สมดุลเคมี - WordPress.com · 2011-10-06 · สาขาเคมีโรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ สมดุลเคมี
สมดุลเคมี Chemical Equilibrium · 2010-12-13 ·...
Transcript of สมดุลเคมี Chemical Equilibrium · 2010-12-13 ·...
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)
3FLAS: Chemical Equilibrium
2NO2(g) N2O4(g)
N2O4(g) 2NO2(g)
การเปลยนแปลงความเขมขนของ NO2 และ N2O4
(A) เมอ N O เปนสารตงตน (B) เมอ NO เปนสารตงตน
4FLAS: Chemical Equilibrium
(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
5FLAS: Chemical Equilibrium
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)
6FLAS: Chemical 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
b
f
BAk ][][ K
Reactants
K เปนคาคงทสมดล (ขนกบอณหภม) K มาก มผลตภณฑมาก (kf >> kb)
8FLAS: Chemical Equilibrium
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
9FLAS: Chemical Equilibrium
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
10FLAS: Chemical Equilibrium
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
11FLAS: Chemical Equilibrium
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
12FLAS: Chemical Equilibrium
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)
13FLAS: Chemical Equilibrium
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
14FLAS: Chemical Equilibrium
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
15FLAS: Chemical Equilibrium
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
17FLAS: Chemical Equilibrium
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
18FLAS: Chemical Equilibrium
*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
19FLAS: Chemical Equilibrium
สมดลของปฏกรยาเกยวของกบแกส
N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)
322
23
]][[][
HNNHKC
ในกรณของแกส อาจใชความดนแทนความเขมขนได โดยคาคงททไดจะเรยกวา KPคาคงททไดจะเรยกวา KP
3
23NH
P PPP
K 22 HN PP
20FLAS: Chemical Equilibrium
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
21FLAS: Chemical Equilibrium
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
22FLAS: Chemical Equilibrium
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)
23FLAS: Chemical Equilibrium
= 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
24FLAS: Chemical Equilibrium
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 '
25FLAS: Chemical Equilibrium
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
'
26FLAS: Chemical Equilibrium
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)
27FLAS: Chemical Equilibrium
หลกของเลอชาเตอลเยร (Le Chatelier’s Principle)
เมอระบบทอยในสภาวะสมดลถกรบกวนทาใหสมดล
ของระบบเสยไป ระบบจะปรบตวไปในทศทางทจะทาของระบบเสยไป ระบบจะปรบตวไปในทศทางทจะทา
ใหผลกระทบจากปจจยทรบกวนระบบนนลดลงหรอ
เหลอนอยทสดแลวระบบจะเขาสสมดลใหมอกครง
การเขาสสมดลของระบบจะเรมจากทศใดกไดการเขาสสมดลของระบบจะเรมจากทศใดกได
28FLAS: Chemical Equilibrium
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
29FLAS: Chemical Equilibrium
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
31FLAS: Chemical Equilibrium
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
32FLAS: Chemical Equilibrium
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
33FLAS: Chemical Equilibrium
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
34FLAS: Chemical Equilibrium
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
37FLAS: Chemical Equilibrium
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)
38FLAS: Chemical Equilibrium
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
39FLAS: Chemical Equilibrium
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
40FLAS: Chemical Equilibrium