การเปลี่ยนแปลงภาวะสมดุล 

                หลังจากที่ระบบเข้าสู่ภาวะสมดุลแล้วก็ไม่ได้หมายความว่าจะยืนยาวคงสภาพนั้นไปได้ตลอด  เมื่อเข้าสู่ภาวะสมดุลแล้วก็อาจถูกรบกวนทำให้เสียภาวะสมดุลไปได้อีก  หลังจากนั้นจะกลับเข้าสู่ภาวะสมดุลได้อีกหรือไม่  ก็ขึ้นอยู่กับปัจจัยที่มารบกวนภาวะสมดุลนั้น ๆ ว่ามีความรุนแรงเพียงใด  ถ้าปัจจัยที่มารบกวนไม่รุนแรงมากจนเกินไป  สมดุลส่วนใหญ่จะปรับตัวเข้าสู่ภาวะสมดุลได้ใหม่แต่จะไม่ใช่สมดุลเดิม

                ปัจจัยที่จะมีผลให้ภาวะสมดุลต้องเสียไปนั้น  ก็คือปัจจัยที่มีผลต่ออัตราเร็วของปฏิกิริยา  ดังเป็นที่ทราบแล้วว่าระบบใด ๆ ก็ตามเมื่ออยู่ในภาวะสมดุลนั้นอัตราเร็วของการเปลี่ยนแปลงไปข้างหน้า  กับอัตราเร็วของการเปลี่ยนแปลงย้อนกลับจะมีค่าเท่ากัน  ฉะนั้นเมื่อภาวะสมดุลได้รับปัจจัยใด ๆ ที่มีผลให้อัตราเร็วของปฏิกิริยาไปข้างหน้าหรืออัตราเร็วของปฏิกิริยาย้อนกลับเปลี่ยนแปลงไปจากเดิมแล้ว  ภาวะสมดุลก็จะเสียไปทันที

                ในเรื่องที่เกี่ยวกับผลของปัจจัยที่มีจ่ออัตราเร็วของปฏิกิริยานี้  นักเคมีชาวฝรั่งเศสชื่อ  อองรี  ลุย  เลอ  ชาเตอลิเอ (Henri Louis Je Chatelier) (คลิ้ก อ่านประวัต Chatelier) ซึ่งมีชีวิตอยู่ระหว่าง พ.ศ. 2393-2479  ได้ศึกษาค้นคว้าและสรุปผลว่าเมื่อใช้ปัจจัยใด ๆ มารบกวนภาวะสมดุลแล้ว  ภาวะสมดุลจะปรับตัวไปในทิศทางที่จะลดความรุนแรงของปัจจัยที่มารบกวนนั้นเพื่อเข้าสู่ภาวะสมดุลใหม่  เช่น  A  ↔  B  อยู่ในภาวะสมดุล   
       -  ถ้าเติม  A ลงไป  การเปลี่ยนแปลงจาก  A  →  B  จะเกิดได้ดีขึ้น
       -  ถ้าเติม  B ลงไป  การเปลี่ยนแปลงจาก  B  →  A  จะเกิดได้ดีขึ้น


ปัจจัยที่มีผลต่อการเปลี่ยนแปลงภาวะสมดุลมีดังนี้          

1.  ความเข้มข้นของสารในภาวะสมดุล

                ระบบต่าง ๆ ที่อยู่ในภาวะสมดุลนั้น  สารเคมีที่อยู่ทางซ้ายของสมการเคมีทำหน้าที่เป็นสารตั้งต้นของปฏิกิริยาไปข้างหน้า  ในเวลาเดียวกันสารที่อยู่ทางขวาของสมการเคมีจะทำหน้าที่เป็นสารตั้งต้นของปฏิกิริยาย้อนกลีบ  ฉะนั้นไม่ว่าจะเปลี่ยนแปลงปริมาณของสารชนิดใดชนิดหนึ่ง  ก็ย่อมจะมีผลให้อัตราเร็วของปฏิกิริยาในทิศทางใดทิศทางหนึ่งเปลี่ยนแปลงไป  ทำให้ภาวะสมดุลเปลี่ยนแปลงไปด้วย 

                              
                                          


 ถ้าภาวะสมดุลเป็นดังนี้

                H₂(g) + I₂(g)     ↔     2HI(g) 

           เมื่อเราเติมสาร H₂ ซึ่งเป็นสารตั้งต้นของปฏิกิริยาไปข้างหน้าลงไป  อัตราเร็วของปฏิกิริยาไปข้างหน้าก็จะเพิ่มขึ้นทันที  อาจเรียกว่าภาวะสมดุลเลื่อนไปทางขวา  ผลก็คือมีสาร HI เพิ่มขึ้น  ขณะที่  I₂ ลดลง  เนื่องจากต้องใช้ไปอีกเพื่อการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าที่เพิ่มขึ้น  ทำให้  H₂  ที่เติมลงไปนั้นก็จะถูกกำจัดให้เหลือน้อยลง  แต่ก็ยังเหบืออยู่มากกว่าก่อนเติม  แล้วเข้าสู่ภาวะสมดุลใหม่อีกครั้งหนึ่ง (final equilibrium )  แต่ไม่ใช้สมดุลเดิม (initial equilibrium )  ดังกราฟ

 **  ถ้าอุณหภูมิคงที่  ค่า  K  ของสมดุลเดิมกับ  K  ของสมดุลใหม่เป็นค่าเดียวกัน  แต่ภาวะสมดุลเดิมกับภาวะสมดุลใหม่ไม่ใช่สมดุลเดียวกัน

              -  ในทำนองเดียวกันให้ลองพิจารณาดูว่าถ้าเติมเฉพาะสาร B  จะได้ผลอย่างไร 

              -  ถ้าเติมสาร AB จะได้ผลอย่างไร 

              -   ถ้าแยกสาร A ออกจากระบบจะได้ผลอย่างไร 

              -  ถ้าแยกสาร B ออกจากระบบจะได้ผลอย่างไร 

              -  ถ้าแยกสาร AB ออกจากสมดุลจะได้ผลอย่างไร

2.  ผลของความดันที่มีต่อภาวะสมดุลของก๊าซ

                ในกรณีที่เป็นภาวะสมดุลของก๊าซนั้น  ถ้าเราพิจารณาสมบัติของก๊าซตามทฤษฎีจลน์ของก๊าซ  เราก็จะทราบว่าโมเลกุลของก๊าซอยู่ห่างกันมีที่ว่างมาก  ถ้าก๊าซมีจำนวนโมลคงที่ (มวลคงที่  จำนวนโมเลกุลคงที่)  การเพิ่มหรือลดลงของปริมาตรของก๊าซก็จะมีผลให้ระยะห่างระหว่างโมเลกุลของก๊าซเปลี่ยนไป  การที่ปริมาตรของก๊าซเปลี่ยนไปในขณะที่มวลของก๊าซ  หรือจำนวนโมเลกุลของก๊าซคงที่  จึงมีผลให้ความหนาแน่นของก๊าซเปลี่ยนไปด้วย จะเรียกว่าความเข้มข้นเปลี่ยนไปก็ได้               
                การเพิ่มความดันโดยลดปริมาตรของก๊าซ  จึงมีผลให้ความหนาแน่นของก๊าซเพิ่มขึ้น  ซึ่งก็หมายถึงทำให้ความเข้มข้นในหน่วยโมล/ลิตรเพิ่มขึ้นนั่นเอง  จึงมีผลให้อัตราเร็วของปฏิกิริยาในภาวะสมดุลเปลี่ยนไป  ทำให้ภาวะสมดุลเปลี่ยนไป


                                     


ถ้าภาวะสมดุลของก๊าซคือ

                                     3H₂(g) + N₂(g)         ↔            2NH₃(g)  ;  ปริมาตร  1  ลิตร

ความเข้มข้นของสาร              3M         1M                               2M

ถ้าเพิ่มความดันขึ้นเป็น 2 เท่า  ปริมาตรก็จะลดลงเหลือครึ่งหนึ่งของปริมาตรเดิม (ตามกฎของบอยล์) ทำให้ความเข้มข้นของก๊าซทุกชนิดเพิ่มขึ้นเป็น  2  เท่า  ดังนี้

                                     3H₂(g)   + N₂(g)          ↔         2NH₃(g)  ;  ปริมาตร  1  ลิตร

ความเข้มข้นของสาร              6M          2M                           4M

            ผลของการเพิ่มความดันโดยการลดปริมาตรลงครึ่งหนึ่งดังกล่าวมานี้  แม้จะทำให้ความเข้มข้นของก๊าซเพิ่มขึ้นเป็น 2 เท่า  ทั้งทางซ้ายและทางขวาก็ตาม  แต่จำนวนโมลของก๊าซทางซ้ายมากกว่าก๊าซทางขวา  จึงมีผลให้ปฏิกิริยาจากซ้ายไปขวาเกิดได้ดีขึ้น  หรือเรียกว่าภาวะสมดุลเลื่อนไปทางขวา  เพื่อให้สะดวกและง่ายต่อการทำความเข้าใจจึงอาจกล่าวในหลักการโดยสรุปว่า ในภาวะสมดุลต่าง ๆ ของก๊าซ  ถ้าจำนวนโมลของก๊าซทางซ้ายและทางขวาเท่ากัน  ความดันจะไม่มีผลต่อการเปลี่ยนแปลงภาวะสมดุลนั้น ๆ  เช่น  H₂(g) + Cl₂(g) →   2HCl(g)    แต่สำหรับภาวะสมดุลของก๊าซที่มีจำนวนโมลของก๊าซทางซ้ายกับทางขวาไม่เท่ากันแล้ว  ความดันจะมีผลต่อภาวะสมดุลนั้น  เช่น  3H₂(g) +  N₂(g) ↔   2NH₃(g)  ผลของความดันต่อภาวะสมดุลมีหลักการทั่วไปดังนี้

                          -  เมื่อเพิ่มความดันจะมีผลให้ปฏิกิริยาจากด้านที่มีจำนวนโมลของก๊าซมากกว่า  ไปทางด้านที่มีจำนวนโมลของก๊าซน้อยกว่าจะเพิ่มขึ้น
                             (กรณีนี้ถ้าเพิ่มความดันจะได้  NH₃  มากขึ้น)
                          -  ถ้าลดความดันจะมมีผลให้ปฏิกิริยาจากด้านที่มีจำนวนโมลของก๊าซน้อยกว่า  ไปทางด้านที่มีจำนวนโมลของก๊าซมากกว่าจะเพิ่มขึ้น
                             (กรณีนี้ถ้าลดความดัน  NH₃  จะเหลือน้อยลง)

3.  ผลของอุณหภูมิที่มีต่อภาวะสมดุล
            ในภาวะสมดุลต่าง ๆ ย่อมมีทั้งการเปลี่ยนแปลงไปข้างหน้าและย้อยกลับเกิดขึ้นพร้อมกันอยู่ตลอดเวลา  การเปลี่ยนแปลงดังกล่าวนี้ถ้าด้านหนึ่งเป็นแบบดูดความร้อนอีกด้านหน่ึงก็จะเป็นแบบคายความร้อน  ดังรูป

                                              
                ฉะนั้นไม่ว่าจะเพิ่มหรือลดอุณหภูมิก็จะมีผลให้ภาวะสมดุลเปลี่ยนแปลงได้ทั้งสองกรณี     คือ  ถ้าเพิ่มอุณหภูมิการเปลี่ยนแปลงทางด้านดูดความร้อนจะเกิดได้ดีขึ้น  แต่ถ้าลดอุณหภูมิการเปลี่ยนแปลงทางด้านคายความร้อนจะเกิดได้ดีขึ้น
                 -  กรณีนี้ถ้าเพิ่มอุณหภูมิจะได้  C  มากขึ้น
                 -  ถ้าลดอุณหภูมิ  C  จะเหลือน้อยลง

                                                            (คลิ้ก  ศึกษาเพิ่มเติมหลักของชาร์เตอริเอ)


                                                             (คลิ้ก ชมการทดลองเสมือนจริง  ผลของอุณหภูมิต่อภาวะสมดุลระหว่าง 2NO₂ ↔ N2O₄) 


                                                             (คลิ้ก ทำการทดลองเสมือนจริง  แสดงผลของปัจจัยต่าง ๆ  ที่มีต่อภาวะสมดุล)

การเปลี่ยนแปลงของค่าคงที่สมดุล
                 ในหัวข้อที่ผ่านมาเป็นการพิจารณาเรื่องการเปลี่ยนแปลงภาวะสมดุล  แต่ในหัวข้อนี้จะพิจารณาที่การเปลี่ยนแปลงของค่าคงที่สมดุลบ้าง  ขอให้ทราบหลักการในเบื้องต้นว่าค่าคงที่สมดุลเป็นค่าคงที่เมื่ออุณหภูมิคงที่  ถ้าเปลี่ยนอุณหภูมิก็จะทำให้ค่าคงที่สมดุลเปลี่ยนไปด้วย  ฉะนั้นปัจจัยเรื่องความเข้มข้นและความดันที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงภาวะสมดุลนั้น  ถ้าตราบใดที่อุณหภูมิยังคงที่แล้ว  แม้ว่าภาวะสมดุลจะเปลี่ยนไปแต่ค่าคงที่สมดุลยังเป็นค่าเดิม

                 ปัจจัยที่จะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทั้งภาวะสมดุลและค่าคงที่สมดุลไปพร้อมกันก็คืออุณหภูมิ  ลองย้อนกลับไปที่พลังงานก่ออัมมันต์ (Ea) ในเรื่องอัตราเร็วของปฏิกิริยา  ดังกราฟ

                           

                พื้นที่ทั้งหมดใต้เส้นกราฟสีเขียวแทนจำนวนยโมเลกุลทั้งหมดของสารซึ่งมีพลังงานมาก-น้อยต่าง ๆ กัน  ค่า  Ea  คือพลังงานก่อกัมมันต์ของปฏิกิริยา  พื้นที่ทางด้านขวาของ  Ea  ซึ่งระบายด้วยสีเขียว  แทนจำนวนโมเลกุลหรือจำนวนโมลของสารที่มีพลังงานสูงถึงค่า  Ea  ของปฏิกิริยา  โมเลกุลส่วนนี้จะเกิดปฏิกิริยาได้แล้วเปลี่ยนไปเป็นผลิตภัณฑ์  ส่วนของพิ้นที่ทางซ้ายของบค่า  Ea  แทนจำนวนโมเลกุลหรือจำนวนโมลของสารที่มีพลังงานต่ำกว่าค่า  Ea  โมเลกุลส่วนนี้เกิดปฏิกิริยาไม่ได้  ยังคงอยู่ในสภาพของสารตั้งต้นต่อไป


                        

                ค่าคงที่สมดุล (K) คิดจากอัตราส่วนระหว่าง  ผลิตภัณฑ์ :  สารตั้งต้น  ภาวะสมดุลใดๆ  ก็ตามเมื่ออุณหภูมิคงที่  แม้จะทำการเปลี่ยนแปลงด้วยปัจจัยต่าง ๆ  ที่ทำให้ภาวะสมดุลเปลี่ยนไป  แต่อัตราส่วนระหว่าง  ผลิตภัณฑ์  :    สารตัวต้น  ก็จะเป็นอัตราส่วนเดิม

                แต่ถ้าเพิ่มอุณหภูมิ  โมเลกุลของสารทั้งหมดก็จะมีพลังงานสูงขึ้น  ทำให้มีโมเลกุลอีกจำนวนหนึ่งมีพลังงานถึงระดับค่า  Ea  เกิดปฏิกิริยาได้  รวมกับโมเลกุลพลังงานสูงถึงค่า  Ea  ที่มีอยู่ก่อน  ทำให้มีจำนวนโมเลกุลหรือจำนวนโมลของสารที่จะเปลี่ยนไปเป็นผลิตภัณฑ์ได้มากขึ้น  ส่วนที่เหลืออยู่เป็นสารตั้งต้นจะน้อยลง  ค่า  K  จึงเปลี่ยนไป


                   

การเปลี่ยนค่าคงที่สมดุลโดยวิธีทางสมการ

                สมการเคมีกับสมการทางคณิตศาสตร์มีส่วนคล้ายกันที่สามารถนำมาบวก  ลบ  ...  กันได้  การกระทำดังกล่าวมีผลให้ค่าคงที่สมดุงเปลี่ยนแปลงด้วย  ดังนี้

1.  กลับสมการสมการภาวะสมดุล    จะมีผลให้

                                ค่าคงที่สมดุลใหม่        =   1 / ค่าคงที่สมดุลเดิม

ตัวอย่าง                   A(aq)  +  B(aq)  ↔   AB(aq)    ;   K  =  a

                เมื่อกลับสมการจะเป็นดังนี้

                                AB(aq)      ↔       A(aq)  +  B(aq)  ;  K  =  1/a

2.  คูณสมการภาวะสมดุลด้วยจำนวนใด ๆ  (n) จะมีผลให้

                ค่าคงที่สมดุลของสมการผลคูณ     =   (ค่าคงที่สมดุลเดิม)ⁿ

หรือ                              K(ใหม่)    =  (Kเดิม)ⁿ

ตัวอย่าง                   A(aq)  +  B(aq)  ↔  AB(aq)    ;   K  =  x

                ถ้าคูณสมการด้วย 2 จะเป็นดังนี้

                2A(aq)  +  2B(aq)      2AB(aq)    ;     K  =  (x)²

3.  หารสมการภาวะสมดุลด้วยจำนวนใด ๆ  (n)  จะมีผลให้

                ค่าคงที่สมดุลของสมการผลหาร      =   ⁿ√Kเดิม  หรือ  (K_เดิม)^1/n

ตัวอย่าง                   2A(aq)  +  2B(aq)   ↔   2AB(aq)    ;   K  =  x

                เมื่อหารสมการด้วย 2  จะเป็นดังนี้

                A(aq)  +  B(aq)   ↔  AB(aq)    ;   K  = √ x  หรือ  (x)^1/2

4.  ถ้านำสมการย่อยหลายสมการมารวมกัน  ค่าคงที่สมดุลของสมการรวมเท่ากับผลคูณของ K สมการย่อย  ดังนี้

                สมดุลที่ 1  A(aq)  +  B(aq)  ↔  AB(aq)    ;   K₁  =  x

                สมดุลที่ 2  B(aq)  +  C(aq)  ↔  BC(aq)    ;   K₂  =  y

                รวมสมดุล 1+2 จะเป็นดังนี้

                A(aq)  +  B(aq)  + B(aq)  +  C(aq) ↔  AB(aq)    +  BC(aq)   

                A(aq)  +  2B(aq)   +  C(aq)  ↔ AB(aq)    +  BC(aq)    K_{(สมการรวม)}   =  xy

5.   ถ้านำสมการย่อยหลายสมการมาลบกัน  ค่าคงที่สมดุลของสมการผลลบ  เท่ากับผลหารของค่าคงที่สมดุลสมการย่อย  ดังนี้

                สมดุลที่ 1  A(aq)  +  B(aq)  ↔  AB(aq)    ;   K₁  =  x

                สมดุลที่ 2  B(aq)  +  C(aq)  ↔  BC(aq)     ;   K₂  =  y

5.1  สมดุลที่ 1  -  สมดุลที่ 2  จะเป็นดังนี้

A(aq)  +  B(aq)  - B(aq)  -  C(aq)   ↔   AB(aq) - BC(aq)

                          A(aq)  +  BC(aq)  ↔  AB(aq) + BC(aq)     ;  K_{(สมการผลลบ)}  =  x/y

5.2  สมดุลที่ 2  -  สมดุลที่ 1  จะเป็นดังนี้

B(aq)  +  C(aq)  - A(aq)  -  B(aq)   ↔   BC(aq)  -  AB(aq)

                C(aq)  - A(aq)     ↔     BC(aq)  -  AB(aq)  

                C(aq)  +  AB(aq)   ↔    BC(aq)  +  A(aq)  ;  K_{(สมการผลลบ)}  =    y/x   

                                                                                         ************************************

Size : 247.26 KBs Upload : 2013-07-21 05:52:30

ติชม กำลังแสดงหน้า 1/0 << 1 >>

ต้องการให้คะแนนบทความนี้่ ? 0 คะแนนโหวด สร้างโดย : K-Me สถานะ : ผู้ใช้ทั่วไป วิทยาศาสตร์