ปัจจัยที่มีผลต่อภาวะสมดุล
ผลของการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นที่มีต่อภาวะสมดุล
ระบบนี้เข้าสู่สมดุล พบว่า ความเข้มข้นของสีแดงคงที่ ถ้ามีการเปลี่ยนแปลงภาวะสมดุลความเข้มข้นของสีแดงก็จะเปลี่ยนไป โดยที่สีแดงเข้ม แสดงว่ามีปริมาณ [FeSCN]2+ มาก และสีแดงจางลง แสดงว่าปริมาณ[FeSCN]2+ น้อย
การรบกวนสมดุลด้วยการเปลี่ยนความเข้มข้นของสารต่างๆ ในระบบ จะทำให้ระบบเสียสมดุล และระบบจะต้องปรับตัวให้กลับเข้าสู่ภาวะสมดุลใหม่ ซึ่งอาจจะเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้า หรือปฏิกิริยาย้อนกลับก็ได้ ทั้งนี้จะพิจารณาความเข้มของสีแดง บอกปริมาณ [FeSCN]2+ ได้ กล่าวคือ ถ้าสีแดงเข้มขึ้น แสดงว่า ระบบเกิดการปรับตัวเข้าสู่สมดุลใหม่ด้วยการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าให้ [FeSCN]2+ เพิ่มขึ้น และในทางตรงข้าม ถ้าสีแดงจางลงแสดงว่า ระบบจะปรับตัวเกิดปฏิกิริยาย้อนกลับ ให้ [FeSCN]2+ ลดลง
การทดลองระบบสมดุลของปฏิกิริยาระหว่าง SCN- กับ Fe3+
เมื่อเพิ่มความเข้มข้นของสารตั้งต้นชนิดใดชนิดหนึ่ง เช่น เติม Fe3+ จะทำให้เกิดปฏิกิริยากับ SCN- เกิด[FeSCN]2+ มากขึ้น จึงทำให้สารละลายมีสีแดงเข้มขึ้น แสดงว่า เกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้ามากขึ้น และระบบจะปรับตัวเข้าสู่สภาวะสมดุลใหม่อีกครั้งหนึ่ง ซึ่งจะทำให้ความเข้มข้นของสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์เปลี่ยนไปและถ้าลดความเข้มข้นของสารชนิดใดชนิดหนึ่ง เช่น ลด Fe3+ จะทำให้เกิดปฏิกิริยากับ SCN- น้อยลง จึงเกิด [FeSCN]2+ ลดลง จึงทำให้สารละลายสีแดงจางลง แสดงว่าเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้า-น้อยลง เป็นผลทำให้เกิดปฏิกิริยาย้อนกลับมาก แล้วระบบจะปรับตัวเข้าสู่สมดุลใหม่อีกครั้ง ณ สมดุลใหม่จะพบว่ามีความเข้มข้นของสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์เปลี่ยนไป
จากการเปลี่ยนความเข้มข้นของสารต่างๆ ในระบบสมดุล สาสมรถสรุปได้ว่า ถ้าเติมสารตั้งต้นหรือผลิตภัณฑ์ลงไป เมื่อระบบสมดุลแล้วความเข้มข้นของสารนั้นจะเพิ่มขึ้น ซึ่งมีผลรบกวนสมดุล โดยระบบจะพยายามปรับตัว เพื่อลดปริมาณสารที่เพิ่มขึ้น ด้วยการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้า หรือปฏิกิริยาย้อนกลับมากขึ้น ในที่สุดระบบจะเข้าสู่ภาวะสมดุลใหม่อีกครั้งหนึ่ง
การเปลี่ยนแปลงความดันและอุณหภูมิ
ผลของการเปลี่ยนแปลงความดันที่มีต่อภาวะสมดุล
การเปลี่ยนแปลงในความดันในที่นี้หมายถึง การเปลี่ยนแปลงปริมาตร เช่น การเพิ่มความดันก็คือ ลดปริมาตรของระบบ การเปลี่ยนแปลงความดันจะมีผลต่อภาวะสมดุลในระบบนั้นจะต้องมีสารอย่างน้อย 1 ชนิด มีสถานะเป็นก๊าซ ส่วนระบบที่ไม่มีก๊าซอยู่เลย จะพบว่า การเปลี่ยนแปลงความดันจะไม่มีผลต่อการรบกวนสมดุล
จากการศึกษาความสัมพันธ์ต่างๆ ดังนี้
1. จากกฎของบอยส์
“ณ อุณหภูมิที่คงที่ ปริมาตรของก๊าซที่มีมวลคงที่ จะเป็นสัดส่วนผกผันกับความดันของก๊าซนั้นๆ ”
จะได้ว่า V1/P เมื่อ T และ m คงที่
2. จากกฎของสมการบอกสถานะของก๊าซ
สรุปเป็นสูตรได้ว่า PV = nRT
P = n(RT /V) ………….(1)
เมื่อ T,V และ R คงที่ จะได้ว่า Pn
อธิบาย : ที่อุณภูมิ ปริมาตร และมวลของก๊าซคงที่ ความดันแปรผันกับจำนวนโมลของก๊าซ กล่าวคือ ถ้าจำนวนโมลของก๊าซเพิ่มขึ้น ความดันของก๊าซจะเพิ่มขึ้น และถ้าจำนวนโมลของก๊าซลดลง ความดันของก๊าซก็จะลดลงด้วย ดังนั้น ถ้าต้องการให้ระบบมีความดันเพิ่มขึ้น จะต้องให้ระบบเกิดปกิกิริยาในทิศทางที่ลดจำนวนโมล และถ้าต้องการให้ระบบมีความดันลดลง จะต้องให้ระบบเกิดปฏิกิริยาในทิศทางที่ลดจำนวนโมล
จากสมการ จะได้ P = ( n / V )(RT)
เมื่อ T และ R คงที่ และให้ n /v = C = ความเข้มข้น
PC
ผลของการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่มีต่อภาวะสมดุล
สมดุลของปฏิกิริยาเคมี จำแนกตามการเปลี่ยนแปลงพลังงานในระบบเป็นเกณฑ์ได้เป็น 2 ประเภทคือ
1.สมดุลของปฏิกิริยาคายความร้อน (Exothermic reaction equilibrium)
เขียนสมการแทนดังนี้ H 2(g) + I2 (g)2HCl (g) H = -9.4 KJ
หรือ H2 (g) + I2 (g) 2HCl (g) + 9.4 KJ
สมดุลของปฏิกิริยาคายความร้อน เป็นสมดุลของระบบหลังเกิดปฏิกิริยาจะคายพลังงานให้แก่สิ่งแวดล้อม
2. สมดุลของปกิกิริยาดูดความร้อน (Endothermic reaction equilibrium)
เขียนสมการแทนได้ดังนี้
N2O4(g) 2NO2(g) H = +57.2 KJ
หรือ N2O4(g) + 57.2 KJ 2NO2(g)
สมดุลของปฏิกิริยาดูดความร้อน จะพบว่าปฏิกิริยาไปข้างหน้าดูดความร้อน และ ปฏิกิริยาย้อนกลับ คายความร้อน และ จะเรียกซื่อสมดุลของปฏิกิริยาตามซื่อของปฏิกิริยาไปข้างหน้า คือปฏิกิริยาดูดความร้อน
จากการทดลอง 7.4 ช่วยให้ทราบว่าการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นจะมีผลต่อภาวะสมดุล นักเรียนคิดว่าถ้าเปลี่ยนความดันและอุณหภูมิ จะมีผลต่อภาวะสมดุลหรือไม่สามารถศึกษาได้จากภาวะสมดุลระหว่างแก๊สไนโตรเจนไดออกไซด์กับแก๊สไดไนโตรเจนเตตระออกไซด์ จากการทดลองต่อไปนี้
การทดลอง 7.5 การศึกษาผลของความดันและอุณหภูมิต่อภาวะสมดุล (สาธิต)
ตอนที่ 1 การเตรียมแก๊ส
1. เตรียมหลอดทดลองขนาดใหญ่พร้อมจุกยางที่มีหลอดนำแก๊สเสียบอยู่และต่ออยู่กับสายยางที่มีคลิปสำหรับหนีบ เพื่อไม่ให้แก๊สที่เกิดขึ้นรั่วออกมาได้
2. ใส่ชิ้นโลหะทองแดงประมาณ 1 กรัม ลงในหลอดทดลองในข้อ 1 แล้วเติมสารละลายกรดไนตริกเข้มข้น 5 ลงไป ปิดจุกยางทันที
3.. เก็บแก๊สใส่ในหลอดฉีดยาพลาสติกที่แห้งและดึงก้านหลอดฉีดยาออก รวมทั้งมีด้านปลายที่ต่อกับเข็มฉีดยาปิดสนิท เมื่อได้แก๊สเต็มกระบอกแล้วรีบปิดหลอดฉีดยาด้วยก้านสูบทันที และเก็บไว้ใช้ในการทดลองตอนที่ 2
4. เก็บแก๊สใส่หลอดทดลองขนาดเล็กและแห้ง 3 หลอดปิดจุกยางให้แน่นเพื่อเก็บไว้ใช้ในการทดลองตอนที่ 3
การเก็บแก๊สไนโตรเจนไดออกไซด์ในหลอดฉีดยา
ผลของไนโตรเจนไดออกไซด์ต่อมนุษย์และสิ่งแวดล้อม
-แก๊ส มีพิษ ควรหลีกเลี่ยงการหายใจเอาแก๊สนี้เข้าสู่ร่างกาย การสูดดมในปริมาณมากจะทำให้เกิการระคายเคืองต่อระบบทางเดินหายใจและปอด -การได้รับหรือสูดดมแก๊ส อย่างต่อเนื่องเป็นระยะเวลานานจะทำให้เกิดการติดเชื้อในระบบทางเดินหายใจ และมีผลต่อสภาพภายในของปอดอย่างถาวร -แก๊ส ทำปฏิกิริยากับละอองน้ำในบรรยากาศหรือน้ำฝน ทำให้เกิดเป็นฝนกรด ดังสมการ |
การเปลี่ยนความดันกับภาวะสมดุล
1. สังเกตสีของแก๊สในหลอดฉีดยาที่เตรียมไว้แล้วจากตอนที่ 1 บันทึกผล
2.กดก้านหลอดฉีดยาลงอย่างเร็วจนปริมาตรลดลงครึ่งหนึ่งหรือน้อยกว่านั้นพร้อมกับสังเกตสีของแก๊ส กดให้อยู่ ณ ตำแหน่งนั้นประมาณ 15 วินาที สังเกตสีของแก๊สเทียบกับเมื่อกดอยู่ที่ตำแหน่งนั้นใหม่ ๆ
3. ดึงก้านหลอดฉีดยาขึ้นมาอย่างเร็วให้อยู่ที่ระดับเดิมหรือใกล้เคียงกับที่เก็บแก๊สไว้ สังเกตสีของแก๊สและดึงให้อยู่ ณ ตำแหน่งนั้นประมาณ 15 วินาที สังเกตสีเทียบกับเมื่อดึงให้อยู่ในตำแหน่งนั้นใหม่ ๆ
4. ทำการทดลองตามข้อ 2-3 ซ้ำอีกครั้ง
– เมื่อกดและดึงก้านหลอดฉีดยา ภาวะสมดุลของระบบจะเปลี่ยนแปลงไปในทิศทางเดียวกันหรือไม่
– ความดันมีผลต่อภาวะสมดุลของระบบหรือไม่อย่างไร
– เมื่อเปลี่ยนความดันของระบบ ระบบจะเข้าสู่ภาวะสมดุลอีกหรือไม่ อย่างไร
– เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น จะเกิดแก๊ส เพิ่มขี้นหรือลดลง
– ปฏิกิริยาการสลายตัวของ เป็นปฏิกิริยาดูดความร้อนหรือคายความร้อน
– เมื่อเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของระบบ ระบบจะเข้าสู่ภาวะสมดุลอีกหรือไม่
– อุณหภูมิมีผลต่อภาวะสมดุลของระบบหรือไม่อย่างไร
แก๊สไนโตรเจนไดออกไซด์ในการทดลองนี้เตรียมจากปฏิกิริยาระหว่างโลหะทองแดงกับกรดไนตริกเข้มข้นเขียนสมการแสดง ได้ดังนี้
ในระบบปิด แก๊ส สามารถรวมตัวกันเกิดเป็นแก๊ส และมีภาวะสมดุลเกิดขึ้นดังสมการ
ไนโตรเจนไดออกไซด์ ไดไนโตรเจนเตตระออกไซด์
(สีน้ำตาลแดง) (ไม่มีสี)
ความดันของแก๊ส ณ อุณหภูมิหนึ่ง เกิดจากโมเลกุลของแก๊สชนกับผนังภาชนะ ถ้าจำนวนโมเลกุลมีมากความดันก็จะยิ่งมาก ในการทดลองตอนที่ 2 การกดก้านหลอดฉีดยาเป็นการลดปริมาตรของระบบ ทำให้ระบบมีความดันรวมเพิ่มขึ้นและความเข้มข้นของแก๊สสูงขึ้น จึงพบว่าแก๊สผสมมีสีเข้มขึ้นชั่วขณะหนึ่งแล้วจางลงเล็กน้อยและมีสีคงที่ แสดงว่าระบบเข้าสู่สมดุลอีกครั้ง การที่แก๊สผสมมีสีจางลงอธิบายได้ว่า เนื่องจากความเข้มข้นของ
ลดลง หรือกล่าวได้ว่า จำนวนหนึ่งรวมตัวกันเกิด เพื่อลดความดันรวมภายในระบบ (การรวมตัวของ 2 โมล จะได้ 1 โมล ทำให้จำนวนโมลรวมของระบบลดลง ความดันรวมของระบบจึงลดลง) ทำให้ความเข้มข้นของ เพิ่มขึ้น
รูป7.12การเปลี่ยนความเข้มข้นของสีในระบบที่ประกอบด้วยแก๊สและ
เมื่อดึงก้านหลอดฉีดยาขึ้นอย่างรวดเร็วจนปริมาตรของแก๊สในระบบใกล้เคียงกับตอนเริ่มต้น สีของแก๊สจะจางลงและค่อย ๆ เข้มขึ้นเล็กน้อยและในที่สุดจะคงที่ อธิบายได้ว่าการดึงก้านหลอดฉีดยาทำให้ปริมาตรของระบบเพิ่มขึ้นเป็นผลให้ความดันรวมและความเข้มข้นของแก๊ส ในระบบลดลง สีของแก๊สจึงจางลง ส่วนการที่สีค่อย ๆ เข้มขึ้นอีกเล็กน้อย แสดงว่าแก๊ส สลายตัวเกิดเป็น เพิ่มขึ้นเนื่องจากการสลายตัวของแก๊ส ทำให้จำนวนโมเลกุลของแก๊สในระบบเพิ่มขึ้น (เพราะว่า 1 โมล สลายตัวให้ 2 โมล) และมีผลทำให้ความดันภายในระบบเพิ่มขึ้นด้วย ในที่สุดเมื่อสีคงที่แสดงว่าระบบเข้าสู่ภาวะสมดุลอีกครั้งดังนั้นการกดหรือดึงก้านหลอดฉีดยาซึ่งเป็นการเปลี่ยนแปลงความดันของระบบ จึงทำให้ภาวะสมดุลของระบบเปลี่ยนแปลงไป และมีทิศทางตรงข้ามกัน
การเปลี่ยนแปลงความดันไม่มีผลต่อภาวะสมดุลของสารในสถานะของเหลวหรือของแข็ง เนื่องจากของเหลวและของแข็งมีปริมาตรคงที่ แต่มีผลโดยตรงต่อภาวะสมดุลของปฏิกิริยาที่มีสารในสถานะแก๊สเท่านั้น ทั้งนี้ปฏิกิริยานั้นต้องมีจำนวน โมลรวมของแก๊สที่เป็นสารตั้งต้นไม่เท่ากับจำนวนโมลของผลิตภัณฑ์ เช่น
สำหรับปฏิกิริยาที่สารตั้งต้นกับผลิตภัณฑ์เป็นแก๊สและมีจำนวนโมลรวมเท่ากัน เช่น
การเปลี่ยนแปลงความดันจะไม่มีผลต่อการเปลี่ยนแปลงภาวะสมดุลของระบบในลักษณะนี้ เนื่องจากการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าหรือปฏิกิริยาย้อนกลับไม่ทำให้จำนวนโมลรวมของแก๊สในระบบเปลี่ยนแปลง
ในการทดลองตอนที่ 3 บรรจุแก๊ส ไว้ในหลอดทดลองสามหลอดและเป็นระบบปิด แก๊ส จึงรวมตัวกันเป็นแก๊ส เกิดภาวะสมดุลดังสมการ
สีน้ำตาลแดง ไม่มีสี
เมื่อจุ่มหลอดทดลองบรรจุแก๊สผสมในน้ำร้อน แก๊สที่อยู่ในหลอดทดลองจะมีสีน้ำตาลแดงเข้มขึ้นเมื่อเทียบกับหลอดทดลองที่ 3 แสดงว่าเกิดแก๊ส เพิ่มขึ้น อธิบายได้ว่าเนื่องจากปฏิกิริยาการแยกสลายแก๊ส เกิดเป็นแก๊ส เป็นแบบดูดความร้อน การเพิ่มพลังงานให้แก่ระบบจะทำให้ปฏิกิริยาเกิดได้ดีและมีปริมาณผลิตภัณฑ์เพิ่มขึ้น ดังนั้นการจุ่มหลอดบรรจุแก๊สผสมในน้ำร้อน จึงทำให้แก๊ส แยกสลายเป็นแก๊ส เพิ่มขึ้นแก๊สจึงมีสีเข้มขึ้น ในที่สุดเมื่อสีของแก๊สคงที่แสดงว่าระบบเข้าสู่สมดุลอีกครั้งหนึ่ง
ในทางตรงกันข้าม เมื่อนำหลอดบรรจุแก๊สผสมไปจุ่มในน้ำเย็น แก๊สมีสีจางลงกว่าหลอดทดลองที่ 3 แสดงว่าความเข้มข้นของแก๊ส ลดลง เนื่องจากปฏิกิริยาการรวมตัวของแก๊ส เกิดเป็นแก๊ส เป็นปฏิกิริยาคายความร้อนเมื่อลดอุณหภูมิของระบบโดยการจุ่มในน้ำเย็น ระบบจะถ่ายเทพลังงานออกสู่สิ่งแวดล้อมได้ดี ทำให้แก๊ส รวมตัวเกิดเป็นแก๊ส ได้ดีขึ้น แก๊สจึงมีสีจางลง ในที่สุดเมื่อสีของแก๊สคงที่แสดงว่าระบบเข้าสู่ภาวะสมดุลอีกครั้ง
จากผลการทดลอง 7.5 นักเรียนสรุปได้ว่าความดันและอุณหภูมิมีผลต่อภาวะสมดุลของระบบ
เมื่อปฏิกิริยาดำเนินเข้าสู่ภาวะสมดุล ณ อุณหภูมิหนึ่งพบว่าการรบกวนสมดุล โดยการเปลี่ยนความดันของระบบหรือการเปลี่ยนความเข้มข้นของสารไม่มีผลต่อค่าคงที่สมดุลถ้ามีการเปลี่ยนแปลงอุณหภุมิจะมีผลต่อค่าคงที่สมดุลหรือมไม่ให้พิจารณาข้อมูลในตาราง 7.6
ตาราง 7.6 แสดงความเข้มข้นของแก๊ส และค่าคงที่สมดุล ณ อุณหภูมิต่าง ๆ ของปฏิกิริยา
ตาราง 7.6 แสดงความเข้มข้นของแก๊ส และค่าคงที่สมดุล ณ อุณหภูมิต่าง ๆ ของปฏิกิริยา
อุณหภูมิ |
ความเข้มข้นที่ภาวะสมดุล |
|
|
25
35 45 55 |
0.076
0.108 0.149 0.201 |
0.962
0.946 0.899 0.048 |
8.4 x 10-1 |
ปฏิกิริยาการสลายตัวของแก๊ส เป็นปฏิกิริยาดูดความร้อน เมื่อใช้ข้อมูลในตาราง 7.6 เขียนกราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างค่าคงที่สมดุลกับอุณหภูมิจะได้กราฟดังรูป 7.13
สำหรับปฏิกิริยาคายความร้อน เช่น
ซึ่งมีค่าคงที่สมดุลเปลี่ยนไปตามอุณหภูมิดังตาราง 7.7
ตาราง 7.7 ค่าคงที่สมดุล ณ อุณหภูมิต่าง ๆ ของปฏิกิริยา
อุณหภูมิ |
ค่าคงที่สมดุล (K) |
25 |
|
200 |
065 |
300 |
0.011 |
400 |
|
500 |
|
เมื่อเขียนกราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างค่าคงที่สมดุลกับอุณหภูมิ จะได้ดังรูป 7.14
รูป 7.13 กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างค่าคงที่สมดุลกับอุณหภูมิของปฏิกิริยาดูดความร้อน
รูป 7.14 กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างค่าคงที่สมดุลกับอุณหภูมิของปฏิกิริยาคายความร้อน
ใส่ความเห็น