สมดุลเคมี (Chemical Equilibrium) วิชาเคมี ม.5

สมดุลเคมี หมายถึง สภาวะที่ความเข้มข้นของสารตั้งต้นและสารผลิตภัณฑ์ไม่เปลี่ยน แปลงอีกแม้เวลาผ่านไป เราจะเรียกว่าปฏิกิริยาเคมีนั้นอยู่ในสมดุล (equilibrium) ทั้งนี้ การดำเนินไปของปฏิกิริยาไม่ได้สิ้นสุดลงแต่ระบบยังคงมีการเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา 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)

ภาวะสมดุล  หมายถึง  ภาวะที่ระบบมีสมบัติคงที่  หรือภาวะที่สารตั้งต้นและสารผลิตภัณฑ์ทุกชนิดมีปริมาณหรือความเข้มข้นคงที่  หรือภาวะที่อัตราการเปลี่ยนแปลงไปข้างหน้าเท่ากับอัตราการเปลี่ยนแปลงย้อนกลับ

สมบัติของระบบ  ณ ภาวะสมดุล

1. ต้องเป็นปฏิกิริยาที่ผันกลับได้ โดย  ต้องเกิดในระบบปิด
2. มีปฏิกิริยาไปข้างหน้าและย้อนกลับเกิดขึ้นตลอดเวลา โดยจำนวนโมลของสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์คงที่แต่อาจเท่ากันหรือไม่เท่ากันก็ได้  และ  อัตราการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าเท่ากับปฏิริยาย้อนกลับ
3. สมบัติของระบบคงที่ (จำนวนโมลคงที่  สีของสารคงที่  ความดันคงที่  และอุณหภูมิคงที่)

   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

  ภาวะสมดุลระหว่างสถานะ  สารต่างๆสามารถเปลี่ยนสถานะได้ โดยมีการเปลี่ยนแปลงพลังงานควบคู่ไปด้วย  ดังแผนภาพนี้

ที่ภาวะสมดุลของปฏิกิริยาเคมีระบบยังมิได้หยุดนิ่ง  ยังมีทั้งการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้า  และเกิดปฏิกิริยาย้อนกลับตลอดเวลาโดยเกิดในอัตราที่เท่ากัน  เรียกภาวะสมดุลนี้ว่า  ภาวะสมดุลไดนามิก        

ขอขอบคุณข้อมูลจาก https://th.wikipedia.org

และ  https://www.scimath.org