สมดุลเคมี chemical...
TRANSCRIPT
Chemical Equilibrium
Chemical Equilibrium 1
สมดลเคมChemical Equilibrium
โครงการจดตงภาควชาเคม คณะศลปศาสตรและวทยาศาสตร
มหาวทยาลยเกษตรศาสตร วทยาเขตกาแพงแสน
2FLAS: Chemical Equilibrium
เนอหา
ลกษณะทวไปของสภาวะสมดล
คาคงทสมดล (K)
ขอสรปเกยวกบคา K
หลกของเลอชาเตอลเยร
Chemical Equilibrium
Chemical Equilibrium 2
3FLAS: Chemical Equilibrium
ปฏกรยาผนกลบได (Reversible Reaction)
ปฏกรยาผนกลบไดคอปฏกรยาทสารผลตภณฑสามารถเกดปฏกรยายอนกลบและไดสารตงตนกลบคนมา
สารตงตน (reactant) ผลตภณฑ (product)N2O4(g) 2NO2(g)
กระบวนการเดนหนากระบวนการเดนหนา (forward reaction)N2O4(g) 2NO2(g)
กระบวนการยอนกลบกระบวนการยอนกลบ (backward reaction)2NO2(g) N2O4(g)
4FLAS: Chemical Equilibrium
N2O4(g) 2NO2(g)
การเปลยนแปลงความเขมขนของ NO2 และ N2O4
(A) เมอ N2O4 เปนสารตงตน (B) เมอ NO2 เปนสารตงตน
Chemical Equilibrium
Chemical Equilibrium 3
5FLAS: Chemical Equilibrium
สมดลเคม (Chemical Equilibrium)
rf = อตราการเกดปฏกรยาไปขางหนา
rb = อตราการเกดปฏกรยายอนกลบ
rf และ rb ขนกบสมบตเฉพาะตวและความเขมขนของสารตงตนของปฏกร ยานนๆ
เมออตราเดนหนาและยอนกลบ เทากน (rf=rb) ระบบจะอยในสมดล
ทสมดล ความเขมขนของสารทกตวในปฏกรยาจะคงท
rf = kf[A] rb= kb[B]=
A Bkf
kb
6FLAS: Chemical Equilibrium
ลกษณะทวไปของสมดลเคม ทอณหภมหนง ๆ เมอระบบเขาสสมดล ระบบไมไดหยด
นง ยงคงมการเปลยนแปลงตลอด แต สมบตตาง ๆ ของระบบจะคงทเชน ความเขมขนของสาร ความหนาแนนความดน สมดลลกษณะนเรยกวา สมดลพลวต(dynamic equilibrium)
Chemical Equilibrium
Chemical Equilibrium 4
7FLAS: Chemical Equilibrium
สมดลพลวต (Dynamic Equilibrium)
Forward Reaction rf = kf [A]
Backward Reaction rb = kb [B]
Equilibrium
A Bkf
kb
8FLAS: Chemical Equilibrium
ผลคณความเขมขนผลคณความเขมขน(reaction quotient, Q)(reaction quotient, Q)
KBA
DC
BA
DC
beq
aeq
deq
ceq
eq
ba
dc
][][
][][Q
][][
][][Q
คาคงทสมดล (Equilibrium Constant) สาหรบปฏกรยาทเกดขนในขนตอนเดยว (single-step reaction)
aA + bB cC + dDทภาวะสมดลจะได
K เปนคาคงทสมดล (ขนกบอณหภม) K มาก มผลตภณฑมาก (kf >> kb)
K นอย มสารตงตนมาก (kf << kb)
kf
kb
beq
aeq
deq
ceq
b
f
BA
DC
k
k
][][
][][ K
Products
Reactants
dcb
baf DCkBAk ][][][][
Chemical Equilibrium
Chemical Equilibrium 5
9FLAS: Chemical Equilibrium
ผลคณความเขมขน (Reaction Quotient) Reaction Quotient (Q) คอ ผลคณความเขมขน หรอ ผลคณไอออน
สาหรบปฏกรยาใด ๆ aA + bB cC + dD
• a(X) คอกมมนตภาพ (activity) ของสาร X
คากมมนตภาพอาจประมาณไดดงนสารละลาย a(A) [A]
แกส a(B) PB
ของแขง ของเหลวบรสทธ a(C) 1
ba
dc
)()(
)()(
BaAa
DaCaQ
ba
dc
][][
][][
BA
DCQ
ผลคณความเขมขน =
10FLAS: Chemical Equilibrium
คาคงทสมดล (Equilibrium Constant; K) ความสมพนธระหวางปรมาณสารตงตนและสารผลตภณฑทสมดล
N2O4(g) 2NO2(g)Initial Conc. Equilibrium Conc. Equi. Const.
[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 4.64x10-3
0.0000 0.0600 0.0246 0.0107 4.64x10-3
0.0200 0.0600 0.0429 0.0141 4.64x10-3
ท 25 °C
Chemical Equilibrium
Chemical Equilibrium 6
11FLAS: Chemical Equilibrium
ปฏกรยาทเกดในหลายขนตอน
ปฏกรยา 2A + B C + D step 1: 2A A2
step 2: A2 + B C + D
คา K ของปฏกรยารวม
คา K ของปฏกรยาไมวาจะเกดในขนตอนเดยวหรอ หลายขนตอนจะมคาเทากน
22
1][
][
A
AK
]][[
][D][
2
2BA
CK
][][
][D][
]][[
][D][
][
][
22
22
21BA
C
BA
C
A
AKKK
12FLAS: Chemical Equilibrium
ตวอยางสมการคาคงทสมดล PCl5(g) PCl3(g) + Cl2(g)
H2(g) + I2(g) 2Hl(g)
2H2O2 (g) 2H2O(g) + O2(g)
][
][][
5
23
PCl
ClPClK
][][
][
22
2
IH
HIK
222
22
2
][
][][
OH
OOHK
Chemical Equilibrium
Chemical Equilibrium 7
13FLAS: Chemical Equilibrium
แบบฝกหด (1) จงเขยนสมการคา K 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)
14FLAS: Chemical Equilibrium
การคานวณหาความเขมขนทสมดล1. เขยนสมการเคมและดลสมการ2. หาความเขมขนของสารแตละตว
ความเขมขนเรมตน ([A]0, [B]0, [P]0) ความเขมขนทเปลยนแปลงไป (x) ความเขมขนทสมดล ([A]0–x, [P]0+x)
3. แทนคาความเขมขนทสมดลของสารแตละตว(เปนฟงกชนของ x) ในสมการคาคงทสมดล
4. แกสมการคาคงทสมดลเพอหาคาความเขมขนทเปลยนไป (x)
5. หาความเขมขนทสมดลโดยแทนคา x ทคานวณไดจากขอ 4
Chemical Equilibrium
Chemical Equilibrium 8
15FLAS: Chemical Equilibrium
ตวอยาง แกสไฮโดรเจน 2 mol ทาปฏกรยากบแกสไอโอดน 2 mol ใหแกส
ไฮโดรเจนไอโอไดดโดยทดลองในภาชนะ 1 L ทอณหภม 450 C เมอถงสมดลจะมแกสแตละชนดเทาใด เมอคา K = 50
H2(g) + I2(g) 2HI(g)
[H2] [I2] [HI]
Initial 2 M 2 M 0 M
Change -x M -x M +2x M
Equilibrium 2–x M 2–x M 2x M
xx
x
IH
HIK
22
)2(50
]][[
][ 2
22
2
ดงนนทสมดล ความเขมขนของแกสแตละชนดมคาดงน
16FLAS: Chemical Equilibrium
L-1mol6.1
1.72.142
x
xx
1
12
12
Lmol2.32][
Lmol4.00.2][
Lmol4.00.2][
xHI
xI
xH
xx
2
)2(50
Chemical Equilibrium
Chemical Equilibrium 9
17FLAS: Chemical Equilibrium
สมดลของปฏกรยาววธพนธ พจารณาปฏกรยาทประกอบดวยสารมากกวาหนงวฏภาค
Pb2+(aq) + Zn(s) Pb(s) + Zn2+(aq)
คาความเขมขนของของแขง (s) และของเหลวบรสทธ (l) มคาคงท
คา Kc คอคาคงทสมดลเมอพจารณาเฉพาะความเขมขน ของสารละลาย
]][(s)[
](s)][[
2
2
PbZn
ZnPbK
][
][
(s)][
(s)][2
2
Pb
Zn
Pb
ZnKKC
*อาจพจารณาวา ความเขมขนของ ของแขงหรอของเหลวบรสทธ = 1
18FLAS: Chemical Equilibrium
FeO(s) + CO(g) Fe(s) + CO2(g)
คาความเขมขนของของแขง (s) และของเหลวบรสทธ (l) มคาคงท*
])][([
]e(s)][[ 2
COsFeO
COFK
][
][
][
][ 2
CO
CO
Fe(s)
FeO(s)KKC
Chemical Equilibrium
Chemical Equilibrium 10
19FLAS: Chemical Equilibrium
สมดลของปฏกรยาเกยวของกบแกส
N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)
ในกรณของแกส อาจใชความดนแทนความเขมขนได โดยคาคงททไดจะเรยกวา KP
322
23
]][[
][
HN
NHKC
3
2
22
3
HN
NH
PPP
PK
20FLAS: Chemical Equilibrium
ความสมพนธระหวาง KC และ KP
ความเขมขน(M) คอปรมาณสาร(โมล)ตอปรมาตร(ลตร)
กฎของแกส RTV
nPnRTPV
][
][
RTBP
RTARTV
nP
B
AA
RTV
nP
atm
mol
L
K
atm·L mol-1 K-1
Chemical Equilibrium
Chemical Equilibrium 11
21FLAS: Chemical Equilibrium
aA + bB cC + dD
n(g) คอ ผลตางจานวมโมลของแกส
เมอ n(g) = 0
เมอ n(g) 0 )(gn
CP RTKK
CP KK
)( gn
PC RTKK
)( gn
CP RTKK
)()()( badcgn
)(
][][
][][
][][
][][ gn
ba
dc
bbaa
ddcc
bB
aA
dD
cC
p RTBA
DC
RTBRTA
RTDRTC
PP
PPK
22FLAS: Chemical Equilibrium
ตวอยาง จงหาคาคงทสมดลของปฏกรยา
2 NO2(g) N2O4(g) ท 25 °C ทภาวะสมดล PNO2
= 0.150 atm PN2O4= 0.160 atm
111.7atm 111.7
atm 150.0
atm 160.0 1
22
2
42
NO
ON
PP
PK
Kc = Kp(RT) -n = 7.111 atm-1 (RT) -n
n = 1-2 = -1Kc = 7.111 atm-1 (0.082 L atm mol-1 K-1 x 298.15 K) –(-1)
= 173.85
Chemical Equilibrium
Chemical Equilibrium 12
23FLAS: Chemical Equilibrium
แบบฝกหด จงหาคาคงทสมดล KC ของปฏกรยา ทอณหภม 25C
2 SO2(g)+O2(g) 2 SO3(g) เมอ KP=2.5x1024 atm-1
24FLAS: Chemical Equilibrium
ขอสรปเกยวกบคาคงทสมดล1. การระบคาคงทสมดล ตองระบสมการเคมและ
อณหภม (ถาใชสมประสทธตางกนคา K จะตางกน)H2(g) + I2(g) 2HI(g)
2. 2H2(g) + 2I2(g) 4HI(g )
]][[
][
22
2
IH
HIK
2
22
22
4
][][
][K
IH
HIK '
Chemical Equilibrium
Chemical Equilibrium 13
25FLAS: Chemical Equilibrium
2. ถาเขยนสมการแสดงปฏกรยายอนกลบ คาคงทสมดลจะเปนสวนกลบของคาคงทสมดลเดม
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
2NO2(g) 2NO(g) + O2(g)
KN
ONK
1
]O[
][O][2
2
22
'
][O][
]O[
22
22
ON
NK
26FLAS: Chemical Equilibrium
3. สาหรบปฏกรยาทประกอบดวยหลายขนตอนยอยK รวมของปฏกรยา = ผลคณคา K ของปฏกรยายอย
K = K1·K2·K3…
4. ความเขมขนของ ของเหลวและของแขงบรสทธ มคาคงท (= 1) คา K ทไดจะเปน Kc
5. สามารถใชความดนแทนความเขมขนของแกสในการหาคา K (ซงจะเปน KP)
Chemical Equilibrium
Chemical Equilibrium 14
27FLAS: Chemical Equilibrium
หลกของเลอชาเตอลเยร (Le Chatelier’s Principle)
เมอระบบทอยในสภาวะสมดลถกรบกวนทาใหสมดล ของระบบเสยไป ระบบจะปรบตวไปในทศทางทจะทาใหผลกระทบจากปจจยทรบกวนระบบนนลดลงหรอเหลอนอยทสดแลวระบบจะเขาสสมดลใหมอกครง
การเขาสสมดลของระบบจะเรมจากทศใดกได
28FLAS: Chemical Equilibrium
ปจจยทมผลตอสมดล ความเขมขนความเขมขน:: การเพมหรอลดความเขมขนของสารใน
ปฏกรยาจะทาใหสมดลเคม เสยไป (QK) ปฏกรยาจะปรบตวเพอใหคาผลคณความเขมขน (Q) เทากบคาคงทสมดล (K) อกครง (ไมมผลตอ K)
ความดนความดน:: การเพมหรอลดความดนจะสงผลตอปรมาตรของสาร ปฏกรยาจะปรบตวไปในทศทางททาใหเกดการเพมปรมาตรหรอลดปรมาตรเพอหกลางกบคาความดนทเปลยนแปลงไป (ไมมผลตอ K)
อณหภมอณหภม:: การเปลยนแปลงอณหภมจะทาใหคา K เปลยนแปลง ปฏกรยาจะปรบตวเพอใหคาผลคณความเขมขน(Q) เทากบ คาคงทสมดล (K) คาใหม
Chemical Equilibrium
Chemical Equilibrium 15
29FLAS: Chemical Equilibrium
การปรบตวของสมดล
ทสมดล ผลคณความเขมขน = K
เมอสมดลถกรบกวน ความเขมขน ความดน Q เปลยน
อณหภม K เปลยน
ระบบจะปรบตวเขาสสมดลใหม (โดยปรบคา Q) สมดลเลอนไปทางขวา (เพมผลตภณฑ)
สมดลเลอนไปทางซาย (เพมสารตงตน)
สมดลใหม
'' KQ
'' KQ eq
30FLAS: Chemical Equilibrium
อทธพลของความเขมขนตอสมดล
N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) ทสมดล
เมอเตม N2(g) หรอ H2(g) จะรบกวนสมดลทาให
เมอเตม NH3(g) จะรบกวนสมดลโดยทาให
KHN
NH
322
23
]][[
][
KHN
NH<
322
23
]][[
][ ดงนน N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)
KHN
NH>
322
23
]][[
][ ดงนน N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)
ลดสารตงตน เพมผลตภณฑ
เพมสารตงตน ลดผลตภณฑ
KHN
NH
322
23
]][[
][
เพอ
เพอ
Chemical Equilibrium
Chemical Equilibrium 16
31FLAS: Chemical Equilibrium
อทธพลของความดนตอสมดล ความดนจะมผลโดยตรงตอปรมาตรของสาร (แกส)
ถาจานวนโมลของแกสของสารตงตนและผลตภณฑใน สมการเคมเทากน (ng= 0) ความดนไมมผลตอสมดล N2(g) + O2(g) 2NO(g)
H2(g) + I2(g) 2HI(g)
ถาจานวนโมลของแกสของสารตงตนและผลตภณฑไม เทากน (ng 0) ความดนจะมผลตอสมดล 2N2O(g) 2N2(g) + O2(g)
ng = 0
ng = 3-2 = 1
32FLAS: Chemical Equilibrium
อทธพลของความดนตอสมดล
2N2O(g) 2N2(g) + O2(g) ทสมดล
เพมความดน หรอ ลดปรมาตรภาชนะ
ลดความดน หรอ เพมปรมาตรภาชนะ
P
ON
ONK
P
PP
2
2
2
22
จานวนโมลของแกสลดลง
จานวนโมลของแกสเพมขน
2N2O(g) 2N2(g) + O2(g) P
ON
ONK
P
PP>
2
2
2
22
2N2O(g) 2N2(g) + O2(g) P
ON
ONK
P
PP<
2
2
2
22
P
ON
ONK
P
PP
2
2
2
22
เกดปฏกรยายอนกลบ
เกดปฏกรยาไปขางหนา
Chemical Equilibrium
Chemical Equilibrium 17
อทธพลของอณหภมตอสมดล ในปฏกรยาเคมทวไป การเปลยนแปลงอณหภมจะมผลตอคา
คงตวอตราซงสมพนธกบพลงงานกระตนตามสมการอารเรเนยส
k = Ae –Ea/RT
เมอมการเปลยนแปลงอณหภมจาก T1 เปน T2 จะมผลทาใหคาคงทสมดล (K)เปลยนแปลงไป ซงมความสมพนธดงสมการ ตอไปน
log K2 = H (1/T1 - 1/T2) ………..(1) K1 2.303R
33FLAS: Chemical Equilibrium
34FLAS: Chemical Equilibrium
***อธบายผลการเปลยนแปลงอณหภมทมตอสภาวะสมดลโดยพจารณาจากสมการ (1) ไดดงน***-ในปฏกรยาคายความรอน H มเครองหมาย – ถา T2 > T1log (K2/K1) มเครองหมายเปน – แสดงวา K1 > K2 ดงนนในปฏกรยาคายความรอน เมออณหภมสงขน คาคงตวสมดลจะลดลง นนคอสมดลจะเลอนไปทางซาย (ทาใหคาคงตวสมดลลดลง)
-ในปฏกรยาดดกลนความรอน H มเครองหมาย + ถา T2 > T1 log (K2/K1) มเครองหมายเปน + แสดงวา K2 > K1 ดงนนในปฏกรยาดดความรอน เมออณหภมสงขน คาคงตวสมดลจะเพมขน นนคอสมดลจะเลอนไปทางขวา (ทาใหคาคงตวสมดลเพมขน)***กลาวอกนยหนงวา เมอเพมอณหภม สมดลจะเปลยนแปลงไปในทางทดดความรอน แตถาลดอณหภม สมดลจะเปลยนแปลงไปในทางทคายความรอน***
Chemical Equilibrium
Chemical Equilibrium 18
35FLAS: Chemical Equilibrium
ตวเรงปฏกรยาและสมดลเคม
ตวเรงปฏกรยา (catalyst) ทาใหปฏกรยาถงจดสมดลเรวขน เพมอตราเรวของปฏกรยาเดนหนา
เพมอตราเรวของปฏกรยายอนหลง
คาคงทสมดลไมเปลยนแปลง
ตวเรงปฏกรยาไมไดเปลยนแปลงสมดล
36FLAS: Chemical Equilibrium
พลงงานอสระกบสและคาคงทสมดล เมอระบบอยในสภาวะสมดล G = 0
พลงงานอสระกบสสามารถหาไดจาก
G คอ คาพลงงานกบสมาตรฐาน
Q คอ ผลคณความเขมขน
aA + bB cC + dD
QRTGG ln
ba
dc
BA
DCRTGG
][][
][][ln
ความเขมขนของแกส ใชความดน (bar)ความเขมขนของ ของแขงหรอของเหลวบรสทธ = 1
Chemical Equilibrium
Chemical Equilibrium 19
37FLAS: Chemical Equilibrium
ทสมดลจะได G = 0
ba
dc
BA
DCRTGG
][][
][][ln
beq
aeq
deq
ceq
BA
DCRTG
][][
][][ln
KRTG ln
ln K = - G/RT
38FLAS: Chemical Equilibrium
ตวอยาง จงคานวณหาคาคงทสมดลของปฏกรยา
SO2(g) + ½ O2(g) SO3(g) ท 298 K (G = 69.84 kJ)
คา K มคานอย แสดงวาทสมดล สารตงตนเกอบเปลยนเปนสารผลตภณฑเลกนอย