต้องมี ปริมาณคงที่ ภาวะสมดุลในปฏิกิริยาเคมี เมื่อระบบคงที่เอาสารละลายมาทดสอบสารแต่ละ ชนิดในระบบ

17. 2Fe2+ + I22Fe3+ + 2I- 2Fe3+ + 2I- 2Fe2+ + I2 พบว่าทดสอบพบสารทุกชนิด - I2ทดสอบด้วยน้ำแป้ง ให้สีน้ำเงิน - Fe2+ทดสอบด้วย [Fe(CN)6]3- ให้ตะกอนสีน้ำเงิน - Fe3+ทดสอบด้วย SCN- ให้สารละลายสีแดง เลือดนก - I-ทดสอบด้วย AgNO3ให้ตะกอนสีเหลืองอ่อน สรุป

18. ในปฏิกิริยาผันกลับใดๆ ที่เกิดขึ้น จะมีการ • เปลี่ยนแปลงของปฏิกิริยาจนถึงภาวะหนึ่ง • ที่การเปลี่ยนแปลงของสารตั้งต้นและผลิต • ภัณฑ์คงที่ เรียกว่า ภาวะสมดุล สมดุลไดนามิก (Dymamic Equilibrium) • เป็นขบวนการที่ระบบมีการเปลี่ยนแปลงตลอด • เวลาไม่หยุดนิ่ง โดยการเปลี่ยนแปลงไปข้างหน้า • และย้อนกลับเกิดขึ้นในอัตราที่เท่ากัน • สมดุลเคมี เป็นสมดุลพลวัต (dymamic • equilibrium)

19. N2O4 2NO2 NO2 N2O4 ตัวอย่าง ไม่มีสี สีน้ำตาลแก่

20. N2 + 2H2 2NH3 CH3COOH + CH3CH2OH CH3COOCH2CH3 + H2O PbO + Sn Pb + SnO CH3COOH CH3COO- + H+ Fe2+ Fe3+ + e ประเภทของสมดุลไดนามิก 1.สมดุลเคมีเนื้อเดียว (Homogeneouschemical equilibrium) • สมดุลที่สารทุกชนิดอยู่ในสถานะเดียวกันหมด

21. CaCO3 CaO + CO2 AgCl Ag+ + Cl- H2 + Br2 2HBr 2.สมดุลเคมีเนื้อผสม (Heterogeneouschemical equilibrium) • สมดุลที่มีสารต่างๆมากกว่า 2 สถานะอยู่ • ในระบบเดียวกัน

22. O O O O N N N N O O O O N2O4 NO2 การดำเนินเข้าสู่ภาวะสมดุลของระบบ • ปฏิกิริยาสามารถเริ่มจากด้านใดก็ได้ - ผลที่ได้จะมีลักษณะเช่นเดียวกัน

23. N2O4 N2O4 ความเข้มข้น ความเข้มข้น N2O4 ความเข้มข้น NO2 NO2 NO2 เวลา เวลา เวลา เริ่มต้นมี NO2 อย่างเดียว เริ่มต้นมี N2O4 อย่างเดียว เริ่มต้นมี N2O4 และ NO2 ที่สมดุลความเข้มข้นของ NO2 และ N2O4 ไม่เท่ากัน

24. X2 + 2Y2 2XY2 X2 + 2Y2 2XY2 X2 + 2Y2 2XY2 อัตราการเกิดปฏิกิริยา 2XY2 X2 + 2Y2 เวลา (s) กราฟของสมดุลเคมี 1. กราฟอัตรากับเวลา

25. X Y [Y] ความเข้มข้น [X] เวลา 2.กราฟระหว่างความเข้มข้นกับเวลา ก. สารตั้งต้นเหลือน้อยกว่าผลิตภัณฑ์ [X] < [Y]

26. X Y ความเข้มข้น [X] [Y] เวลา ข. สารตั้งต้นเหลือมากกว่าผลิตภัณฑ์ [X] > [Y]

27. X Y ความเข้มข้น [X] [Y] เวลา ค. สารตั้งต้นเหลือเท่ากับผลิตภัณฑ์ [X] > [Y]

28. N2 + 3H2 2NH3 ตัวอย่าง กำหนดสมดุลของปฏิกิริยา เริ่มต้นใส่ก๊าซ N2 1.0 โมล และก๊าซ H2 0.8 โมล ในภาชนะ 1 dm3ให้ทำปฏิกิริยากัน เกิดก๊าซ NH3 ที่อุณหภูมิหนึ่ง โดยอัตราไปข้างหน้าลดลงช้า แต่ อัตราการเกิดปฏิกิริยาย้อนกลับเพิ่มขึ้น เมื่อเข้าสู่ สมดุลพบว่ามีก๊าซ NH3 เกิดขึ้น 0.4 โมล ที่เวลา 30 วินาที จงเขียนกราฟแสดงสมดุล

29. อัตราการเกิดปฏิกิริยาอัตราการเกิดปฏิกิริยา N2 + 3H2 2NH3 N2 + 3H2 2NH3 30 เวลา (s) 2NH3 N2 + 3H2 1. กราฟอัตรากับเวลา

30. [N2] ความเข้มข้น [NH3] [H2] เวลา (s) 30 2.กราฟระหว่างความเข้มข้นกับเวลา

31. 2. ค่าคงที่สมดุล พิจารณาผลการทดลองปฏิกิริยาการเปลี่ยน แปลง N2O4----- NO2ที่ 25 ๐c

32. aA + bB cC + dD K = [C]c[D]d [A]a[B]b พบว่าที่สมดุล[NO2]2/[N2O4] มีค่าคงที่ \ K = [NO2]2/[N2O4] = 4.63x10-3 K = ค่าคงที่ของปฏิกิริยา สำหรับปฏิกิริยาผันกลับทั่วๆไป K = ค่าคงที่สมดุล (equilibrium constant)

33. เสนอโดย - Cato Guldberg และ Peter Waage - เรียกว่า “Law of mass action” ในปฏิกิริยาผันกลับ ณ สภาวะสมดุลที่ อุณหภูมิคงที่ อัตราส่วนหนึ่งระหว่างความ เข้มข้นของสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์มีค่า คงที่ ค่าคงที่สมดุล อัตราส่วนระหว่างผลคูณของผลิตภัณฑ์ยกกำลัง สัมประสิทธิ์ของมันหารด้วยผลคูณของสารตั้งต้น ยกกำลังสัมประสิทธิ์ของมันในสมการที่ดุล

34. ก. 4NH3+ 5O2 4NO + 6H2O ข. 2SO3+ 2Cl2 2SO2Cl2 + O2 ค. SO3+ H2 SO2 + H2O ความสำคัญของค่าคงที่สมดุล, K • บอกให้ทราบว่าที่สมดุลมีสารตั้งต้นหรือ • ผลิตภัณฑ์มากกว่ากัน • K >> 1 สมดุลไปทางขวามีผลิตภัณฑ์มากกว่า • K << 1 สมดุลไปทางซ้ายมีสารตั้งต้นมากกว่า โจทย์ จงเขียนความสัมพันธ์ของค่าคงที่สมดุลและ หน่วยของค่าคงที่สมดุลจากปฏิกิริยาต่อไปนี้

35. ง. 2HgO(s) 2Hg(l) + O2(g) จ. H2O(l) H+(aq) + OH-(aq) **ของแข็งและของเหลวที่บริสุทธ์มีความเข้มข้น คงที่ให้นำความเข้มข้นไปรวมกับค่า K

36. 2A + BA2B ความสัมพันธ์ของอัตราการเกิดปฏิกิริยาและค่า คงที่สมดุล ให้ Rfแทนอัตราไปข้างหน้ามีค่าคงที่ kf ให้ Rrแทนอัตราย้อนกลับมีค่าคงที่ kr Rf = kf[A]2[B] Rr = kr[A2B] ที่สมดุลจะได้ว่า Rf = Rr

37. kf = [A2B] kr [A]2[B] kf[A]2[B] = kr[A2B] ณ อุณหภูมิคงที่ K = kf/kr

38. K1 = [CH3OH] [CO][H2]2 CH3OH CO + 2H2 K2 = [CO][H2]2 = 1/K1 CO + 2H2 CH3OH [CH3OH] ความสัมพันธ์ของค่าคงที่สมดุลกับสมการเคมี • ถ้ากลับสมการ

39. K3 = [CH3OH]2 [CO]2[H2]4 2CO + 4H2 2CH3OH • ถ้าคูณหรือหารสมการด้วยตัวเลข ต้องนำค่า • K เดิมมายกกำลังด้วยตัวเลขที่คูณนั้น K3 = K12 • ค่าคงที่สมดุลของปฏิกิริยาที่เกิดจากปฏิกิริยา • ย่อยมารวมกันจะมีค่าเท่ากับผลคูณของค่าคง • ที่สมดุลของปฏิกิริยาย่อยเหล่านั้น

40. SO2 + NO2 SO3 + NO K= [SO3][NO] [SO2][NO2] SO2 + ½O2 SO3 ……………. (1) K1 = [SO3] [SO2][O2]1/2 ถ้าปฏิกิริยานี้มีปฏิกิริยาย่อยคือ

41. SO2 + NO2 SO3 + NO NO2 NO + ½O2…… (2) K= [SO3][NO] K2 = [NO] ][O2]1/2 [SO2][NO2] [NO2] (1)+(2) ;

42. K1K2 = [SO3] [NO] ][O2]1/2 [SO2][O2]1/2[NO2] ผลคูณของค่าคงที่สมดุลของ (1) และ (2) K1K2 = K ถ้าปฏิกิริยารวมเกิดจากปฏิกิริยาย่อยรวมกัน ค่าคงที่สมดุลจะเท่ากับค่าคงที่สมดุลของปฏิกิริยา ย่อยคูณกัน

43. การคำนวณเกี่ยวกับค่าคงที่สมดุลการคำนวณเกี่ยวกับค่าคงที่สมดุล 1. เขียนสมการเคมีพร้อมดุล 2. หาความเข้มข้นของสารทั้งหมดที่ภาวะสมดุล 3. เขียนสมการแสดงค่าคงที่สมดุล 4. แทนค่าความเข้มข้นของสารต่างๆ ที่ ภาวะสมดุล ตัวอย่าง ก๊าซไนโตรซิลคลอไรด์ (NOCl) 2.5 mol ในภาชนะ 1.5 dm3สลายตัวที่ 400 ๐c หลังจากเข้า สู่สมดุลพบว่า NOCl สลายตัว 28% จงคำนวณค่า K ของปฏิกิริยานี้

44. 2NOCl 2NO + Cl2 K= [NO]2[Cl2] [NOCl]2 K = (0.47)2 (0.235) (1.2)2 เริ่มต้น 2.5/1.5 0 0 เปลี่ยนไป -0.47 +0.470 0.47/2 สมดุล 1.67-0.47 0+0.470 0+(0.47/2) K = 3.6 x 10-2 mol/dm3

45. P = n RT V aAbB ค่าคงที่สมดุลของระบบที่เป็นก๊าซ • ในระบบที่เป็นก๊าซจะใช้ความดันย่อยแทน • ความเข้มข้น จาก PV = nRT n/V = ความเข้มข้นเป็นโมลต่อลิตร KC = [B]b/[A]a

46. b nBRT V KP = a nART V KP = [B]b (RT)b-a [A]a KP = (PB)b/(PA)a \ KP = KC (RT)Dn Dn = b-a

47. H2 +Br2 2HBr P มีหน่วยเป็น atm R = 0.0821 lּatm K-1 mol \ KP = KC (0.0821T)Dn ถ้า Dn= 0 KP = KC (0.0821T)0 \ KP = KC ตัวอย่างเช่น

48. 2NOCl 2NO + Cl2 ตัวอย่าง จงหาค่า Kpของการสลายตัวของก๊าซ NOCl ที่ 500 K ถ้า NOCl 1 atm สลายตัวให้ NO และ Cl2 ที่สมดุลพบว่าสลายตัวไป 27 % ตอบ 1.84 x 10-2 atm

49. CO2 CO2 CaCO3 CaO CaCO3 CaO 2CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g) สมดุลเคมีเนื้อผสม(Heterogeneous chemical equilibrium) • สารตั้งต้นและสารผลิตภัณฑ์ไม่รวมเป็น • เนื้อเดียวกันหรืออยู่ต่างสถานะกัน ที่ 400 ๐c

50. ณ สมดุลความดันของ CO2เท่ากันทั้งๆที่ปริมาณ ของ CaCO3 และ CaO ไม่เท่ากัน Kc’ = [CaO][CO2]/[CaCO3] แสดงว่าความเข้มข้นของของแข็งมีค่าคงที่ Kc =Kc’ [CaCO3]/[CaO] =[CO2] หรืออาจเขียนในรูป KP KP = PCO2