สมดุลเคมี Chemical Equilibrium · 2010-12-13 · สมดุลเคมี(Chemical Equilibrium) k k’ A B r f = อัตราการเกดปิฏิกิริยาไปข้างหน้า

สมดลเคมChemical Equilibrium

สาขาวชาเคม ป คณะศลปศาสตรและวทยาศาสตร

ม.เกษตรศาสตร วทยาเขตกาแพงแสน

เนอหา

ลกษณะทวไปของสภาวะสมดลลกษณะทวไปของสภาวะสมดล

คาคงทสมดล (K)

ป ขอสรปเกยวกบคา K

หลกของเลอชาเตอลเยร

2FLAS: Chemical Equilibrium

ปฏกรยาผนกลบได (Reversible Reaction)

ปฏกรยาผนกลบไดคอปฏกรยาทสารผลตภณฑสามารถเกด

ปฏกรยายอนกลบและไดสารตงตนกลบคนมา

สารตงตน (reactant) ผลตภณฑ (product)สารตงตน (reactant) ผลตภณฑ (product)

N2O4(g) 2NO2(g) กระบวนการเดนหนากระบวนการเดนหนา (forward reaction)

N2O4(g) 2NO2(g) 2 4 2

กระบวนการยอนกลบกระบวนการยอนกลบ (backward reaction)

2NO (g) N O (g)


2NO2(g) N2O4(g)

N2O4(g) 2NO2(g)

การเปลยนแปลงความเขมขนของ NO2 และ N2O4

(A) เมอ N O เปนสารตงตน (B) เมอ NO เปนสารตงตน


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

สมดลเคม (Chemical Equilibrium)k

k’A B

rf = อตราการเกดปฏกรยาไปขางหนา

rf = kf[A] rb= kb[B]=

f ฏ

rb = อตราการเกดปฏกรยายอนกลบ

rf และ rb ขนกบสมบตเฉพาะตวและความเขมขนของสารตงตนของปฏกร ยานนๆ

เมออตราเดนหนาและยอนกลบ เทากน (rf=rb) ระบบจะอยในสมดล


ทสมดล ความเขมขนของสารทกตวในปฏกรยาจะคงท

ลกษณะทวไปของสมดลเคม

ทอณหภมหนง ๆ เมอระบบเขาสสมดล ระบบไมไดหยดนง ยงคงมการเปลยนแปลงตลอด แต สมบตตาง ๆ ของนง ยงคงมการเปลยนแปลงตลอด แต สมบตตาง ๆ ของ

ระบบจะคงทเชน ความเขมขนของสาร ความหนาแนน

ความดน สมดลลกษณะนเรยกวา สมดลพลวต

(dynamic equilibrium)(dynamic equilibrium)


สมดลพลวต (Dynamic Equilibrium)

A Bkf

kb

Forward Reaction rf = kf [A]

kb

rf kf [A] Backward Reaction

rb = kb [B]b b [ ]

7FLAS: Chemical EquilibriumEquilibrium

คาคงทสมดล (Equilibrium Constant)

สาหรบปฏกรยาทเกดขนในขนตอนเดยว (single-step reaction)

aA + bB cC + dDkf

ผลคณความเขมขนผลคณความเขมขน

aA + bB cC + dDทภาวะสมดลจะได

kb

dcb

baf DCkBAk ][][][][

(reaction quotient, Q)(reaction quotient, Q)

BADC

ba

dc

][][][][

Qdeq

ceqf DCk ][][

KProducts

bf DCkBAk ][][][][

KBADC

BA

beq

aeq

deq

ceq

eq ][][][][

Q

][][

beq

aeq

qq

b

f

BAk ][][ K

Reactants

K เปนคาคงทสมดล (ขนกบอณหภม) K มาก มผลตภณฑมาก (kf >> kb)


f b) K นอย มสารตงตนมาก (kf << kb)

ผลคณความเขมขน (Reaction Quotient)

Reaction Quotient (Q) คอ ผลคณความเขมขน หรอ ผลคณไอออน

สาหรบปฏกรยาใด ๆ aA + bB cC + dDสาหรบปฏกรยาใด ๆ aA + bB cC + dDdc )()( DaCaQ ผลคณความเขมขน =

• a(X) คอกมมนตภาพ (activity) ของสาร X

ba )()(

BaAaQ ผลคณความเขมขน

( ) คากมมนตภาพอาจประมาณไดดงน

สารละลาย a(A) [A] dc ][][ DCแกส a(B) PB

ของแขง ของเหลวบรสทธ a(C) 1ba ][][

][][ BADCQ


คาคงทสมดล (Equilibrium Constant; K) ความสมพนธระหวางปรมาณสารตงตนและสารผลตภณฑทสมดล

N O (g) 2NO (g) N2O4(g) 2NO2(g)

Initial Conc. Equilibrium Conc. Equi. Const.

ท 25 °C

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

0.0400 0.0000 0.0337 0.0125 4.64x10-3

0.0000 0.0800 0.0337 0.0125 4.64x10-3

0 0600 0 0000 0 0522 0 0156 4 64x10-30.0600 0.0000 0.0522 0.0156 4.64x10

0.0000 0.0600 0.0246 0.0107 4.64x10-3

0 0200 0 0600 0 0429 0 0141 4 64 10-3


0.0200 0.0600 0.0429 0.0141 4.64x10-3

ปฏกรยาทเกดในหลายขนตอน

ปฏกรยา 2A + B C + D step 1: 2A A step 1: 2A A2

C

22

1 ][][

AAK

step 2: A2 + B C + D

ป ]][[

][D][ 2

2 BACK

คา K ของปฏกรยารวม]][[ 2

][][][D][

]][[][D][

][][ 22

221 BA

CBA

CAAKKK

คา K ของปฏกรยาไมวาจะเกดในขนตอนเดยวหรอ หลายขนตอนจะมคาเทากน

][][]][[][ 2 BABAA


ขนตอนจะมคาเทากน

ตวอยางสมการคาคงทสมดล

PCl5(g) PCl3(g) + Cl2(g)][][ 23 ClPCl

H ( ) + I ( ) 2Hl( )

][][][

5

23

PClClPClK

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

][][][ 2

IHHIK

2H2O2 (g) 2H2O(g) + O2(g)

][][ 22 IH

222

22

2

][][][

OHOOHK


แบบฝกหด (1)

จงเขยนสมการคา K

CO(g)+ ½ O (g) CO (g) CO(g)+ ½ O2(g) CO2(g)

FeO(s)+ CO(g) Fe(s) + CO2(g)

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

2NO (g)+ Cl2(g) 2NOCl(g)


การคานวณหาความเขมขนทสมดล1. เขยนสมการเคมและดลสมการ

2. หาความเขมขนของสารแตละตว2. หาความเขมขนของสารแตล ตว ความเขมขนเรมตน ([A]0, [B]0, [P]0)

ความเขมขนทเปลยนแปลงไป (x)ความเขมขนทเปลยนแปลงไป (x)

ความเขมขนทสมดล ([A]0–x, [P]0+x)

3 แทนคาความเขมขนทสมดลของสารแตละตว(เปน3. แทนคาความเขมขนทสมดลของสารแตละตว(เปนฟงกชนของ x) ในสมการคาคงทสมดล

4 แกสมการคาคงทสมดลเพอหาคาความเขมขนท4. แกสมการคาคงทสมดลเพอหาคาความเขมขนทเปลยนไป (x)

5 หาความเขมขนทสมดลโดยแทนคา x ทคานวณไดจาก


5. หาความเขมขนทสมดลโดยแทนคา x ทคานวณไดจากขอ 4

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

]2[][ 22 xHIK ]5.0][0.1[][][ 22 xxIH

K


ตวอยาง แกสไฮโดรเจน 2 mol ทาปฏกรยากบแกสไอโอดน 2 mol ใหแกส

ไฮโดรเจนไอโอไดดโดยทดลองในภาชนะ 1 L ทอณหภม 450 C เมอถง

สมดลจะมแกสแตละชนดเทาใด เมอคา K = 50

H2(g) + I2(g) 2HI(g)H2(g) I2(g) 2HI(g) Initial 2 M 2 M 0 M

Change -x M -x M +2x MChange -x M -x M +2x M

Equilibrium 2–x M 2–x M 2x M

xHI )2(][ 22

xxx

IHHIK

22)2(50

]][[][

22

x)2(

16FLAS: Chemical Equilibrium x

x

2

)2(50

L 1l611.72.142 xx

ทสมดล จะได

L-1mol6.1x

1

12

Lmol4002][Lmol4.00.2][

xIxH

12

Lmol2.32][Lmol4.00.2][

xHIxI


สมดลของปฏกรยาววธพนธ พจารณาปฏกรยาทประกอบดวยสารมากกวาหนงวฏภาค

Pb2+(aq) + Zn(s) Pb(s) + Zn2+(aq) Pb (aq) + Zn(s) Pb(s) + Zn (aq)

]][(s)[](s)][[ 2

2

PbZnZnPbK

คาความเขมขนของของแขง (s) และของเหลวบรสทธ (l) ม

คาคงท

]][( )[

คาคงท

][][

(s)][(s)][

2

2

PbZn

PbZnKKC

คา Kc คอคาคงทสมดลเมอพจารณาเฉพาะความเขมขน ของ

สารละลาย


*อาจพจารณาวา ความเขมขนของ ของแขงหรอของเหลวบรสทธ = 1

FeO(s) + CO(g) Fe(s) + CO2(g)]e(s)][[ 2COF

คาความเขมขนของของแขง (s) และของเหลวบรสทธ (l) มคาคงท*

])][([]e(s)][[ 2

COsFeOCOFK

คาความเขมขนของของแขง (s) และของเหลวบรสทธ (l) มคาคงท*

][][ 2COFeO(s)KKC ][][ COFe(s)C


สมดลของปฏกรยาเกยวของกบแกส

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

322

23

]][[][

HNNHKC

ในกรณของแกส อาจใชความดนแทนความเขมขนได โดยคาคงททไดจะเรยกวา KPคาคงททไดจะเรยกวา KP

3

23NH

P PPP

K 22 HN PP


ความสมพนธระหวาง KC และ KP

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

กฎของแกส RTnPRTPV

กฎของแกส RTV

PnRTPV

mol atm·L mol-1 K-1

RTVnP

atm

L

K

][ RTARTnP AA

][

][

RTBP

RTARTV

P

B

A


aA + bB cC + dD

)(

][][][][

][][][][ gn

ba

dc

bbaa

ddcc

bB

aA

dD

cC

p RTBADC

RTBRTARTDRTC

PPPPK

)( gnCP RTKK

][][BA

n(g) คอ ผลตางจานวมโมลของแกส

)()()( badcgn

เมอ n(g) = 0

)(

CP KK

เมอ n(g) 0 )( gnCP RTKK

)( gnPC RTKK


PC

ตวอยาง จงหาคาคงทสมดลของปฏกรยา

2 NO (g) N O (g) ท 25 °C 2 NO2(g) N2O4(g) ท 25 C

ทภาวะสมดล PNO2= 0.150 atm PN2O4

= 0.160 atm

111.7atm 111.7

atm 150.0atm 160.0 1

222

42

NO

ONP P

PK

2

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

1 2 1n = 1-2 = -1

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


= 173.85

แบบฝกหด จงหาคาคงทสมดล KC ของปฏกรยา

2 SO (g)+O (g) 2 SO (g) เมอ K =2 5x1024 atm-12 SO2(g)+O2(g) 2 SO3(g) เมอ KP=2.5x10 atm


ขอสรปเกยวกบคาคงทสมดล

1. การระบคาคงทสมดล ตองระบสมการเคมและ

อณหภม (ถาใชสมประสทธตางกนคา K จะตางกน)อณหภม (ถาใชสมประสทธตางกนคา K จะตางกน)

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

][ 2HIK

2 2H ( ) + 2I ( ) 4HI( )

]][[ 22 IHK

2. 2H2(g) + 2I2(g) 4HI(g )

222

4

][][][ KIH

HIK '


22

22 ][][ IH

2. ถาเขยนสมการแสดงปฏกรยายอนกลบ คาคงท

สมดลจะเปนสวนกลบของคาคงทสมดลเดมสมดลจะเปนสวนกลบของคาคงทสมดลเดม

2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)

][O][]O[

22

22

ONNK

2NO2(g) 2NO(g) + O2(g)

ON 1][O][ 2

KNONK 1]O[

][O][2

2

22

'


3. สาหรบปฏกรยาทประกอบดวยหลายขนตอนยอย

K รวมของปฏกรยา = ผลคณคา K ของปฏกรยายอยK รวมของปฏกรยา = ผลคณคา K ของปฏกรยายอยK = K1·K2·K3…

4. ความเขมขนของ ของเหลวและของแขงบรสทธ ม

คาคงท (= 1) คา K ทไดจะเปน Kc( ) c

5. สามารถใชความดนแทนความเขมขนของแกสในการ

K ( ป K )หาคา K (ซงจะเปน KP)


หลกของเลอชาเตอลเยร (Le Chatelier’s Principle)

เมอระบบทอยในสภาวะสมดลถกรบกวนทาใหสมดล

ของระบบเสยไป ระบบจะปรบตวไปในทศทางทจะทาของระบบเสยไป ระบบจะปรบตวไปในทศทางทจะทา

ใหผลกระทบจากปจจยทรบกวนระบบนนลดลงหรอ

เหลอนอยทสดแลวระบบจะเขาสสมดลใหมอกครง

การเขาสสมดลของระบบจะเรมจากทศใดกไดการเขาสสมดลของระบบจะเรมจากทศใดกได


ปจจยทมผลตอสมดล ความเขมขนความเขมขน:: การเพมหรอลดความเขมขนของสารในปฏกรยาจะทาใหสมดลเคม เสยไป (QK) ปฏกรยาจะปรบตวเพอใหคาผล ( ) ฏ

คณความเขมขน (Q) เทากบคาคงทสมดล (K) อกครง (ไมมผลตอ

K))

ความดนความดน:: การเพมหรอลดความดนจะสงผลตอปรมาตรของสารปฏกรยาจะ ปรบตวไปในทศทางททาใหเกดการเพมปรมาตรหรอลดปฏกรยาจะ ปรบตวไปในทศทางททาใหเกดการเพมปรมาตรหรอลดปรมาตรเพอหกลางกบคาความดนทเปลยนแปลงไป (ไมมผลตอ K)

อณหภมอณหภม:: การเปลยนแปลงอณหภมจะทาใหคา K เปลยนแปลง อณหภมอณหภม:: การเปลยนแปลงอณหภมจะทาใหคา K เปลยนแปลง

ปฏกรยาจะปรบตวเพอใหคาผลคณความเขมขน (Q) เทากบ คาคงท

สมดล (K) คาใหม


สมดล (K) คาใหม

การปรบตวของสมดล

ทสมดล ผลคณความเขมขน = K

เมอสมดลถกรบกวน ความเขมขน ความดน Q เปลยน ความเขมขน ความดน Q เปลยน

อณหภม K เปลยน

ใ โ ระบบจะปรบตวเขาสสมดลใหม (โดยปรบคา Q)

สมดลเลอนไปทางขวา (เพมผลตภณฑ) '' KQ

สมดลเลอนไปทางซาย (เพมสารตงตน)

สมดลใหม

'' KQ

'' KQ30FLAS: Chemical Equilibrium

สมดลใหม KQ eq

อทธพลของความเขมขนตอสมดล

N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) 2 ทสมดล

KHN

NH3

22

23

]][[][

เมอเตม N2(g) หรอ H2(g) จะรบกวนสมดลทาให

NH 23][

เมอเตม NH (g) จะรบกวนสมดลโดยทาให

KHN

NH3

22

3

]][[][

ดงนน N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)

ลดสารตงตน เพมผลตภณฑ

KNH 23][

เพอ

เมอเตม NH3(g) จะรบกวนสมดลโดยทาให

KHN

NH3

23

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

KHN

N 3

22

3

]][[][

เพอ


HN 22 ]][[ ดงนน เพมสารตงตน ลดผลตภณฑ เพอ

อทธพลของความดนตอสมดล

ความดนจะมผลโดยตรงตอปรมาตรของสาร (แกส)

ถาจานวนโมลของแกสของสารตงตนและผลตภณฑใน ถาจานวนโมลของแกสของสารตงตนและผลตภณฑใน

สมการเคมเทากน (ng= 0) ความดนไมมผลตอสมดล

N2(g) + O2(g) 2NO(g)

H2(g) + I2(g) 2HI(g)ng = 0

H2(g) I2(g) 2HI(g)

ถาจานวนโมลของแกสของสารตงตนและผลตภณฑไม

เทากน (ng 0) ความดนจะมผลตอสมดล 2N2O(g) 2N2(g) + O2(g) ng = 3-2 = 1


อทธพลของความดนตอสมดล

2N2O(g) 2N2(g) + O2(g) PP2 ทสมดล

PON

ON KP

PP2

2

2

22

เพมความดน หรอ ลดปรมาตรภาชนะON K

PP

222

ลดความดน หรอ เพมปรมาตรภาชนะจานวนโมลของแกสลดลง

2N2O(g) 2N2(g) + O2(g) PON

KP

2

2

22

ON KPP2

22

เกดปฏกรยายอนกลบ

ลดความดน หรอ เพมปรมาตรภาชนะ

2N2O(g) 2N2(g) + O2(g)

PON K

PP

2

222

PON

KP

2

2

22


จานวนโมลของแกสเพมขนP

ONP22

เกดปฏกรยาไปขางหนา

อทธพลของอณหภมตอคาคงทสมดลเคม

คาคงทสมดลขนกบอตราสวนระหวาง kf และ kb

คา k เปลยนแปลงขนกบ T ตามสมการของ A h i คา k เปลยนแปลงขนกบ T ตามสมการของ ArrheniusRTEaeAk /f

kk

K ekbk

RTEEfRTE

RTEff abaf

ab

af

eAA

eAeA

kk /

/

/

Eaf

Eab

nerg

y

bbb AeAk

RTHf eAA

K /

abaf EEH

En

reactants

productsbA

f

ถา H เปนบวก เมอ T เพม K จะเพมขน

ป


Rxn Coordinate ถา H เปนลบ เมอ T เพม K จะลดลง

Endothermic Reaction

A กระบวนการดดความรอน

HRTH

b

f eAA

K /

เพมอณหภมเพมอณหภม (T)(T) คา เพมขนRTHe /Eab คา เพมขน

คา K เพมขน

eEaf

ab

ergy

products เพมอณหภม เกดผลตภณฑมากขน

ลดอณหภม เกดสารตงตนมากขน

En

reactants

products(+)H

35FLAS: Chemical EquilibriumRxn Coordinate

reactants

Exothermic Reaction

A กระบวนการคายความรอน

HRTH

b

f eAA

K /

เพมอณหภมเพมอณหภม (T)(T) คา ลดลงRTHe /Eaf คา ลดลง

คา K ลดลง

e

ergy

reactants

Eab

Eaf

เพมอณหภม เกดสารตงตนมากขน

ลดอณหภม เกดผลตภณฑมากขน

En

reactants

products

(–)H

36FLAS: Chemical EquilibriumRxn Coordinate

products

ตวเรงปฏกรยาและสมดลเคม

ตวเรงปฏกรยา (catalyst) ทาใหปฏกรยาถงจดสมดล

เรวขนเรวขน

เพมอตราเรวของปฏกรยาเดนหนา เพมอตราเรวของปฏกรยายอนหลง

คาคงทสมดลไมเปลยนแปลง

ตวเรงปฏกรยาไมไดเปลยนแปลงสมดล


พลงงานอสระกบสและคาคงทสมดล

เมอระบบอยในสภาวะสมดล G = 0

พลงงานอสระกบสสามารถหาไดจาก พลงงานอสระกบสสามารถหาไดจาก

G QRTGG ln

G คอ คาพลงงานกบสมาตรฐาน

Q คอ ผลคณความเขมขน

aA + bB cC + dDdc DCRTGG ][][l

ba BARTGG

][][][][ln

ความเขมขนของแกส ใชความดน (bar)


ความเขมขนของแกส ใชความดน (bar)

ความเขมขนของ ของแขงหรอของเหลวบรสทธ = 1

ba

dc

BADCRTGG

][][][][ln

ไ

BA ][][

ทสมดลจะได G = 0deq

ceq DC

RTG][][

ln

beq

aeq BA

RTG][][

ln

KRTG ln KRTG ln

ln K = G/RT


ln K = - G /RT

ตวอยาง จงคานวณหาคาคงทสมดลของปฏกรยา

SO (g) + ½ O (g) SO (g) ท 298 K (G = SO2(g) + ½ O2(g) SO3(g) ท 298 K (G 69.84 kJ)

ป ป คา K มคานอย แสดงวาทสมดล สารตงตนเกอบเปลยนเปนสารผลตภณฑเลกนอย


Documents

สมดุลเคมี Chemical Equilibrium · 2010-12-13 · สมดุลเคมี(Chemical Equilibrium) k k’ A B r f = อัตราการเกดปิฏิกิริยาไปข้างหน้า