Chemical Equilibrium

     สมดุลเคมี คือสภาวะที่ความเข้มข้นของสารตั้งต้นและสารผลิตภัณฑ์ไม่เปลี่ยนแปลงอีกแม้เวลาผ่านไป เราจะเรียกว่าปฏิกิริยาเคมีนั้นอยู่ในสมดุล ทั้งนี้ การดำเนินไปของปฏิริยาไม่ได้สิ้นสุดลงแต่ระบบยังคงมีการเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา เรียกว่า สมดุลไดนามิก

    กระบวนการเปลี่ยนแปลงทางวิทยาศาสตร์มี 3 รูปแบบ คือ การเปลี่ยนสถานะ การละลาย และการเกิดปฏิกิริยาเคมี จำแนกเป็น 2 ลักษณะคือ

    1.  การเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นทางเดียวไม่ย้อนกลับ (Inreversible reaction) หมายถึงเมื่อสิ่งหนึ่งเปลี่ยนแปลงไปเป็นอีกสิ่งหนึ่งแล้ว  สิ่งที่เกิดขึ้นจากการเปลี่ยนแปลงนี้จะไม่สามารถเปลี่ยนกลับมาสู่ภาวะเดิมได้โดยทันที เช่น การเผาไหม้ของสิ่งต่าง ๆ เราไม่สามารถทำให้สิ่งที่เกิดจากการเผาไหม้ เปลี่ยนกลับไปเป็นสารเดิมเหมือนก่อนการเผาไหม้ได้อีก การเปลี่ยนแปลงลักษณะนี้ไม่มีภาวะสมดุล เช่น ปฏิกิริยาการเผาไหม้ดังสมการ

CH₄(g) + O₂(g) CO₂(g) + H₂O(g)

    2.  การเปลี่ยนแปลงที่ผันกลับได้หรือย้อนกลับได้ (Reversible reaction) มีลักษณะที่สำคัญคือเมื่อสิ่งหนึ่งเปลี่ยนแปลงไปเป็นสิ่งใหม่แล้ว  สิ่งใหม่ที่เกิดขึ้นก็สามารถเปลี่ยนกลับมาเป็นสิ่งเดิมได้ทันที การเปลี่ยนแปลงลักษณะนี้จะเกิดภาวะสมดุลขึ้นได้  เช่น  การผลิต ก๊าซแอมโมเนีย (NH₃) จากปฏิกิริยาระหว่างก๊าซไฮโดรเจน (H₂) กับก๊าซไนโตรเจน (N₂) ดังสมการ

3 H₂(g)   +  N₂(g)    ↔    2NH₃(g)

    ในการเกิดปฏิกิริยานี้  ก๊าซ H₂  และ N₂  เป็นสารตั้งต้น  ทำปฏิกิริยากันกลายเป็นก๊าซ NH₃  และในทันทีที่เกิดก๊าซ  NH₃   ก๊าซ NH₃  ที่เกิดขึ้นจะสลายตัวกลับไปเป็นก๊าซ  H₂  และ N₂  อย่างเดิม  ฉะนั้นในเวลาเดียวกันจึงมีการเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้น  2    กระบวนการพร้อมกัน  ได้แก่

        2.1  ก๊าซ H₂  กับ N₂  ทำปฏิกิริยากันกลายเป็นก๊าซ NH₃  ดังสมการ

3 H₂(g)   +  N₂(g)    →    2NH₃(g)

    กระบวนการนี้เกิดขึ้นก่อน  เรียกว่าการเปลี่ยนแปลงไปข้างหน้า  (forward change  หรือ forward reaction)

        2.2  ก๊าซ NH₃  บางส่วนสลายตัวกลับมาเป็นก๊าซ  H₂  กับ N₂  ตามเดิม  ดังสมการ

2NH₃(g)      →     3H₂(g)  +  N₂(g)

    กระบวนการนี้เกิดขึ้นทีหลัง  เรียกว่าการเปลี่ยนแปลงย้อนกลับ (reverse change  หรือ reverse reaction)     เมื่อนำการเปลี่ยนแปลงทั้ง  2  มาเขียนไว้ในสมการเดียวกัน  รูปของสมการจะเป็นดังนี้

2NH₃(g)        ⇌      3H₂(g) +  N₂(g)

คุณสมบัติของสมดุลเคมี

1. สมดุลเคมีจะต้องเกิดในระบบปิดเท่านั้น
2. สมดุลจะต้องเกิดการเปลี่ยนแปลงที่ผผันกลับได้
3. ค่าอัตราการเกิดของปฏิกิริยาไปข้างหน้าจะเท่ากับค่าอัตราการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหลัง
4. ในทุกๆ ระบบจะมีสารตั้งต้นเหลืออยู่
5. ค่าของระบบนั้นๆจะคงที่

    ภาวะสมดุล  หมายถึง  ภาวะที่ระบบมีสมบัติคงที่  หรือภาวะที่สารตั้งต้นและสารผลิตภัณฑ์ทุกชนิดมีปริมาณหรือความเข้มข้นคงที่  หรือภาวะที่อัตราการเปลี่ยนแปลงไปข้างหน้าเท่ากับอัตราการเปลี่ยนแปลงย้อนกลับ

สมบัติของระบบ ณ ภาวะสมดุล

1. ต้องเป็นปฏิกิริยาที่ผันกลับได้ โดย  ต้องเกิดในระบบปิด

2. มีปฏิกิริยาไปข้างหน้าและย้อนกลับเกิดขึ้นตลอดเวลา โดยจำนวนโมลของสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์คงที่แต่อาจเท่ากันหรือไม่เท่ากันก็ได้  และ  อัตราการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าเท่ากับปฏิริยาย้อนกลับ

3. สมบัติของระบบคงที่ (จำนวนโมลคงที่  สีของสารคงที่  ความดันคงที่  และอุณหภูมิคงที่)

          ภาวะสมดุลระหว่างสถานะ  สารต่างๆสามารถเปลี่ยนสถานะได้ โดยมีการเปลี่ยนแปลงพลังงานควบคู่ไปด้วย  ดังแผนภาพนี้

    ที่ภาวะสมดุลของปฏิกิริยาเคมีระบบยังมิได้หยุดนิ่ง  ยังมีทั้งการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้า  และเกิดปฏิกิริยาย้อนกลับตลอดเวลาโดยเกิดในอัตราที่เท่ากัน  เรียกภาวะสมดุลนี้ว่า  ภาวะสมดุลไดนามิก        

    ภาวะสมดุลในสารละลายอิ่มตัว  เมื่อให้ตัวถูกละลาย ละลายในตัวทำละลาย ตัวถูกละลายก็จะละลายได้เร็วในตอนแรกแล้วละลายได้ช้าลงและเมื่อเกิดสารละลายอิ่มตัว เราจะพบว่าตัวถูกละลายไม่ละลายต่อไปอีก  ไม่ว่าจะคนสารละลายเป็นเวลานานเท่าใดถ้าอุณหภูมิคงที่ เมื่อตั้งสารละลายอิ่มตัวไว้จะเกิดผลึกขึ้นและปริมาณของผลึกจะเพิ่มขึ้นเรื่อยๆจนในที่สุดผลึกคงที่ เรายังดูเหมือนว่าไม่เกิดผลึกอีก แต่ในระบบผลึกยังคงเกิดขึ้นเรื่อยๆแล้วก็ละลายในสารละลายอีกด้วย

    สมดุลในปฏิกิริยาเคมี  คือ  ปฏิกิริยาเคมีที่เกิดภาวะสมดุลจะต้องเป็นปฏิกิริยาผันกลับได้  และ  สมบัติของระบบต้องคงที่  การศึกษาภาวะสมดุลของปฏิกิริยาเคมี  ตรวจสอบดังนี้

• ทดสอบปฏิกิริยาไปข้างหน้า (สารตั้งต้นทำปฏิกิริยากันแล้วเกิดเป็นสารผลิตภัณฑ์หรือไม่)

• ทดสอบปฏิกิริยาย้อนกลับ (นำสารผลิตภัณฑ์มาทำปฏิกิริยากันแล้วกลับไปเป็นสารตั้งต้นหรือไม่)

• สังเกตสมบัติของระบบว่าคงที่หรือไม่ (อาจสังเกตสีว่าคงที่หรือไม่)

    การเปลี่ยนแปลงที่ก่อให้เกิดสมดุลเคมีต้องเป็นการเปลี่ยนแปลงที่ผันกลับได้ ซึ่งแบ่งเป็น 3 ประเภท ดังนี้

    1.  การเปลี่ยนสถานะ

    เช่น การกลายเป็นไอของน้ำในภาชนะปิด น้ำเปลี่ยนสถานะจากของเหลวเป็นแก๊ส

H₂O(l)  ⇌    H₂O(g)

    หรือการระเหิดของไอโอดีนในภาชนะปิด ซึ่งเปลี่ยนสถานะไอโอดีนจากของแข็งเป็นแก๊ส

I₂(s) ⇌    I₂ (g)

    ดังนั้น ในระบบอาจมีการเปลี่ยนสถานะจากของแข็งเป็นของเหลว หรือจากของเหลวเป็นแก๊ส หรือจากแก๊สเป็นของแข็งอย่างใดอย่างหนึ่ง ดังนั้นการเปลี่ยนสถานะที่จะก่อให้เกิดสมดุลเคมีได้ต้องเกิดในระบบปิดเท่านั้น

    2.  การเกิดสารละลาย

    การเกิดสารละลายที่จะก่อให้เกิดสมดุลเคมี เช่น การละลายของเกลือ NaCl  ในน้ำได้สารละลาย แต่เมื่อให้ความร้อนจะเกิดเป็นสารละลายอิ่มตัว เมื่ออุณหภูมิลดลงจะเกิดการตกผลึกของเกลือ NaCl  กลับมา การเกิดสารละลายลักษณะนี้จึงก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงที่ผันกลับได้ การละลายของเกลือแกงแสดงดังสมการข้างล่าง(จะต้องละลายจนอิ่มตัวจึงจะเกิดสมดุล)

NaCl (s)  +  H₂O   ⇌      Na⁺(aq)   +  Cl^- (aq)

    3.  การเกิดปฏิกิริยาเคมี

    การเกิดปฏิกิริยาบางปฏิกิริยาสามารถผันกลับได้ และก่อให้เกิดสมดุลเคมี  เช่น การละลายของก๊าซ  CO₂  ในน้ำ อาจจะเกิดการเปลี่ยนแปลงในลักษณะการแพร่ของแก๊ส  CO₂ ในน้ำ หรืออาจเกิดปฏิกิริยาเคมีกับน้ำได้กรดคาร์บอนิก และกรดคาร์บอนิกสามารถสลายตัวกลับมาเป็นแก๊ส CO₂ และ H₂O เหมือนเดิม

CO₂ (g)  +  H₂O (l)  ⇌    H₂CO₃

หลักของเลอชาเตลิเย

    ใน พ.ศ. 2427  อ็องรี หลุยส์ เลอ ชาเตอลิเยร์ (Le  Chatelier,  Henry-louis)  ได้ให้ข้อมูลสรุปการศึกษาการค้นคว้าเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงสภาสมดุลของปฏิกิริยาต่างๆไว้ดังนี้  “เมื่อระบบที่อยู่ในภาวะสมดุลถูกรบกวนโดยการเปลี่ยนแปลงปัจจัยที่มีผลต่อภาวะสมดุลขอระบบ  ระบบจะเกิดการเปลี่ยนแปลงไปในทิศทางที่จะลดผลของการรบกวนนั้น  เพื่อให้ระบบเข้าสู่ภาวะสมดุลอีกครั้ง”

    โดยระบบที่อยู่ในภาวะสมดุลมีสมบัติต่างๆของระบบคงที่  เช่น  ความเข้มข้นของสารตั้งต้นและสารผลิตภัณฑ์คงที่  ความดันของระบบคงที่  อัตราการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าเท่ากับอัตราการเกิดปฏิกิริยาย้อนกลับ  เป็นต้น  การรบกวนภาวะสมดุลของระบบโดยการเปลี่ยนแปลงสภาวะของสารในปฏิกิริยา  อาจทำให้ค่าคงที่ของสมดุลและตำแหน่งของภาวะสมดุลเปลี่ยนไป  หรืออาจทำให้ระบบเข้าสู่ภาวะสมดุลได้เร็วขึ้นหรือช้าลง

การเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของสาร

    การเพิ่มความเข้มข้นของสาร  เป็นการเพิ่มจำนวนโมเลกุลของสารที่เข้าทำปฏิกิริยาให้มีโอกาสชนกันมากขึ้น  ทำให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาเพิ่มขึ้น  แต่การลดความเข้มข้นของสารเป็นการลดจำนวนโมเลกุลของสารที่เข้าทำปฏิกิริยา  ทำให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาลดลง

    การเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของสารในปฏิกิริยาเคมี  โดยทั่วไปมีผลต่อภาวะสมดุลของระบบดังนี้

1. การเพิ่มความเข้มข้นของสารตั้งต้นสารใดสารหนึ่ง สมดุลจะเลื่อนไปทางขวา  และเมื่อเพิ่มความเข้มข้นของสารผลิตภัณฑ์สารใดสารหนึ่ง  สมดุลจะเลื่อนไปทางซ้าย

2. การลดความเข้มข้นของสารตั้งต้นสารใดสารหนึ่ง สมดุลจะเลื่อนไปทางซ้าย  และเมื่อลดความเข้มข้นของสารผลิตภัณฑ์สารใดสารหนึ่ง  สมดุลจะเลื่อนไปทางขวา

3. สารที่มีสถานะเป็นของแข็ง (s)  หรือของเหลวบริสุทธิ์  (l)  จะไม่มีผลต่อภาวะสมดุลของระบบ  เนื่องจากมีค่าความเข้มข้นคงที่

    โดยเมื่อเปลี่ยนความเข้มข้นของสารในระบบ  ภาวะสมดุลของระบบจะเปลี่ยนแปลงด้วย  แต่ไม่มีผลต่อค่าคงที่สมดุลของระบบ  คือ  ค่าคงที่สมดุลของระบบจะมีค่าคงที่ถึงแม้ว่าจะเพิ่มหรือลดความเข้มข้นของสารตั้งต้นหรือผลิตภัณฑ์ก็ตาม

การเปลี่ยนแปลงความดันของระบบ

    การเปลี่ยนแปลงความดันหรือปริมาตรจะมีผลต่อภาวะสมดุลก็ต่อเมื่อ

1. ต้องเป็นภาวะสมดุลของระบบที่มีสารอย่างน้อยหนึ่งชนิดเป็นแก๊ส ถ้าเป็นระบบที่มีสารตั้งต้นและสารผลิตภัณฑ์เป็นของแข็งหรือของเหลว  การเปลี่ยนแปลงความดันจะไม่มีผลต่อภาวะสมดุลของระบบ

2. จำนวนโมลของสารตั้งต้นที่เป็นแก๊ส ต้องไม่เท่ากับจำนวนโมลของสารผลิตภัณฑ์ที่เป็นแก๊ส

    โดยการเปลี่ยนแปลงความดันกับภาวะสมดุลของระบบที่มีแก๊สเกี่ยวข้องและจำนวนโมลของแก๊สตั้งต้น และจำนวนโมลของแก๊สผลิตภัณฑ์ต้องไม่เท่ากัน  การเปลี่ยนแปลงความดันจะมีผลในการทำให้ภาวะสมดุลเปลี่ยนไป  คือ

• การเพิ่มความดัน  เมื่อเพิ่มความดันให้แก่ระบบ  (ลดปริมาตรของระบบ)  ระบบจะปรับตัวไปในทิศทางลดความดัน  โดยการลดจำนวนโมลหรือโมเลกุลของระบบลง  เพราะความดันเป็นสัดส่วนโดยตรงกับจำนวนโมลหรือโมเลกุล  ดังนั้นการเพิ่มความดันจะทำให้ปฏิกิริยาเกิดไปทางด้านที่มีจำนวนโมลหรือโมเลกุลของแก๊สที่มีจำนวนโมลน้อยกว่าได้ดีขึ้น  ที่ภาวะสมดุลใหม่ความเข้มข้นของสารจะต่างจากภาวะสมดุลเดิม
• การลดความดัน  เมื่อลดความดันให้แก่ระบบ  (เพิ่มปริมาตรของระบบ)  ระบบจะปรับตัวไปในทิศทางเพิ่มความดัน  โดยการเพิ่มจำนวนโมลหรือโมเลกุลของระบบลง  เพราะความดันเป็นสัดส่วนโดยตรงกับจำนวนโมลหรือโมเลกุล  ดังนั้นการลดความดันจะทำให้ปฏิกิริยาเกิดไปทางด้านที่มีจำนวนโมลหรือโมเลกุลของแก๊สที่มีจำนวนโมลมากกว่าได้ดีขึ้น  ที่ภาวะสมดุลใหม่ความเข้มข้นของสารจะต่างจากภาวะสมดุลเดิม

    กรณีการเปลี่ยนความดันกับภาวะสมดุลของระบบที่มีแก๊สเข้ามาเกี่ยวข้อง  แต่มีจำนวนโมลของสารตั้งต้นที่เป็นแก๊สเท่ากับจำนวนโมลของสารผลิตภัณฑ์ที่เป็นแก๊ส  การเพิ่มหรือลดความดันจะไม่มีผลต่อภาวะสมดุลของระบบ  เพราะจำนวนโมลของสารตั้งต้นที่เป็นแก๊สเท่ากับจำนวนโมลของสารผลิตภัณฑ์ที่เป็นแก๊สเท่ากัน  ดังนั้นไม่ว่าจะเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าหรือย้อนกลับจำนวนโมลของสารที่มีสถานะแก๊สภายในระบบก็ไม่เปลี่ยนแปลง  เมื่อเปลี่ยนความดันอัตราการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าและย้อนกลับยังคงเท่ากันตลอดเวลา 

การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของระบบ

    กรณีที่ 1  การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิกับภาวะสมดุลของปฏิกิริยาดูดความร้อน  คือ ΔE มีค่าเป็นบวกในปฏิกิริยาดูดความร้อน  เมื่อมีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิจะทำให้ภาวะสมดุลเปลี่ยนไป  ดังนี้

1. การเพิ่มอุณหภูมิ เมื่อเพิ่มอุณหภูมิของระบบ  ระบบจะต้องปรับตัวไปในทิศทางลดอุณหภูมิของระบบลง  โดยระบบจะดูดความร้อนไปใช้ในการเกิดปฏิกิริยามากขึ้น  ดังนั้นเมื่อเพิ่มอุณหภูมิระบบปฏิกิริยาจะเกิดไปทางด้านดูดความร้อนมากขึ้น  หรือเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้ามากขึ้น

2. การลดอุณหภูมิ เมื่อลดอุณหภูมิของระบบลดลง  ระบบจะต้องปรับตัวไปในทิศทางเพิ่มอุณหภูมิของระบบลง  ดังนั้นเมื่อลดอุณหภูมิระบบปฏิกิริยาจะเกิดไปทางด้านคายความร้อนออกมา  หรือเกิดปฏิกิริยาย้อนกลับเพื่อเพิ่มอุณหภูมิของระบบขึ้น

    กรณีที่ 2  การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิกับภาวะสมดุลของปฏิกิริยาคายความร้อน  คือ  ΔE มีค่าเป็นลบในปฏิกิริยาคายความร้อน  เมื่อมีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิจะทำให้ภาวะสมดุลเปลี่ยนไป  ดังนี้

1. การเพิ่มอุณหภูมิ เมื่อเพิ่มอุณหภูมิของระบบลดลง  ระบบจะต้องปรับตัวไปในทิศทางลดอุณหภูมิของระบบลง  ดังนั้นเมื่อเพิ่มอุณหภูมิระบบปฏิกิริยาจะเกิดไปทางด้านดูดความร้อนหรือเกิดปฏิกิริยาย้อนกลับได้ดีขึ้น  เมื่อความร้อนถูกใช้ไปมากขึ้นก็จะทำให้อุณหภูมิลดต่ำลง

2. การลดอุณหภูมิ เมื่อลดอุณหภูมิของระบบ  ระบบจะต้องปรับตัวไปในทิศทางเพิ่มอุณหภูมิของระบบลง  ดังนั้นเมื่อลดอุณหภูมิระบบปฏิกิริยาจะเกิดไปทางด้านคายความร้อนหรือเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าได้ดีขึ้น เมื่อปฏิกิริยาคายความร้อนออกมาก็จะทำให้อุณหภูมิสูงขึ้น

    โดย  ผลของการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมินั้น  ถ้าเป็นปฏิกิริยาคายความร้อน  การลดอุณหภูมิทำให้ผลิตภัณฑ์มากขึ้นและค่าคงที่สมดุลสูงขึ้น  แต่ถ้าเป็นปฏิกิริยาดูดความร้อน  การลดอุณหภูมิทำให้ได้ผลิตภัณฑ์น้อยลงและค่าคงที่สมดุลลดลง  ส่วนการเพิ่มอุณหภูมินั้นจะทำให้ถ้าเป็นปฏิกิริยาคายความร้อน  การเพิ่มอุณหภูมิทำให้ผลิตภัณฑ์น้อยลงและค่าคงที่สมดุลลดลง  แต่ถ้าเป็นปฏิกิริยาดูดความร้อน  การเพิ่มอุณหภูมิทำให้ได้ผลิตภัณฑ์มากขึ้นและค่าคงที่สมดุลเพิ่มขึ้น

ขอขอบคุณแหล่งที่มาจาก : สมดุลเคมี สมดุลเคมี