หลักของเลอ ชาเตอลิเยร์ — สมดุลเคมีเลื่อนไปอย่างไร

หลักของเลอ ชาเตอลิเยร์ใช้ทำนายว่าปฏิกิริยาผันกลับได้จะเลื่อนไปทางใดหลังจากมีการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้น ความดัน ปริมาตร หรืออุณหภูมิ ถ้าระบบอยู่ที่สมดุลอยู่แล้วและถูกรบกวน สมดุลใหม่มักจะเลื่อนไปในทิศทางที่ช่วยต้านการเปลี่ยนแปลงนั้นบางส่วน

หลักนี้เป็นเครื่องมือบอกทิศทาง ไม่ใช่เครื่องมือคำนวณ มันบอกได้ว่าสมดุลจะเลื่อนไปทางซ้ายหรือขวา แต่ไม่ได้บอกปริมาณใหม่ที่แน่นอน

ที่สมดุล ปฏิกิริยาไปข้างหน้าและย้อนกลับยังคงเกิดขึ้นอยู่ เพียงแต่เกิดด้วยอัตราเท่ากัน ดังนั้นองค์ประกอบโดยรวมจึงคงที่จนกว่าสภาวะจะเปลี่ยน

การเปลี่ยนแปลงแบบใดที่ทำให้สมดุลเลื่อนได้

สิ่งรบกวนหลักในเคมีพื้นฐานคือการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้น ความดันหรือปริมาตรของแก๊ส และอุณหภูมิ แต่ละแบบมีกฎของตัวเอง ดังนั้นควรระบุชนิดของสิ่งรบกวนก่อนทำนายเสมอ

ถ้าเติมสารตั้งต้นมากขึ้น ระบบมักจะใช้สารนั้นบางส่วนไป จึงทำให้สมดุลเลื่อนไปทางผลิตภัณฑ์ ถ้านำผลิตภัณฑ์ออกบางส่วน ระบบมักจะสร้างสิ่งที่ถูกนำออกไปทดแทน ดังนั้นสมดุลก็จะเลื่อนไปทางผลิตภัณฑ์เช่นกัน

สำหรับสมดุลของแก๊ส การเปลี่ยนแปลงความดันและปริมาตรมีผลก็ต่อเมื่อทั้งสองด้านมีจำนวนโมลรวมของแก๊สไม่เท่ากัน การลดปริมาตรทำให้ความดันเพิ่มขึ้น ดังนั้นสมดุลมักจะเลื่อนไปทางด้านที่มีจำนวนโมลของแก๊สน้อยกว่า ถ้าทั้งสองด้านมีจำนวนโมลรวมของแก๊สเท่ากัน วิธีลัดนี้จะทำนายว่าไม่เกิดการเลื่อน

อุณหภูมิเป็นกรณีพิเศษ สำหรับปฏิกิริยาไปข้างหน้าที่คายความร้อน ความร้อนทำหน้าที่เหมือนผลิตภัณฑ์ ส่วนปฏิกิริยาไปข้างหน้าที่ดูดความร้อน ความร้อนทำหน้าที่เหมือนสารตั้งต้น ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิจึงสามารถเปลี่ยนได้ว่าที่สมดุลจะเอื้อไปทางด้านใด

ตัวอย่าง: การอัดสมดุลของกระบวนการฮาเบอร์

พิจารณาสมดุลของกระบวนการฮาเบอร์:

$$N_2(g) + 3H_2(g) \rightleftharpoons 2NH_3(g)$$

สมมติว่าอุณหภูมิคงที่และภาชนะถูกอัด นั่นหมายความว่าปริมาตรลดลงและความดันเพิ่มขึ้น

ตอนนี้นับจำนวนโมลของแก๊ส ด้านซ้ายมีแก๊ส $1 + 3 = 4$ โมล ส่วนด้านขวามีแก๊ส $2$ โมล การเลื่อนไปทางขวาจะช่วยลดการเพิ่มขึ้นของความดันได้ เพราะระบบเคลื่อนไปทางที่มีอนุภาคแก๊สน้อยกว่า ดังนั้นสมดุลจึงเลื่อนไปทางแอมโมเนีย $NH_3$

นี่คือรูปแบบหลักของโจทย์เรื่องความดัน ตรวจสอบก่อนว่าปฏิกิริยาเกี่ยวข้องกับแก๊ส จากนั้นนับจำนวนโมลรวมของแก๊สในแต่ละด้าน แล้วจึงค่อยตัดสินทิศทาง

สิ่งที่หลักของเลอ ชาเตอลิเยร์บอกไม่ได้

หลักของเลอ ชาเตอลิเยร์บอกทิศทางของการเลื่อน แต่ไม่ได้บอกค่าความเข้มข้น ความดัน หรือผลได้ที่สมดุลใหม่อย่างแน่นอน

นอกจากนี้ หลักนี้ก็ไม่ได้ใช้แทนการคำนวณสมดุล ถ้าโจทย์ถามหาปริมาณสุดท้าย คุณต้องใช้เครื่องมืออย่างนิพจน์สมดุลหรือตาราง ICE ไม่ใช่อาศัยแค่ทิศทางการเลื่อน

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อยในโจทย์การเลื่อนสมดุล

สับสนระหว่างตำแหน่งสมดุลกับความเร็ว

ตัวเร่งปฏิกิริยามักช่วยให้ระบบเข้าสู่สมดุลได้เร็วขึ้น แต่ไม่ได้ทำให้สมดุลเลื่อนไปทางซ้ายหรือขวาด้วยตัวมันเอง นักเรียนมักสับสนระหว่างการตอบสนองที่เร็วขึ้นกับตำแหน่งสมดุลที่เปลี่ยนไป

ใช้วิธีลัดเรื่องความดันในกรณีที่ใช้ไม่ได้

วิธีลัดเรื่องความดันและปริมาตรใช้กับสมดุลของแก๊สเท่านั้น และยังต้องมีจำนวนโมลรวมของแก๊สสองด้านไม่เท่ากันด้วย ถ้าจำนวนโมลของแก๊สเท่ากัน การเปลี่ยนปริมาตรเพียงอย่างเดียวจะไม่ทำนายการเลื่อนของสมดุล

มองว่าอุณหภูมิเป็นแค่การเปลี่ยนความเข้มข้นอีกแบบหนึ่ง

ที่อุณหภูมิคงที่ การเปลี่ยนความเข้มข้นหรือความดันจะทำให้ตำแหน่งสมดุลเปลี่ยน โดยไม่ทำให้ค่าคงที่สมดุลเปลี่ยน แต่อุณหภูมิต่างออกไป เพราะมันสามารถเปลี่ยนค่าคงที่สมดุลได้โดยตรง

คิดว่าสมดุลหมายถึงมีปริมาณเท่ากัน

สมดุลหมายถึงอัตราการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าและย้อนกลับเท่ากัน ไม่ได้หมายความว่าสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ต้องมีปริมาณเท่ากัน

นักเคมีใช้หลักของเลอ ชาเตอลิเยร์ที่ไหน

นักเคมีใช้หลักของเลอ ชาเตอลิเยร์ในปฏิกิริยาระยะแก๊ส สมดุลกรด-เบส ปัญหาการละลาย และการออกแบบกระบวนการอุตสาหกรรม หลักนี้มีประโยชน์มากที่สุดเมื่อคุณต้องการการทำนายเชิงคุณภาพอย่างรวดเร็วก่อนทำการคำนวณเต็มรูปแบบ

จึงมีประโยชน์มากเป็นพิเศษในโจทย์ของนักเรียน คุณมักตัดตัวเลือกที่ผิดออกได้อย่างรวดเร็วด้วยการตรวจชนิดของสิ่งรบกวนและสภาวะของปฏิกิริยา

ลองทำโจทย์การเลื่อนสมดุลที่คล้ายกัน

พิจารณา

$$2SO_2(g) + O_2(g) \rightleftharpoons 2SO_3(g)$$

แล้วถามว่าจะเกิดอะไรขึ้นถ้าปริมาตรลดลงที่อุณหภูมิคงที่ ให้นับจำนวนโมลของแก๊สในแต่ละด้านก่อนตอบ ถ้าต้องการตรวจคำตอบอย่างรวดเร็วอีกแบบ ให้เปรียบเทียบเหตุผลของคุณกับปฏิกิริยาใดก็ได้ที่ทั้งสองด้านมีจำนวนโมลของแก๊สเท่ากัน แล้วดูว่าทำไมวิธีลัดเรื่องความดันจึงใช้ไม่ได้