สมดุลเคมี — หลักของเลอชาเตอลิเยร์ และ Kc, Kp

สมดุลเคมีคือสภาวะของปฏิกิริยาผันกลับได้ที่อัตราการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าและย้อนกลับเท่ากัน จึงทำให้องค์ประกอบโดยรวมของระบบไม่เปลี่ยนแปลงตามเวลา ไม่ได้หมายความว่าปริมาณของสารทั้งสองฝั่งต้องเท่ากัน สำหรับโจทย์เคมีพื้นฐาน เครื่องมือสำคัญคือ $Kc$, $Kp$ และหลักของเลอชาเตอลิเยร์

ถ้าคุณต้องตัดสินว่าในสมดุลจะเอื้อให้เกิดผลิตภัณฑ์หรือสารตั้งต้นมากกว่า ให้เขียนนิพจน์สมดุลก่อน ถ้าต้องการทำนายทิศทางของการเปลี่ยนแปลง ให้ใช้หลักของเลอชาเตอลิเยร์หรือเปรียบเทียบ $Q$ กับ $K$

สมดุลเคมีหมายถึงอัตราเท่ากัน ไม่ใช่ปริมาณเท่ากัน

พิจารณาปฏิกิริยาผันกลับได้:

$$aA + bB \rightleftharpoons cC + dD$$

ที่สมดุล อัตราการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าจะเท่ากับอัตราการเกิดปฏิกิริยาย้อนกลับ นั่นจึงเป็นเหตุผลที่ปริมาณของ $A$, $B$, $C$ และ $D$ หยุดเปลี่ยนแปลงตามเวลา

แต่นี่ไม่ได้แปลว่าปริมาณต้องเท่ากัน ระบบอาจอยู่ที่สมดุลโดยมีสารตั้งต้นเป็นส่วนใหญ่ มีผลิตภัณฑ์เป็นส่วนใหญ่ หรือมีทั้งสองฝั่งใกล้เคียงกันก็ได้ เงื่อนไขสำคัญคืออัตราเท่ากัน ไม่ใช่แบ่งกันแบบ 50-50

วิธีเขียนนิพจน์ $Kc$

$Kc$ คือค่าคงที่สมดุลที่เขียนในรูปความเข้มข้น โดยในเคมีพื้นฐานมักใช้หน่วย $\mathrm{mol/L}$

สำหรับปฏิกิริยาทั่วไปข้างต้น

$$Kc = \frac{[C]^c[D]^d}{[A]^a[B]^b}$$

ในนิพจน์นี้จะใส่เฉพาะชนิดของสารที่ความเข้มข้นสามารถเปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญในระบบผสมได้เท่านั้น ในการเรียนระดับพื้นฐาน มักไม่นำของแข็งบริสุทธิ์และของเหลวบริสุทธิ์มาเขียน เพราะถือว่าค่ากิจกรรมของสารเหล่านี้คงที่

ขนาดของ $Kc$ ช่วยบอกภาพรวมได้อย่างรวดเร็วว่าสมดุลโน้มไปทางใด:

• ถ้า $Kc \gg 1$ สมดุลจะเอื้อให้เกิดผลิตภัณฑ์
• ถ้า $Kc \ll 1$ สมดุลจะเอื้อให้เกิดสารตั้งต้น
• ถ้า $Kc$ ใกล้ $1$ จะไม่มีฝั่งใดเด่นชัดมาก

อย่างไรก็ตาม นี่เป็นเพียงแนวโน้มเท่านั้น เมื่อต้องแก้โจทย์จริง คุณยังต้องเขียนนิพจน์ให้ถูกต้องและใช้เลขชี้กำลังให้ถูกต้องด้วย

เมื่อใดควรใช้ $Kp$ แทน

$Kp$ คือค่าคงที่สมดุลสำหรับสมดุลของแก๊สที่เขียนด้วยความดันย่อย:

$$Kp = \frac{(P_C)^c(P_D)^d}{(P_A)^a(P_B)^b}$$

ใช้ $Kp$ เมื่อโจทย์อธิบายปฏิกิริยาในรูปความดันย่อยของแก๊ส ถ้าปฏิกิริยาไม่มีแก๊สเลย โดยทั่วไป $Kp$ จะไม่ใช่ตัวเลือกที่เหมาะที่สุด

สำหรับสมดุลของแก๊ส $Kc$ และ $Kp$ มีความสัมพันธ์กันดังนี้

$$Kp = Kc(RT)^{\Delta n_{\mathrm{gas}}}$$

โดยที่ $\Delta n_{\mathrm{gas}}$ คือ

$$\Delta n_{\mathrm{gas}} = \text{จำนวนโมลของผลิตภัณฑ์ที่เป็นแก๊ส} - \text{จำนวนโมลของสารตั้งต้นที่เป็นแก๊ส}$$

ความสัมพันธ์นี้ใช้กับสมดุลของแก๊สในรูปแบบพื้นฐานที่พบได้ทั่วไป ถ้าไม่มีแก๊สในระบบ $\Delta n_{\mathrm{gas}}$ ก็ไม่ใช่ประเด็นหลักที่ต้องใช้พิจารณา

ตัวอย่างทำโจทย์: หา $Kc$ สำหรับ $N_2O_4(g) \rightleftharpoons 2NO_2(g)$

สมมติว่าส่วนผสมที่สมดุล ณ อุณหภูมิหนึ่งมีค่า

$$[N_2O_4] = 0.40 \text{ M}, \qquad [NO_2] = 0.20 \text{ M}$$

ดังนั้น

$$Kc = \frac{[NO_2]^2}{[N_2O_4]} = \frac{(0.20)^2}{0.40} = 0.10$$

ดังนั้นสมดุลนี้จึงเอื้อให้เกิดสารตั้งต้นที่อุณหภูมินั้น เพราะ $Kc < 1$ ขั้นตอนสำคัญไม่ใช่การจำตัวเลข แต่คือการสังเกตว่าสัมประสิทธิ์ $2$ หน้า $NO_2$ จะกลายเป็นเลขชี้กำลังในนิพจน์สมดุล

สำหรับปฏิกิริยาเดียวกัน $\Delta n_{\mathrm{gas}} = 2 - 1 = 1$ ดังนั้น

$$Kp = Kc(RT)$$

สมการนี้บอกให้รู้ว่ารูปความเข้มข้นและรูปความดันเชื่อมโยงกันอย่างไรสำหรับปฏิกิริยาแก๊สนี้

หลักของเลอชาเตอลิเยร์ใช้ทำนายการเลื่อนสมดุลอย่างไร

หลักของเลอชาเตอลิเยร์เป็นเครื่องมือสำหรับบอกทิศทาง ถ้าระบบที่อยู่ในสมดุลถูกรบกวน ตำแหน่งสมดุลจะเลื่อนไปในทิศทางที่ช่วยต้านการรบกวนนั้นบางส่วน

หลักนี้ตอบคำถามว่า “ระบบจะเลื่อนไปทางไหน?” แต่ไม่ได้บอกปริมาณใหม่ที่สมดุลอย่างแน่นอน

การเปลี่ยนแปลงความเข้มข้น

การเติมสารตั้งต้นมักทำให้สมดุลเลื่อนไปทางผลิตภัณฑ์ การเติมผลิตภัณฑ์มักทำให้สมดุลเลื่อนไปทางสารตั้งต้น การนำสารชนิดหนึ่งออกไปมักทำให้สมดุลเลื่อนไปเพื่อสร้างสารที่ถูกนำออกไปทดแทนบางส่วน

ทางลัดนี้ใช้ได้เฉพาะกับสารที่มีผลในนิพจน์สมดุลเท่านั้น การเปลี่ยนปริมาณของของแข็งบริสุทธิ์เพียงอย่างเดียวไม่ได้ทำให้เกิดกฎการเลื่อนสมดุลแบบอิงความเข้มข้นเช่นเดียวกัน

การเปลี่ยนแปลงความดันหรือปริมาตร

ทางลัดเรื่องความดันมักใช้กับสมดุลของแก๊ส ถ้าปริมาตรลดลง ความดันจะเพิ่มขึ้น และสมดุลมักเลื่อนไปทางด้านที่มีจำนวนโมลแก๊สน้อยกว่า ถ้าปริมาตรเพิ่มขึ้น สมดุลมักเลื่อนไปทางด้านที่มีจำนวนโมลแก๊สมากกว่า

ถ้าทั้งสองฝั่งมีจำนวนโมลแก๊สรวมเท่ากัน ทางลัดนี้จะทำนายว่าไม่มีการเลื่อนสมดุลจากการเปลี่ยนปริมาตรเพียงอย่างเดียว

การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ

อุณหภูมิแตกต่างจากปัจจัยอื่น เพราะสามารถเปลี่ยนค่าของค่าคงที่สมดุลได้โดยตรง

ให้มองความร้อนเป็นส่วนหนึ่งของปฏิกิริยา สำหรับปฏิกิริยาไปข้างหน้าที่คายความร้อน ความร้อนทำหน้าที่เหมือนผลิตภัณฑ์ สำหรับปฏิกิริยาไปข้างหน้าที่ดูดความร้อน ความร้อนทำหน้าที่เหมือนสารตั้งต้น นี่จึงเป็นเหตุผลว่าทำไมการเพิ่มอุณหภูมิอาจเอื้อให้เกิดการเลื่อนไปคนละทิศในปฏิกิริยาต่างชนิดกัน

ตัวเร่งปฏิกิริยา

ตัวเร่งปฏิกิริยาช่วยให้ระบบเข้าสู่สมดุลได้เร็วขึ้น แต่ไม่ได้เปลี่ยนตำแหน่งสมดุลด้วยตัวมันเอง

ใช้ $Q$ เทียบกับ $K$ เพื่อทำนายทิศทาง

ถ้านำความเข้มข้นหรือความดันปัจจุบันไปแทนในนิพจน์เดียวกันก่อนที่ระบบจะถึงสมดุล ค่าที่ได้เรียกว่า reaction quotient หรือ $Q$

• ถ้า $Q < K$ ระบบมักเลื่อนไปทางขวา
• ถ้า $Q > K$ ระบบมักเลื่อนไปทางซ้าย
• ถ้า $Q = K$ ระบบอยู่ที่สมดุล

วิธีนี้มักเชื่อถือได้มากกว่าการคาดเดาแบบกว้าง ๆ ว่า “เอื้อให้เกิดผลิตภัณฑ์” หรือ “เอื้อให้เกิดสารตั้งต้น” เพราะอิงจากนิพจน์จริงของระบบ

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อยในโจทย์สมดุลเคมี

สับสนระหว่างอัตราเท่ากันกับปริมาณเท่ากัน

ที่สมดุล อัตราเท่ากัน แต่ความเข้มข้นไม่จำเป็นต้องเท่ากัน

ลืมว่าสัมประสิทธิ์จะกลายเป็นเลขชี้กำลัง

ใน $Kc$ หรือ $Kp$ สัมประสิทธิ์จะกลายเป็นเลขชี้กำลัง ถ้าสมการดุลมี $2NO_2$ นิพจน์จะต้องเป็น $[NO_2]^2$ หรือ $(P_{NO_2})^2$

ใส่ของแข็งบริสุทธิ์หรือของเหลวบริสุทธิ์ลงในนิพจน์

สำหรับนิพจน์สมดุลพื้นฐานทั่วไป จะไม่นำของแข็งบริสุทธิ์และของเหลวบริสุทธิ์มาเขียน

ใช้หลักของเลอชาเตอลิเยร์เหมือนเป็นเครื่องคิดเลข

หลักของเลอชาเตอลิเยร์ใช้บอกทิศทางได้ดี แต่ไม่ได้ให้ปริมาณสุดท้ายที่แน่นอน

คิดว่าการเปลี่ยนแปลงทุกอย่างทำให้ $K$ เปลี่ยน

ที่อุณหภูมิคงที่ การเปลี่ยนความเข้มข้น ความดัน หรือปริมาตร อาจทำให้ตำแหน่งสมดุลเลื่อน แต่ไม่ได้เปลี่ยนค่า $K$ ข้อยกเว้นสำคัญในเคมีพื้นฐานคือการเปลี่ยนอุณหภูมิ

สมดุลเคมีถูกนำไปใช้ที่ไหน

สมดุลเคมีพบได้ในหลายส่วนของวิชาเคมี เช่น ปฏิกิริยาแก๊ส ระบบกรด-เบส การละลาย การเกิดสารเชิงซ้อนของไอออน และการออกแบบปฏิกิริยาในอุตสาหกรรม สมดุลเคมีมีความสำคัญทุกครั้งที่ปฏิกิริยาสามารถเกิดได้ทั้งสองทิศทาง และองค์ประกอบสุดท้ายขึ้นอยู่กับสภาวะของระบบ

แนวคิดนี้ยังเชื่อมโยงหัวข้อที่นักเรียนมักเรียนแยกกันด้วย จลนพลศาสตร์อธิบายว่าระบบเปลี่ยนแปลงเร็วแค่ไหน ส่วนสมดุลอธิบายว่าสุดท้ายระบบจะไปหยุดอยู่ที่สภาวะใด ณ อุณหภูมิที่กำหนด

ลองทำโจทย์สมดุลที่คล้ายกัน

ลองใช้ขั้นตอนเดียวกันกับ

$$H_2(g) + I_2(g) \rightleftharpoons 2HI(g)$$

เริ่มจากเขียนนิพจน์ของ $Kc$ จากนั้นถามว่าถ้าเติม $HI$ เพิ่ม หรือถ้าอัดภาชนะให้ปริมาตรลดลง จะเกิดอะไรขึ้น คำถามข้อที่สองเป็นการตรวจสอบที่ดี เพราะจำนวนโมลแก๊สรวมทั้งสองฝั่งเท่ากัน ดังนั้นทางลัดเรื่องความดันตามปกติจะทำนายว่าไม่เกิดการเลื่อนสมดุล